“雙碳”目標下中國礦山的發展與建設模式

趙迤琳(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

1 前言

21世紀是歷史上溫室氣體排放增長最快的時期,僅最近20年的碳排放占比就高達歷史記錄的31%,大量的溫室氣體排放加速了全球平均氣溫的提升[1]。面對日益嚴峻的氣候變暖危害,綠色低碳發展已經在國際社會內達成普遍共識。為了將全球平均氣溫提升較工業化之前的水平控制在1.5℃～2℃,自2015年12月起已有196個國家加入了《巴黎協定》。協議擬定發達國家將率先于2050年實現凈零碳(Net Zero 2050),成員國可以根據自身發展情況與基本國情,提出不同的階段性目標與相應政策[1-2]。而我國也在2020年9月鄭重承諾了在2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和這一“雙碳”目標,由此正式加入全球應對氣候變化的統一戰線[3]。其中“碳達峰”是指國家或企業歷史上碳排放的最高值,而“碳中和”則是指在一定時間內,直接或間接產生的溫室氣體排放總量,可以通過植樹造林等形式進行抵消,實現碳排放量的“收支相抵”[4]。

各種研究統計數據表明,全球碳排放超過73%與能源相關,且主要以一次性消費的化石能源為主[5]。我國每年煤炭使用的碳排放也超過72%,占全球排放量的19%[6]。在“雙碳”背景下,我國的能源消費結構急需迎來從煤炭到新型能源的全面轉型。與此同時,《全球礦業發展報告2019》表示,礦業在全球經濟發展中占據重要位置,占全球溫室氣體排放量的4%～7%。因此礦業作為促進我國經濟發展和能源結構轉換的重要一環,也將面臨規模性的調整。而作為冶金、化工企業等高能耗產業的上游供應商,礦業企業的“碳中和”能力也會對我國金屬冶煉行業實現“雙碳”目標的進度產生較強的影響力。圖1所示為我國一次能源消費結構。

圖1 2019年我國一次能源消費結構

2 礦業產業的碳排放核算

2.1 溫室氣體排放核算體系

國際上較為權威的溫室氣體量化標準有ISO 14064系列,ISO 14067,PAS 2050和 Green House Gas Protocol(GHGP)[7]。其中,GHGP由世界資源組織(WRI)和世界可持續發展工商理事會(WNSCD)于2009年聯合發布,已針對中國做出了區域化修訂,應用較為廣泛。根據GHGP的標準,生產企業的溫室氣體排放可以劃分為三個范圍:范圍一包括生產過程中可控源頭的直接溫室氣體排放;范圍二包括能源消耗導致的間接排放;范圍三則來自產業供應鏈中上下游業務的間接排放[8]。

歐洲從2005年起陸續地更新歐盟碳交易系統,用來統一生產行業的各自溫室氣體計量標準,美國也在全國范圍內發布并實施了強制性溫室氣體排放清單報告制度(GHGRP)。與此同時,我國碳計量體系的構建也在持續進行中。整體框架遵循IPCC指南,并逐步更新于《企業溫室氣體排放核算方法與報告指南(試行)》。從2011年至今,共發布的三份文件包含了24個重點行業的碳排放計量方法與相關要求。2013年成立的全國低碳計量技術委員會,負責碳排放量與減排量計算的技術規范研究、制定和推廣應用。

2.2 礦山中的碳足跡

按照采礦工序,礦山中的碳排放來源大致可分為三個階段:開采、運輸、選礦,而每個階段又可以按照工藝的種類進行進一步分類,具體如圖2所示[9]。已有數據顯示,礦山每年的溫室氣體排放量大約在200～400 kt CO2equivalent,因產量和開采方式的不同導致浮動區間較大,例如位于澳大利亞的一座原礦石年產量約25 Mt的露天鐵礦,每年的碳排放量約176 kt CO2equivalent。但由于露天和地下開采的碳排放量基本相同,其中露天礦因土壤移除而產生的溫室氣體排放(生態系統、植被碳固存能力下降),相當于地下礦中額外的廢氣排放(深度加長的運輸路徑)[10]。

圖2 礦山生產中的碳排放源頭(示例:澳大利亞年產量25 Mt露天鐵礦)

