“雙碳”目標下零碳工廠建設路徑研究

宋俊鋒 田紀云 楊 艷

1.中車大連機車研究所有限公司

2.包頭鐵道職業技術學院

0 引言

隨著溫室氣體濃度的不斷增加，氣候變化已成為21世紀全人類共同面對的嚴峻挑戰之一。對此，全球各國紛紛采取氣候變化應對行動，制定碳減排目標。目前，全世界已經有49個國家的碳排放實現達峰，占全球碳排放總量的36%。很多發達國家比如德國、法國、英國、美國等均已實現碳達峰，例如美國于2007年實現碳達峰，當年碳排放為60.03億t。我國也制定了“雙碳”目標，即力爭2030年前實現碳達峰［1］，努力爭取2060年前實現碳中和［2］。“雙碳”目標是我國基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求而作出的重大戰略決策［3］，展示了我國為應對全球氣候變化作出的新努力和新貢獻，彰顯了中國積極應對氣候變化，走綠色低碳發展道路，推動全人類共同發展的堅定決心。“雙碳”目標有利于促進經濟結構、能源結構、產業結構轉型升級，對于推進生態文明建設和生態環境保護、持續改善生態環境質量具有重要促進作用。而工廠作為工業載體，碳排放量巨大［4-5］，因此工廠實現低碳/零碳是達到“雙碳”目標的關鍵環節［6-7］。本文將通過分析零碳工廠的背景、市場需求、國內外建設情況及零碳工廠的基本要求，構建零碳工廠的實現路徑［8］，提出零碳工廠的實施流程。

1 零碳工廠概念及背景

1.1 零碳工廠概念

工廠溫室氣體排放核算邊界內，在一定時間內（通常以年度為單位）生產、服務過程中產生的溫室氣體排放量，按照二氧化碳當量［9］（CO2e）計算，在盡可能自主減排的基礎上，剩余部分排放量（按比例）被核算邊界外的減排項目清除，和（或）相應數量的碳信用、碳配額抵消的狀態。

1.2 零碳工廠背景

20世紀90年代以來，以全球氣候變暖為特征的氣候系統變化日益得到國際社會廣泛關注。國際社會主流觀點認為，全球變暖是由于自工業化革命以來人類大量排放CO2日益積累，導致溫室效應日益增加。如果不采取措施，未來氣候變化幅度可能會超過自然生態系統和經濟社會發展所能承受的極限。因此，國際社會應共同采取行動，妥善應對氣候變化帶來的不利影響。早在1896年，瑞典科學家斯萬就首次提出，碳排放可能會導致全球變暖［10-11］。然而，直到20 世紀70 年代，隨著科學家們逐步深入了解地球大氣系統才引起了大眾的廣泛關注。

為了響應越來越多的科學認識，一系列以氣候變化為重點的政府間會議召開。1979 年日內瓦會議，聯合國環境規劃署（UNEP）和世界氣象組織（WMO）推動建立政府間氣候變化專門委員會（IPCC），并于1988 年正式成立。1990 年IPCC 發布第一份評估報告，確定了氣候變化的科學依據，對政策制定者和廣大公眾都產生了深遠影響。1990年第二次世界氣候大會召開，確定了不同發展水平國家“共同但有區別的責任”。1992年，聯合國環境與發展大會于巴西里約熱內盧召開，簽署了《氣候變化框架公約》。該公約于1994 年3 月21 日正式生效，建立了一個長效機制，即發達國家通過資金和技術轉讓，幫助發展中國家應對氣候變化。1997 年，《京都議定書》在日本京都達成，這是第一份具有法律效力的氣候文件，推動成立了清潔發展機制（CDM）。《京都議定書》規定：主要發達國家將CO2等6 種溫室氣體排放量在1990 年的基礎上平均減少5.2%。而發展中國家在2012年以前不需要承擔減排義務。2007年，《巴厘島路線圖》的制定成為人類應對氣候變化歷史中的里程碑。它規定發達國家必須承擔強制減排義務，而發展中國家在得到發達國家技術、資金支持的前提下，采取“可測量、可報告、可核實”的三可制度，實行適當減排行動。2009 年，哥本哈根氣候大會召開。此次大會被譽為“拯救人類最后的機會”。大會維護了《氣候變化框架公約》和《京都議定書》。就發達國家的強制減排和發展中國家的自主減排行動作出了安排，并對全球長期目標、資金和技術支持等達成了廣泛共識。2015年，巴黎氣候大會召開，達成了《巴黎協定》，該協定是第二份具有法律效力的氣候協議，主要目標是將21 世紀全球平均氣溫較前工業化時期上升幅度控制在2 ℃以內，并努力將全球氣溫上升幅度控制在1.5 ℃以內。

