我國石化產業碳中和路徑展望

戴寶華，趙 祺

(中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京 100029)

“雙碳”目標提出力爭2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和,是立足新發展階段、貫徹新發展理念、構建新發展格局、推動高質量發展的內在要求,是黨中央統籌國內國際兩個大局作出的重大戰略決策。黨的二十大報告指出,實現碳達峰碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革,要求立足我國能源資源稟賦,堅持先立后破,有計劃分步驟實施碳達峰行動,積極穩妥推進碳達峰碳中和。

2021年我國石化產業碳排放總量約占全國排放量的5%[1],減碳責任重大,但考慮到以化石能源作為主要原料和燃料的特點,石化產業如期實現“雙碳”目標的時間緊、任務重,需要明確方向和思路,對重點路徑進行研判,積極穩妥推動產業低碳轉型和高質量發展。

1 石化產業實現“雙碳”目標面臨的形勢

1.1 “雙碳”目標下交通領域替代能源快速發展

我國現已成為全球最大的新能源汽車市場。2022年我國新能源車滲透率已達28%,提前3年實現了“十四五”規劃目標。根據中國石化經濟技術研究院有限公司預測[2],2030年前我國將經歷燃油車保有量達峰、電動車與燃油車平價階段,2030年新能源汽車滲透率預計達到50%,開啟電動交通時代。電動革命對石化產業的沖擊巨大,隨著新能源汽車銷量的穩步提升,成品油被替代規模不斷增加,預計2025年被替代比例達23%,2030年將達到30%。

1.2 化工品需求增長帶來能耗增加

石化產業是國民經濟支柱產業,未來隨著我國城鎮化率的提高、人均GDP的提升、新業態新經濟的興起,化工產品需求仍將持續增長。根據相關預測[3-4],2025年我國乙烯、對二甲苯(PX)產能將分別達到2020年的1.8倍和2.1倍;人均乙烯當量消費峰值預計2035—2040年出現,約為當前的2倍;人均纖維消費量峰值預計2035年前后出現,約為當前的1.5倍。此外,隨著“雙循環”新發展格局的構建、科技創新引領作用的凸顯和新能源汽車等新行業的發展,化工新材料和專用化學品產業將成為石化產業發展和轉型的主要驅動力,石化產業鏈將向高端化、精細化、專用化等方向延伸,進一步延鏈補鏈強鏈。根據相關預測[5-6],“十四五”期間化工新材料產品增長率為6%～8%、高端塑料產品增長率約為8%。由于化工品生產能耗普遍較高,化工產能的增加和高端化精細化等發展趨勢將進一步增加石化產業能耗總量,亟需通過用能結構電氣化、供能結構清潔化等路徑推動能耗與碳排放脫鉤。

1.3 氫能將在能源轉型過程中發揮重要作用

氫能作為一種清潔、高效、安全的二次能源,有高能量密度、可存儲且無碳的特征,還能與多種能源耦合,為消除可再生能源波動提供儲能手段。在能源轉型過程中,氫能是最佳的碳中和能源載體。2022年3月,國家發改委發布《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》,將氫能確定為未來國家能源體系的重要組成部分和用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體,氫能產業也被確定為戰略性新興產業,具有廣闊的發展前景。

世界能源理事會按氫氣來源將氫氣分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”3類。灰氫由化石能源制氫獲得,藍氫由灰氫配套CCS裝置獲得,綠氫由可再生能源制氫獲得。在碳中和推進過程中,隨著綠氫生產技術不斷進步和規模化應用,綠氫逐步具備經濟性,其作為零碳能源的重要性顯現。根據中國石化經濟技術研究院有限公司分析預測[7],綠氫產業目前尚處于市場導入期,以建設示范項目為主;2030年預計氫能產值達到1萬億元,加氫站綠氫供氫比有望增至10%;2050年后,灰氫基本退出氫能終端消費;2060年綠氫在氫能供應中占比預計達到75%～80%。

1.4 “雙碳”政策推動石化產業綠色低碳轉型

節能降碳政策持續影響石化產業。隨著《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》和《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》兩個重要政策文件的出臺,碳達峰碳中和工作的總體部署和階段性目標已明確,“1+N”的政策體系逐漸建立和完善。對于石化產業,圍繞總量控制和產能提質,也相繼作出明確要求。