由于礦山中所包含工藝流程的復雜性,設備的多樣性,使得每一座礦山具有獨特的特性,需要進行個案分析,因此對于礦山碳排放量的核算以及碳足跡的估算面臨巨大挑戰。目前為止絕大部分的礦山仍選擇根據歷史數據進行推演的方法,以年為單位,粗略的估計礦山碳排放量。這樣難以做到準確、透明、持續、完整的溫室氣體排放量檢測與計算,為后續節能減排計劃,以及中和、凈零的戰略部署增加了不少的難度。因此,推動礦山數字化監管的應用與普及,可以為實時檢測提供良好的動態的碳排放數據基礎,為礦山企業提供更為詳細的排放報告,從而協助制定更為精準的減排目標與更加適用減排方案,進一步加快礦山實現“雙碳”目標[11]。

3 國際礦業企業的“雙碳”規劃

大型礦業公司在全球礦業中占據重要地位,僅4成公司的全球市值占比高達80%。他們不僅擁有全球優質礦產資源,還影響著全球礦業的實現凈零碳的轉型計劃。在全球氣候變化背景下,國際范圍內的眾多資源行業巨頭,包括嘉能可(Glencore)、力拓(Rio Tinto)、淡水河谷(Vale)、比和必拓(BHP)、巴里克(Barrick)等公司在內,都已積極響應《巴黎協定》,提出了各自的減碳目標,并為企業實現“碳達峰“與“碳中和“定下截至時間[12-16]。上述企業均在其可持續發展報告或年度報告里表明了他們已經在,改變生產方式、注重低碳生產理念、支持科技發展等方面,圍繞既定的碳減排與碳中和目標,制定了相應的行動計劃以及戰略部署。從資金投入,到技術開發、跨領域合作和新設備、新材料的引進等多重方面,逐步推進礦業企業的低碳生產與綠色產業鏈的發展。大型礦業公司目標方案見表1。

表1 國際大型礦業公司的碳中和目標與戰略方案

4 我國“雙碳”目標下的礦山建設模式

對比各家大型礦業企業的“雙碳”戰略規劃不難看出,盡管公司受所屬國、資產所在地以及公司結構等影響,呈現的減排計劃各有不同,但綜合考慮可以大致將“雙碳”礦山建設的行動路徑劃分為六大方向。

4.1 提高運輸效率,減少生產活動的直接碳排放

研究顯示,在礦山全生命周期內,在采礦階段由于生產運輸活動的而產生的直接碳排放量占比高達45%～60%,而運輸活動帶來的能源消耗占比也高達35%[10]。因此減少移動設備的尾氣排放成為了實現礦山碳中和的首要任務之一。礦山中平均只有0.5%左右的設備是全電動的,因此還有很大的發展空間,如果將運輸設備全部更換為電池驅動,將減少礦山近25%的碳排放[17]。因此,礦業企業還需積極協助新能源電池技術的研發與推廣,通過優化電池的儲能效率、充電時間、工作時長,使電動設備的運營效益得到顯著提升,從而彌補其總擁有成本高于傳統柴油移動設備近20%所帶來的投資壓力。

除了直接選用電池或油電混合的運輸設備,部分礦山也開始采用數字化建模和仿真模擬計算來進行礦山的運輸演算,利用信息化平臺來進行資源分配、車隊調度以及設備管控。將智能平臺和聯網的運輸設備相結合,可以大大縮短運輸路徑,減少排隊、空運的情況發生。還有研究指出,在運輸路徑得到了優化的情況下,隨著路徑的縮短、卡車的高效利用,可以大量減少輪胎橡膠的使用,也同樣有助于減少項目溫室氣體的排放量[18]。這樣的建設構思可以從能源消耗的角度解決問題,在保證了礦山穩定實現節能減排的前提下,大幅度提高生產效率。

4.2 優化工藝設計,實現資源利用率最大化

降低損失、貧化率,提升礦石回收率一直都是礦山生產的核心目標,因此在選礦階段用到的大型研磨設備正是礦山中僅次移動車輛的第二大碳排放來源。隨著新型設備的引進,資源回采率的逐步增高,選礦設備的處理效率也會得到提升,采礦工藝設計需要隨之進行改進。世界銀行集團的礦業資源報告還指出,到2050年,為了滿足對清潔能源技術日益增長的需求,石墨、鋰和鈷等礦物的產量將增加近500%,部署風能、太陽能、地熱能以及能源儲存將需要30億t以上的礦物和金屬資源[19]。因此,從有色金屬到鎳、鋰、稀土等可再生和電氣化原材料的需求轉變,也會導致礦山工藝設計的改變。

一方面,礦山可以根據新型設備的出礦量、能耗、工作時長等參數,做出工藝設計上的權衡與調整,使工廠中固定設備的用電量以及化石燃料的使用量大大減少,從而降低能源消耗帶來的碳排放量。另一方面,數字化的生產與智能化的管理可以極大的提高資源利用率,并降低不必要的能源損失。在工藝設計過程中采用數值模型、協同平臺、信息采集等技術,可以協助數字孿生礦山的建設,使原材料、工作裝置、生產設備、人員勞動力等資源的利用得到最大化,在保證生產進度與生產安全的前提下,加速礦山實現在生產階段的節能減排目標。