中國一直堅持“能源開發與節約并舉，把節約放在首位”的方針，早在1990 年就成立了國家氣候變化協調小組。2005 年《京都議定書》在國內正式生效。2007 年，《中國應對氣候變化國家方案》的頒布標志著中國積極應對氣候變化的開端。2009 年，在哥本哈根氣候大會上，中國承諾2020年單位GDP 的CO2排放比2005 年下降40%～45%。2010 年，我國開展“五省八市”低碳城市試點，隨后于2012 年進行第二批低碳城市試點，在第一批低碳城市試點基礎上增加了目標責任制。2011 年，我國開始進行碳交易試點，全國交易市場于2017 年正式啟動。2012 年，我國出臺《溫室氣體自愿減排交易管理暫行辦法》，標志著中國自愿減排的開端。2013 年，我國出臺《低碳產品認證管理暫行辦法》。2015 年，我國提出“十三五”規劃綱要，推動建立全國統一的碳排放交易市場。2020年9 月22 日，中國在聯合國大會上作出了力爭在2030 年前實現碳達峰，努力爭取2060 年前實現碳中和的國際承諾。2021年，我國發布《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，全方位全過程推動我國綠色發展邁上新臺階。

綜上所述，“雙碳”在中國甚至世界都將是發展的主題［12］。作為“雙碳”中不可或缺的零碳工廠在現在和未來都存在著巨大的市場和發展空間。

2 零碳工廠市場需求及國內外建設情況

2.1 零碳工廠市場需求

2021 年11 月，國務院發布的《2030 年前碳達峰行動方案》指出，要深入實施綠色制造工程，大力推行綠色設計，完善綠色制造體系，建設綠色工廠和綠色工業園區。

2021年，我國制造業創造的GDP為4.864萬億美元；2019-2021 年期間，中國CO2排放量增加了7.5億t，其中工業排放和電力行業（火力發電占比約71%）占比超過95%。工廠作為工業載體和用電大戶，為了緊跟國家發展計劃，提高企業核心競爭力和可持續發展，零碳工廠將會是必經之路。

當前，我國零碳工廠建設還處于探索階段，作為世界工廠，中國數十個行業擁有數百萬家工廠，其中的幾千家已經被列入工信部的綠色工廠名單，不過也有少數幾家已經實現了“零碳”，因此零碳工廠的市場潛力和需求巨大。

2.2 國內企業零碳工廠建設情況

國內實現零碳工廠的四家代表企業如下（以下為規模及實現方式較為典型的四家，并不代表僅有四家）：

1）寧德時代四川宜賓工廠（全球首家電池零碳工廠）

2022年3月，全球知名認證機構SGS為寧德時代全資子公司四川時代頒發PAS2060碳中和認證證書，寧德時代宜賓工廠成為全球首家電池零碳工廠。

2）伊利集團

2022 年4 月13 日，伊利集團浙江伊利乳業有限公司獲得全球權威國際檢驗認證機構必維集團（Bureau Veritas）頒發的碳中和核查聲明（PAS 2060），成為中國冷飲行業首個零碳工廠，這也是伊利第4 家零碳工廠。2020 年10 月24 日，伊利在行業內首先響應國家“雙碳”目標，率先承諾實現碳中和。

3）松下（中國）

目前松下在中國實現了三家零碳工廠，分別是松下能源（無錫）有限公司、三洋能源（蘇州）有限公司和松下電氣機器（北京）有限公司。三家工廠都圍繞著“推進節能和擴大創能”的準則進行活動，打造零碳工廠。