煉油能力紅線已劃定,產能質量提升加速。《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》、《石化化工重點行業嚴格能效約束推動節能降碳行動方案(2021—2025年)》及《關于嚴格能效約束推動重點領域節能降碳的若干意見》等文件明確提出:到2025年,國內原油一次加工能力控制在1.0 Gt以內;要求推動2.0 Mt/a以下煉油裝置、300 kt/a以下乙烯裝置淘汰退出;并對石化行業能效標桿水平和基準水平作出規定,要求到2025年,煉油、乙烯達到標桿水平的產能比例超過30%。

新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制。將原料用能從能源消費總量控制中移除,客觀反映了行業發展訴求和能源利用情況,有利于石化產業低碳轉型和健康發展。“雙碳”目標下,化石能源消費將受到嚴格控制。隨著能耗“雙控”向碳排放“雙控”轉變,原料用能與燃料用能分別管控。但這并不意味原料用能的完全放開,新增原料用煤等指標仍將受到嚴格控制。

2 石化產業實現“雙碳”目標的思路

在上述發展形勢下,石化產業實現“雙碳”目標和高質量發展有4個重要方向:一是通過淘汰落后產能、升級產品、豐富原料、節能減排等實現產能升級與結構優化,這是產業自身實現高質量發展的必由之路;二是通過供能綠色化、用能低碳化等實現能源體系低碳發展,“雙碳”目標為構建新型能源體系提供了強大支撐;三是以增量帶動存量,關注產業自身新舊產能的協同優化,“雙碳”既對增量產能產生約束,也為產能提質提供了動力;四是加強與其他產業的支持與融合,“雙碳”問題不是某個產業的問題,需要加強上下游產業間協同,共同實現高質量發展。

石化產業實現“雙碳”目標的思路有五個方面。一是推動產業升級,主要包括:穩妥推進煉油和化工產能整合優化;加快推進“油轉化”進程;推動氫能發展;構建CCUS產業鏈;積極布局生物燃料、廢舊塑料回收等產能。二是大力開展節能降碳,主要包括:推廣應用節能降碳技術,提高能源利用效率、降低過程碳排放;推進電氣化改造;面向碳中和開展煉油流程再造。三是推進清潔替代,主要包括:有序推進能源清潔化,壓減現有化石能源供熱電氫規模;結合需求適度發展可再生能源發電;探索利用核能供應熱電氫。四是突出創新引領,主要包括:加大重點方向科技攻關力度;加快形成工業示范;加快提升技術的經濟可行性。五是加強保障措施,主要包括:積極參與碳市場,保證碳履約;充分發揮資本金融作用,加強碳資產管理;加大碳匯資產儲備。

3 石化產業實現“雙碳”目標的重要路徑

3.1 適應能源轉型需要,推進產業結構調整

3.1.1布局低碳化

“雙碳”目標下,石化產業產能整合進程加速,布局低碳化將成為高質量發展的重要路徑。通過穩妥推進落后產能淘汰、發展具有競爭力的先進產能、改造提升存量產能等舉措,石化產業將逐步完成布局低碳化。一要通過上大壓小、淘汰落后等措施,有序推動煉油和化工產能整合;二要通過推廣應用當前較為成熟且具備經濟性的節能降碳技術,對存量產能進行全面提質挖潛。根據中國石化經濟技術研究院有限公司研究,我國煉油產能20%以上產能未達基準水平,乙烯、PX有20%～30%產能未達基準水平,仍有較大節能潛力。布局低碳化路徑推進下,石化產業平均能耗將持續下降,預計2030年能耗強度較2020年下降30%左右,2060年下降50%以上。

3.1.2流程低碳化

煉化工藝總流程不僅決定企業競爭力,同時也是石化產業綠色低碳轉型的關鍵。相關研究表明[8],石化企業碳排放強度對技術路線敏感度高于規模敏感度,打造優良的低碳流程基因可以從根本上降低企業碳排放,所以推動石化產業流程低碳化是實現“雙碳”目標的必由之路。

隨著市場需求變化,煉化總流程將向煉化一體化、短加工流程、生產特色產品、能源高效利用和實現低碳排放等方向轉變。對于存量產能,可采用加氫/催化裂解組合技術路線增產化工品,重構總流程。對于新建產能,按照“一體化、集約化、大型化、高端化、清潔化”的設計思路,采用短流程路線如原油直接裂解/催化裂解,在原油資源匹配方面考慮適度輕質化,實現原油資源高效利用。