4.3 實現礦區能源結構轉型,全面覆蓋可再生能源

近10年我國的煤炭消費每年增長約1.7%,可再生能源與清潔能源在重工業使用并不廣泛,煤炭依舊是我國現階段礦業產業的主要能源[20]。以黃金產業為例,總產量占中國黃金80%以上的十大省份,清潔能源消耗量僅占比17%,溫室氣體排放強度范圍在792～1 881 kgCO2e/oz[21-22]。盡管我國在2010年至2019年期間的萬元國內生產總值煤炭消費量由0.85 t下降至0.45 t,但發達國家的智能化已經逐步引領國家的萬元GDP煤耗向著0.1 t邁進。這就意味著我國還需通過“雙碳”計劃帶動能源消費的革命,大幅提高清潔能源及可再生能源的覆蓋率,并降低煤炭使用占比。目前在全球范圍內,中國正在逐步成為可再生能源生產大國,是現階段投資最高的國家。我國風能發電年均增長3千萬千瓦,光伏年均增長近5千萬千瓦,預估將在2030年實現風能、太陽能的絕大面積覆蓋[23]。這樣的發展趨勢可以迅速降低可再生能源的成本與使用價格,從而提高其相較于傳統化石能源的競爭力。由于清潔能源電力運輸的成本較高,因此在偏遠地區建設獨立的發電站可以使清潔電力更為經濟且廣泛的覆蓋整個礦區,并帶動偏遠地區的供電范圍。圖3所示為部分國家和地區太陽能光伏產能增量。

圖3 部分國家和地區的太陽能光伏產能增量

4.4 提高設計綠化率,減少廢棄物體量,提高生態系統固碳水平

植被流失、土壤剝離和生物多樣性遭到破壞,一直是影響礦區內生態系統平衡的重要問題。礦區的開采嚴重影響了生態環境中的碳循環及其本身的固碳能力,也通常被算作碳量增長的根本問題之一。此外,隨著的礦石品位變低,直接導致了尾礦及廢石產量的增加,從而加大了固廢材料的占地面積。因此,對礦區的土壤保護以及生物種類的穩固是一個長期且艱巨的難題。針對生產中的礦山和歷史遺留礦區,可以考慮通過下述方法對的生態環境進行保護與修復,恢復其固碳、循環的能力。

成功的生態修復可以提高礦區近20%的固碳能力,是幫助實現礦山碳中和的良好解決方法之一。礦區中的碳匯源頭同樣依賴于植被與土壤。通過改良土壤、修復植被等土地復墾方法來改善礦區的生態環境以及土壤功能,可以加強礦區損壞環境的修復能力,同時提高其生態系統的固碳能力,從而實現碳庫平衡的狀態。礦區需采用因地制宜的方法,根據氣候環境條件,物種分布情況,礦區結構規模等方面,做出綜合評價并量身定制專屬復墾方案,從而盡快提高礦區固碳能力。生態保護措施見表2。

表2 生態環境保護措施

4.5 實施碳定價并協助碳匯項目,實現產業碳排放負增長

碳定價的引入被認為是最有效的遏制溫室氣體排放機制,在2021年2月,碳價已升至40歐元的歷史最高水平[24-25]。目前我國已成立了9個碳交易所,全國碳排放權交易市場也已于2021年7月16日成功的全面上線。歐盟在2014將礦業確定為生產成本或競爭力產生受碳定價影響最為重大的行業。澳大利亞、加拿大和美國在研究中發現,由于行業能源消耗的強度和國際貿易的風險系數,礦業和金屬行業,是將受碳定價貿易影響最大的行業[26-28]。因此礦業產業需提高對碳定價的重視程度,提前模擬公司在不同碳價與大宗商品價格時期盈利能力的變化,并提前部署相關碳匯項目。