4）歐萊雅［13-14］

全球第一大化妝品集團歐萊雅在中國的兩家工廠都實現了零碳，其中，宜昌天美工廠是亞太最大彩妝工廠。2015年，宜昌天美工廠利用三峽得天獨厚的地理條件開始使用水電，成功實現“零碳排放”，成為零碳綠色工廠。2019年，天美工廠實現垃圾零填埋，并于同年實現碳中和。其中，為降低包材（瓶子）運輸途中的CO2排放及減少廢棄物產生量，工廠利用“廠中廠”中的吹塑工藝制成瓶子。

2.3 國外企業零碳工廠建設情況

1）施耐德［15］

2014年，施耐德電氣攜手合作伙伴歐芮府以及德國能源署，把柏林舍內貝格區的一座廢棄煤氣站打造成了歐洲第一及世界領先的零碳園區。2020年，施耐德電氣和Enel 集團聯合發起倡議，將與社會各界通力合作，力爭到2030年實現全球100個城市的“凈零碳排放”轉型。目前，施耐德全球共有零碳工廠52 家，其中包括中國零碳工廠14 家。2021年，施耐德啟動供應商零碳計劃，并計劃于2025 年實現150家零碳工廠的目標。

2）三菱重工

三菱重工通過旗下一家英國分公司正在奧地利鋼企奧鋼聯（VOESTALPINE）下屬的綜合工廠中建設一座試驗性的新鋼廠，該廠于2021 年開始試運行。新鋼廠在鐵礦石還原過程中使用氫氣（H2）代替傳統的煤炭作為主還原劑來冶煉鐵水，年粗鋼產量在25 萬t 左右。另外，三菱重工攜手日本產業技術綜合研究所開始研發在不排放CO2的情況下量產被視為新一代燃料的氫的技術。

此外歐盟在2020 年7 月曾宣布了一項發展規劃，計劃到2050 年在氫氣生產領域投資4 700 億歐元（合5 720 億美元）。因此氫基煉鋼廠項目很可能將得到相關的政策支持。在歐洲有越來越多的企業開始從事氫氣制造業務，以減少煉鋼廠的碳排放，滿足行業對氫氣的未來需求。

目前零碳工廠在全球是較為熱點的話題，國外發展較早，以工業園區的形式較多；國內零碳工廠剛剛起步，市場潛力較大。

3 零碳工廠實現路徑

3.1 零碳工廠基本要求

3.1.1 一般要求

零碳工廠創建方應在保證生產安全運營、職業人員安全健康和產品功能、質量的前提下，以實現工廠溫室氣體凈零排放為目標，使用低碳或負碳的原料、工藝、技術和裝備，采用完善、科學、先進的溫室氣體排放管理體系、制度和措施，持續降低溫室氣體排放。