3.1.3原料低碳化

乙烯原料輕質化有利于降低碳排放。美國頁巖氣革命影響下,世界低碳烯烴原料向輕質化和多元化方向發展,目前輕烴在原料中占比超過一半。我國輕烴原料占比也在不斷增長,但仍明顯低于世界平均水平。乙烯原料輕質化有利于提高烯烴收率,從而降低單位產品碳排放。基于對全國十余套在運乙烯裝置的碳排放數據分析,百萬噸級石腦油蒸汽裂解裝置采用輕烴為原料比采用石腦油為原料的單位碳排放低20%以上,原料輕質化的減排效果顯著。此外,采用乙烷為原料裂解生產乙烯的路線乙烯收率可提高至70%,和傳統石油基制乙烯路線相比,其能耗下降約1/3。未來,石化產業應結合資源供應變化統籌優化優質輕烴資源,推動烯烴原料向輕質化、多元化方向發展[9]。

發展生物燃料產能有利于實現能源多元化供應。生物燃料技術相對成熟,但當前生產成本較高,制約了產能發展,預計隨著碳價走高,2030年生物燃料消費達到5.0 Mt,2060年達10.0 Mt,對于石化產業是很好的轉型機遇。

廢舊塑料回收再利用是循環經濟的重要組成部分。我國廢舊塑料體量龐大,但當前回收率僅15%。根據中國石化經濟技術研究院有限公司預測[4],2060年我國將建立全產業鏈回收體系,回收率有望提升至40%以上,將對一次塑料產能產生深遠影響。目前主要的回收方式包括物理回收和化學回收,化學回收具有更廣泛的原料來源和產品應用場景,更具發展前景。中石化石油化工科學研究院有限公司開發的廢塑料化學循環技術[10]可針對不同廢塑料原料靈活選擇不同的預處理技術路線,熱解油收率大于80%。從全生命周期角度來看,廢舊塑料回收利用路徑減碳效果明顯,但當前經濟性不佳,需要更強的政策支撐。石化產業應結合技術進步和經濟成本合理發展再生塑料產能,推動原料多元化,降低原油對外依存度。

3.2 推進綠氫綠電耦合,實施綠氫煉化工程

“雙碳”目標下,隨著綠電電解水制綠氫的不斷發展,未來氫能與電能的關聯性將不斷增強。綠氫與綠電協同耦合替代化石能源、重構煉化業務能源供給體系(簡稱“綠氫煉化”)將成為實現“雙碳”目標的重要解決方案。綠氫煉化的內涵有4個方面:一是在氫氣生產環節,綠氫逐步替代灰氫、藍氫;二是利用綠電綠氫能源屬性,減少用能環節碳排放;三是工藝流程進行適應綠電綠氫的改造;四是利用氫的物質屬性生產更少碳足跡的產品[11]。

3.2.1綠電成本下降推動綠氫發展

實施綠氫煉化的重要保障和必要前提是穩步推動可再生能源利用。新能源發電量滲透率近、中期將穩步提高,遠期加快提升并成為發電量主體。2022年底,我國可再生能源裝機規模已突破1.2 TW大關,占全國發電總裝機容量的比重超過47%[12];預計到2030年和2060年,我國可再生能源裝機規模將分別達到2.6 TW和7.7 TW,占全國發電總裝機容量的比重將分別達到68%和96%[12]。

根據彭博新能源財經數據[13],隨著技術進步和規模化發展,預計2030年陸上風電成本將降至0.2元/(kW·h),海上風電成本降至0.35元/(kW·h),光伏發電成本將由2020年的0.36元/(kW·h)降至0.26元/(kW·h),未來還有進一步下降空間。

電價是制約綠氫發展的關鍵,根據中國石化經濟技術研究院有限公司研究,目前電價在綠氫總成本中占比為70%～85%。當電價為0.4元/(kW·h)時,堿性電解技術生產綠氫成本約為30元/kg,質子交換膜電解技術生產綠氫成本為40元/kg。未來隨著綠氫生產規模化和綠電電價的下降,預計2030年前綠氫有望與灰氫平價,經濟性逐步顯現;根據國際可再生能源署預測[14],2050年全球綠氫平均成本將比目前下降80%左右,綠氫將進入大規模應用和快速發展時期。