由于生產活動中不可避免地會排放溫室氣體,因此大部分企業選擇了購入輔助增匯業務來對碳排放進行抵消,從而達到“凈零”排碳的目標。在1988年,隨著危地馬拉一個擁有200萬t的減排量的植樹計劃以220萬歐元的價格售出,自此,對于林業碳匯交易的研究、實踐與推廣便在全球范圍內持續展開[29]。直到2018年,共有13個國家的碳交易體系納入了林業碳抵消計劃,共計1 500個以上的項目累計融資達到至少60億美金。在2020年,位于加拿大的Mcllvenna Bay銅礦,就是利用內蒙的森林保護項目與危地馬拉的風能項目,實現了“凈零”礦山[30]。林業抵消機制目前也在我國的北京、福建與廣東開展了試運行。因此,協助發展多種碳匯機制、支持碳匯融資,并積極參與農林業增匯項目,可以大幅度減輕礦山企業在必須維持高產能前提下的“雙碳”達標壓力,是作為礦山實現碳凈零的重要手段之一。

4.6 利用碳捕捉與封存技術,形成碳回收與碳循環

通過將二氧化碳從排放源中分離、封存以及再利用,可以實現對二氧化碳的捕集、利用與封存(CCUS),從而減少工業的二氧化碳排放量,幫助實現“凈零”排放[31]。隨著國際上對該技術的普遍認同,我國的CCUS技術也得到了更多關注,2019年前已經開展了31個示范項目。然而目前CCUS面臨的最大挑戰是技術成本。我國目前最成熟的CCUS成本在煤電廠中為300～900元/t,而運輸成本為0.3～1.4元/t·km。因此,礦業企業可以考慮協助CCUS的示范應用與技術研究,隨著CCUS標準體系與政策補貼的完善,共同降低技術成本并加速CCUS的推廣,加快礦山“雙碳”進程的腳步。

在礦業領域,鎂鐵質礦山有著實現碳中和的強大能力。由于其巖石礦物質成分高鎂、高硅以及富含氫氧化物的特殊性,許多鎂鐵質礦山的尾礦區域都發現了碳酸鹽包殼。傳統的碳捕集技術主要依賴于向巖石結構中注入超臨界二氧化碳的地層封閉,而新一代的碳礦化技術,可以利用碳酸鹽礦物直接生產碳并進行碳分離與捕捉[32-33]。實驗表明,通過人工加速尾礦堆里礦物質的碳化,并采用適當的收集辦法進行回收出售,可以抵消礦山約20% ～60%的碳排放,常見的人工加速方法包括以下幾種[34-35]:

(1)增加放礦口數量,加大沉積堆表面積,控制尾砂沉積速率,以延長水鎂石在沉積堆表面的停留時間,從而增強并持續超鎂鐵尾礦石與大氣中二氧化碳的反應。

(2)建立管道網絡,在尾礦中注入循環富含二氧化碳的流體,并通過工程控制手段限制二氧化碳泄漏,來加速尾礦庫深部碳化反應。

(3)重新設計礦石冶煉流程,增加異地碳化反應器,并在礦石加工的最后階段,將發電產生的煙氣導入碳化反應器,收集更多的二氧化碳。

5 總結

相較于西方發達國家,中國實現“雙碳”目標所遇到的挑戰更為艱巨。不僅時間緊張,我國對于煤炭能源的依賴也遠高于已經實現工業智能化的發達國家,且制造業仍處于國際產業價值鏈的中低端,能耗物耗較高、高質量產品種類較少。在雙碳背景下,對于有色金屬這類傳統的高能耗產業而言,生產慣性難以短時間被解決,普通的減排手段已經不能帶來更顯著的效果,因此中國礦業產業急需系統性的結構調整。一直以來,生態環境的保護與建設都在我國的長遠發展規劃中有著顯著的戰略地位。因此,礦業產業需要加速領域內的低碳技術創新,推動綠色智能礦山轉型,提高礦山生產質量以及加強生態環境保護等,為助力我國金屬礦山實現“雙碳”目標提供有力支持。

打造低碳礦山最關鍵的方法是利用電動移動設備,從運輸中的碳排放入手,減少范圍一內的直接排放。中期生產規劃可以考慮再礦區內廣泛利用綠色節能的固定設備,并實現由煤炭轉換為可再生能源或清潔能源的能源轉型。長期發展則可以與上下游產業鏈的冶煉企業、原材料供應商、設備廠商等組成聯盟,共同打造綠色低碳的產業價值鏈,持續擴大“雙碳”在礦業領域的影響范圍。礦業企業也需要及時進行決策上的調整,在投資階段考慮項目的環境影響和低碳成本,在工藝設計階段考慮新型工藝、能源和原材料的應用,在建設階段考慮數字化生產和信息化平臺的搭建,實現自上而下的頂層“雙碳”戰略規劃。在此目標下,礦業企業還要加速對減污降碳技術的投資與助力,實現綠色低碳技術的重大突破,推動社會向綠色低碳轉型,為了獲得長期的社會聲譽、市場競爭力與經營能力,制定更為適用的運營計劃。