3.1.2 基本合規性要求

零碳工廠應依法設立，在建設和生產過程中應遵守有關法律、法規、政策和標準要求［16］。能源消耗總量和（或）強度績效應優于國家、行業和地方能源消耗限額要求。

3.1.3 基本管理要求

1）最高管理者承諾

零碳工廠創建方最高管理者應對利益相關方作出“零碳工廠承諾”的陳述，該陳述應包括：

(1)計劃實現零碳工廠的類型及相應時間計劃。(2)對實現零碳工廠的有效性負責。

(3) 確保零碳工廠建設、運維的方針和目標，并確保其與組織的戰略方向及所處的環境相一致。

(4) 實現零碳工廠并保持工廠凈零排放狀態的溫室氣體減排和（或）碳抵消策略。

2）溫室氣體排放管理體系和制度

工廠應建立并持續優化溫室氣體排放管理體系和制度。

(1) 應建立零碳工廠管理機構，負責零碳工廠的制度建設、實施、考核及獎勵工作，建立目標責任制。

(2) 應開展零碳工廠創建的中長期規劃及提出年度目標、指標和實施方案。

(3) 應加強員工能力建設，定期為員工提供零碳工廠相關的教育、培訓，并對教育和培訓的結果進行考評。

(4)應建立溫室氣體排放信息管理制度，以便明確溫室氣體排放數據收集、量化、報告及歸檔要求。

(5) 應建立完善的能源管理體系，并經過權威第三方認證機構認證。

3.1.4 基礎設施要求

零碳工廠創建方的基礎設施應滿足國家、行業或地方相關法律法規及標準的要求，基礎設施包括組織運營邊界范圍內的建筑、照明、設備設施及計量設備。

1）建筑

建筑應從建筑材料、建筑結構、采光照明、綠化及場地、再生資源及能源利用等方面綜合考慮進行建筑的節能及可再生能源利用。

2）照明

工廠照明應滿足以下要求：

(1)工廠內的照明應盡量利用自然采光，人工照明應符合GB 50034規定。

(2)不同場所的照明應進行分級設計。

(3)公共場所的照明應采取分區、分組與定時自動調光等措施。

3）設備設施

設備設施應符合以下要求：

(1)已明令禁止生產與使用和能耗高、效率低的設備應限期淘汰更新。

(2)采用先進生產工藝，專用設備應符合產業準入法規，降低能源和資源消耗。

(3)設備應采用效率高、能耗低的適用產品。

4）計量設備

工廠應依據GB 17167 等要求配備、使用和管理能源及其它資源的計量器具和裝置。能源及其它資源使用的類型不同時，應進行分類計量。

3.1.5 能源和碳排放智能信息化管理系統要求

工廠應建立能源和碳排放智能信息化管理系統，對原始數據至少存檔保存5 年，鼓勵采用智能物聯網AIoT技術［17］。

系統應對關鍵設備設施的能源和（或）溫室氣體排放相關數據進行實時采集和高頻區間記錄、處理、分析和溯源，支持能源和（或）溫室氣體排放超標預警等功能。其中具體技術要求為：

1）硬件要求

在關鍵發電、用電設施設備上安裝智能電表，需具備數據采集和轉發能力，能夠將電表數據通過IEC 104、Modbus、BACnet 等工業協議或API、SFTP 的方式將電表數據轉發和接入到能源和碳排放智能信息化管理系統；對溫室氣體排放與用水數據進行采集并傳輸到能源和碳排放智能信息化管理系統；對室內照明進行控制；將綠色能源發電數據接入能源和碳排放智能信息化管理系統。

2）數據采集要求

最低數據上送頻率為每日上送一次，最高頻率為每分鐘上送一次。

3）數據質量要求

數據需完整、準確且可靠，具備必要的數據質量組件；識別并修正常見的數據錯誤，如設備調試、故障及通信問題產生的數據異常等。

3.2 零碳工廠實施流程

零碳工廠實施流程如圖1所示。

圖1 零碳工廠實施流程圖

3.2.1 準備階段

1）量化工廠碳足跡

明確工廠溫室氣體種類，計算排放量。根據IPCC 或國家出版物所公布的100 年全球變暖潛能指數，將非CO2溫室氣體轉換為CO2，生成溫室氣體排放報告。

溫室氣體排放報告中應注明確定工廠碳足跡所采用的標準和方法論、方法論的選擇原因與量化溫室氣體的所有假設和計算；明確量化溫室氣體的實際方法與采用的測量單位；明確任何與量化溫室氣體相關的不明確性和可變性。