3.2.2做好核能技術儲備

2021年,我國核電裝機容量達到53.26 GW,占總裝機容量的2.2%,發電量407.14 TW·h,占我國總發電量的5.02%。目前我國核電已形成“三代為主、四代為輔”的發展格局。但由于核電技術安全投入大,度電成本高,核電乏燃料處理體系仍不完善,公眾對安全性的擔憂持續存在,影響了核電的建設發展。我國對核電的發展思路是在確保安全前提下適度發展核電,積極發展模塊化小堆如高溫氣冷堆等。2030年規劃裝機容量達108 GW,2060年達250 GW。建議近期持續追蹤技術進展,做好技術儲備,跟進示范項目成果。中長期實施核能制氫、供熱、供電多聯產項目。

3.2.3推動熱電業務轉型

實施綠氫煉化的另一重要保障是推動傳統熱電業務轉型。為了滿足生產環節熱電需求,石化產業利用化石燃料自產熱力,大多以汽定電,生產熱電產生大量的碳排放。此外,石化產業熱電業務單機規模小、能耗高、設備老化嚴重,且受政策限制,新建燃煤鍋爐難度大,傳統煤電未來面臨大幅壓減。預計2025年前,主要通過“凝改背”、“通流改造”等措施實現達標改造,實現CCS示范;2030年前,對設計壽命到期的燃煤鍋爐全部實行燃氣升級改造,燃氣鍋爐比例提高;2060年前,化石燃料僅按供熱負荷的20%～30%作為保運和調峰保障資源。

3.2.4不斷提高工藝裝置電氣化率,實現用能結構變革

電氣化發展是實現碳達峰、碳中和的有效途徑。電能替代其他能源可大大降低單位產值的能耗,節約能源;發展電能是新能源的廣泛應用和建立可持續發展能源系統的必然結果。在電氣化加速情景下[15],電能占終端能源消費比重將穩步提升;2030年、2060年我國電氣化率將分別提高到35.7%、66.4%。隨著綠電發電量的增加,推進電氣化改造是有效利用綠電的重要前提。

2020年石化行業用電占終端能源消費的比例僅有17%左右,低于26.5%的全國平均水平,有較大提升空間。碳達峰階段,透平驅動改電驅動為主要手段;碳中和階段的重點措施是加速推廣電加熱替代。隨著電裂解爐技術的突破,乙烯用能結構或迎來變革,加之綠電比例不斷提高,生產乙烯碳排放和能耗脫鉤成為可能。

3.3 推進CCUS與石化產業融合發展

以CCUS為主的負碳手段是實現碳中和的重要保障。根據生態環境部環境規劃院研究[16],碳中和目標下,我國CCUS減排需求2025年預計24 Mt/a,2030年增至近100 Mt/a,2050年預計超過2 Gt/a,市場前景廣闊。碳捕集和石化行業的關聯度高,需要提早謀劃、穩步發展。截止2022年底,我國已經投運及規劃建設的CCUS示范項目接近百個,已投運項目捕集能力約4.0 Mt/a。因捕集過程的高能耗,捕集成本占總成本的70%～80%。當前第一代碳捕集技術發展漸趨成熟,而第二代技術仍處于實驗室研發或小試階段,技術成熟后其能耗和成本會比成熟的第一代技術降低30%以上,2035年前后有望大規模推廣應用,CCUS與石化產業融合發展可能性增強。

融合發展應當聚焦3個方面:一是聚焦石化產業高碳濃度生產環節,在排放端部署碳捕集項目;二是聚焦二氧化碳利用,密切關注地質、生物、化工新材料等領域技術進展,推動二氧化碳的資源化利用;三是銜接好上游捕集和下游利用,同步推進儲運、輸送等配套能力建設。

2023年7月11日,“齊魯石化-勝利油田百萬噸級CCUS項目”二氧化碳輸送管道正式投運,打通二氧化碳捕集、驅油與封存一體化流程,為推進 CCUS 規模化發展提供了應用示范案例。中國石化成立碳科公司,為打造碳全產業鏈作出積極的探索與實踐。