2）制定零碳工廠實施計劃

企業應制定零碳工廠實施計劃，形成文件并發布，零碳工廠實施計劃的內容應至少包含以下信息：

(1）零碳工廠承諾的陳述。

(2）計劃實現的零碳工廠的類型及時間表。

(3）計劃降低溫室氣體排放的策略，包括具體內容與選用理由、減排基準線及減排目標。

(4）計劃實現零碳工廠并保持碳中和狀態的碳清除和（或）碳抵消策略，包括具體內容與選用理由。

3）建立內部溫室氣體管理體系和制度

企業應根據相關法律法規、政策、標準以及自身規模、能力、需求等狀況，在工廠內部建立溫室氣體排放管理體系和制度，包括但不限于：

(1）指定本工廠溫室氣體管理運營決策人員，統籌及決策本單位溫室氣體相關管理工作，運營決策人員有權在工廠內授權并提供相應資源，以支持零碳工廠的實現。

(2）工廠內部成立溫室氣體管理團隊，由相關部門人員任職，具備相應的溫室氣體管理職能，并定期向運營決策人員報告零碳工廠的實現情況。

(3）建立本工廠能源使用及消耗、溫室氣體排放管理制度和信息系統。

(4）制定零碳工廠實施計劃，并監督其實施、保持及持續改進。

3.2.2 實施階段

企業需結合自身實際情況，首先應采取合適的溫室氣體減排策略，并確保實現計劃中確定的減排目標。

溫室氣體減排策略應包括以下內容，以便對策略的合理性、減排結果的有效性、方案的先進性進行評價：減排策略的具體技術內容；實施的時間、范圍；所需的資金及來源；實際減少的溫室氣體排放量及如何量化的方法。

1）自主開發方式

企業可自主開發減排項目進行碳清除和（或）碳抵消，自主開發項目可包括但不限于以下方式：

(1）自主開發減排項目所產生的經核證的減排量。

(2）企業采用開發碳匯的抵消方式，可自主建設經核證的碳匯。

企業的自主開發項目用于零碳工廠之后，不得再作為溫室氣體自愿減排項目或者其他減排機制項目重復開發，也不可再用于開展其他活動或項目的碳中和。

2）購買方式

企業可采用碳配額、碳信用的抵消方式。根據企業的實際情況選擇合適類型項目，包括但不限于以下方式：

(1）購買國家溫室氣體自愿減排項目產生的“核證自愿減排量（CCER）”，可優先選擇林業碳匯類項目（如有）。

(2）購買政府批準、備案或者認可的碳普惠項目減排量（如有）。

(3）購買黃金標準項目GS、國際自愿減排（VCS）項目的VER、清潔發展機制（CDM）的核證減排量（CERs）等。

3.2.3 評價階段

企業宜委托第三方機構開展零碳工廠評價。

3.2.4 持續改善階段

企業宜持續改進工廠的溫室氣體管理情況，持續保持工廠碳中和狀態。

4 零碳工廠涉及產品

目前，國內外減少溫室氣體排放、實現零碳方案所涉及的產品大體可分為以下三類：

1）提高能效和節能類

該種類通過改善工藝流程、工廠實驗數據化，智能化、加裝能源管理系統等方式實現工廠零碳。

2）降低能源的碳含量類

該種類通過風力發電、光伏發電、可持續的氫能、生物燃料、生物質發電等方式實現工廠零碳。

3）碳匯類

該種類通過碳捕捉、森林碳匯、購買碳信用等方式實現工廠零碳。

零碳工廠實現的思維導圖如圖2所示。

圖2 零碳工廠實現思維導圖

4.1 工廠生產過程中的零碳產品

在工廠生產過程中主要產生溫室氣體的原因包括工廠效率低下、設備老舊、利用非綠色能源等。主要解決方法如下：

1）建立增效的管理機制。

2）加裝能源和碳排放管理、監控系統。

3）提高工廠智能化、數字化程度。

4）使用風力發電、光伏發電、可持續的氫能等綠色能源。

5）碳捕捉、森林碳匯、購買碳信用等。

這一過程中主要涉及產品有能源和碳排放智能信息化管理系統、光伏發電相關產品（太陽能板、光伏逆變器、箱變等）、風力發電相關產品、儲能相關產品、碳捕捉相關產品。

4.2 工廠人員日常活動過程中的零碳產品

在工廠人員活動過程中主要產生溫室氣體的原因包括非常用設備待機、過度照明使用、利用非綠色能源、水資源的浪費等。主要解決方法如下：

1）建立節能的管理機制。

2）加裝能源和碳排放管理、監控系統［18］。

3）充分使用太陽光進行照明。

4）使用風力發電、光伏發電、可持續的氫能等綠色能源。

5）水資源循環使用。

6）充分收集利用雨水資源。

7）充分利用溫壓和風壓（氣體交換）等。

這一過程中主要涉及產品有能源和碳排放智能信息化管理系統、太陽光照明相關產品、光伏發電相關產品、風力發電相關產品、儲能相關產品、水循環相關產品、雨水收集利用相關產品。