結合綠氫產能發展預期,石化產業利用二氧化碳和綠氫制甲醇路線可能是碳利用關鍵路線之一。當前,高昂的綠氫成本是主要限制因素。考慮到未來煤制甲醇增加碳排成本,2040年后綠氫甲醇路線經濟性逐步顯現[2]。煉油廠干氣資源豐富,目前主要用于裝置工藝燃料,帶來較高的碳排放。未來隨著企業裝置電氣化改造,自用燃料氣數量將逐步下降,但煉廠氣市場需求有限,需要提前謀劃其增值利用。

4 實現“雙碳”目標的階段性特征

按照不同發展特征,可以將實現“雙碳”目標的時間進程劃分為碳達峰、快速減排和碳中和三個階段。

2020—2030年為碳達峰階段。在上述路徑展望下,本階段發展特征為:①大力推進節能和過程降碳路徑;②積極發展先進產能,實施產能置換;③能源清潔替代起步。本階段較基準碳排放減排約14%。其中,電氣化是貢獻最大的路徑,本階段以電驅動替代蒸汽透平為主;產能優化貢獻突出,反映出該階段產能提質增效加速,萬元產值綜合能耗較2020年下降約30%;綠電綠氫初具規模,對化石能源的替代效果顯現。

2030—2050年為快速減排階段。在上述路徑展望下,本階段發展特征為:①“油轉化”進程加速;②新技術完成工業示范;③碳價走高,各技術具備經濟性加速推廣。本階段較基準碳排放減排約40%。其中,電氣化仍是貢獻度最大的路徑,本階段電氣化率持續提升;綠電綠氫規模穩步提升,自用綠電比例至2050年增加至50%以上;CCUS重要性顯現,年負碳規模逐步增加;持續開展產能優化與節能改造,萬元產值綜合能耗每5年下降約8百分點。

2050—2060年為碳中和階段。在上述路徑展望下,本階段發展特征為:①顛覆性技術獲得推廣應用;②完成低碳產業轉型;③實現碳中和。本階段較基準碳排放減排約80%。其中,隨著二氧化碳化工利用和地質封存規模的發展,CCUS成為本階段貢獻最大的路徑,預計年負碳規模達千萬噸以上;隨著電加熱技術的突破,電氣化在本階段仍有較大發展潛力;自用綠電比例提升至80%,自用氫氣需求全部由副產氫和綠氫滿足,綠電綠氫定位轉向服務社會;本階段核能得到利用;持續開展產能優化與節能改造。

5 結束語

根據上述研究,石化產業落實高質量發展要求、推動“雙碳”目標實現,仍有以下問題需要重視和研究:

(1)大力推進低碳路徑,著力提升存量資產競爭力。推動落后產能淘汰,嚴格約束新建產能指標,加快發展高端材料高附加值產能;盡快推廣換熱網絡優化、蒸汽動力優化等節能措施,加強系統能量優化,優先通過節能挖潛提升產能質量。到2030年,確保煉油、乙烯達到能效標桿水平的產能比例超過50%。

(2)穩妥發展零碳路徑,打造綠氫煉化范本。盡快推進綠氫相關技術成果轉化;圍繞化石能源壓減、規模化發展綠氫帶來的電力缺口,同時考慮降低碳市場履約風險,結合可再生能源發電成本推進綠氫煉化,建立多能融合供應系統;加強對企業現有變電站和供電系統升級改造的相關研究,保障電力系統安全運行,穩步提升電氣化率;關注小型核能技術進展,做好技術儲備,為供熱清潔化前瞻性規劃解決方案。

(3)加強負碳路徑兜底保障作用,推動一體化布局。推廣示范經驗,綜合考慮規模與成本,強化產業布局,打造碳全產業鏈;加強二氧化碳資源化利用技術研發與工業示范;加強碳匯儲備,結合產業實際合理爭取配額。值得關注的是,CCUS的產業規模將直接決定碳中和任務的完成與否,需結合外部因素變化和相關技術進展開展滾動研究,充分做好論證工作。

(4)強化協同創新,推動產業合作。充分發揮創新引領,全力攻堅綠色低碳技術、新能源關鍵技術和末端排放治理技術,推動關鍵技術成果轉化落地;強化存量產能和新增產能的協同作用,推動石化產業延鏈補鏈強鏈;探索與新興產業融合發展,上游加強與新能源電力、小型核能、塑料回收等產業融合,下游探索與電池、碳利用等產業融合,但要關注產業差異,著力打破管理模式、標準體系等方面的行業壁壘,增強可持續發展動能。