4.3 零碳工廠產品特點

實現零碳工廠所涉及產品應有如下特點：

1）數字化、信息化、自動化

零碳工廠需要信息化檢測工廠排放及綠色能源產生和儲存情況，便于合理分配能源和改進；零碳工廠需要進行數字化記錄以分析溫室氣體排放和吸收情況，用于持續改善和分析；零碳工廠需要用自動化代替人工以提高效率。

2）綠色、清潔

制造產品的材料清潔、綠色，產品工作過程中不能產生有害污染物，不能造成溫室氣體排放或產生可以等效為溫室氣體的產物。

3）因地適宜

要根據實現零碳工廠所在地的自然條件，因地制宜地選擇實現零碳工廠的產品和方案，力求做到可持續的零碳工廠。

4）小型、分散

由于大部分工廠不具備大規模建設光伏電站與大型風電機組用于零碳的條件，所以給工廠實施零碳的產品應具有小型化、可分散或分布布置的特點。

5）新穎性

因零碳工廠具有綠色、高效的特性，所以可以考慮使用較為先進的綠色環保技術和新理念，用于更好實現零碳工廠。

5 未來發展規劃

5.1 目標市場

根據國家統計局2018 年數據可知，截至2018年中國年收入超過2 000 萬元的工廠有300 萬座；根據2021 年《國有企業在構建新發展格局中的作用研究報告》可知，至2019 年底，中國國有企業數量達到了21.7 萬戶。《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》分析，為了提高企業競爭力，零碳工廠將會是未來工廠的發展趨勢。鑒于零碳工廠的特性和自身企業特點，應將如下工廠作為目標市場：

1）國有企業

如果工廠想進行節能減排，甚至實現零碳工廠，能源和碳排放智能信息化管理系統是必須具備的條件。但工廠的能源使用和碳排放數據可以反映出一個工廠的產能，能源管控系統也可以直接控制一個工廠的產能，因此從國家產能安全的角度考慮，掌握國民經濟命脈的國有企業能源管理系統不能由外資企業開發或管理，因此國有企業的能源管理系統和相關配套產品對于國內相關企業存在巨大市場。

2）大中型民營企業

同理，掌握國民經濟命脈的大中型民營企業的能源管理系統也不能由外資企業開發或管理，因此大中型民營企業的能源管理系統和相關配套產品對于國內相關企業也存在巨大市場。

5.2 目標市場領域

1）能源和碳排放智能信息化管理系統

鑒于能源和碳排放智能信息化管理系統是零碳工廠及工廠節能減排必須使用的產品，因此該領域具有巨大市場空間。

2）儲能系統

由于太陽能發電和風力發電都受到光照強度、溫度等自然因素的影響，所以發電量可能出現自然因素適宜的時候發電量大于工廠實際用電，自然因素不適宜時發電量小于工廠實際用電的情況。同時當持續發電量較多時，可在電網用電高峰時將能量輸送到電網產生收益。為了避免能源浪費和短缺的問題，增加工廠利潤，零碳工廠必須加裝儲能系統。

3）逆變系統

光伏發電、風力發電、水力發電所產生的電能都無法直接使用，考慮到4.3 節所分析的零碳工廠產品特點，小型的逆變系統是不可或缺的。

4）零碳工廠方案

碳排放核定、碳足跡跟蹤、零碳工廠方案設計等實現零碳工廠步驟均需較為專業的人員參與設計，除個別大型工廠自主設計，其余工廠考慮到時間、成本因素都將會委托設計。零碳工廠方案設計也將是較為熱點的產品。

6 結語

本文首先對零碳工廠概念及背景進行介紹，總結歸納出零碳工廠市場需求及國內外建設情況，其次根據零碳工廠基本要求著重闡述了零碳工廠的實施流程與涉及產品及其特點，最后從目標市場和市場涉及的領域兩方面提出零碳工廠的未來發展規劃。企業應制定零碳工廠實施計劃，盡早實現零碳搶占市場，助力我國盡早實現“雙碳”目標。