“雙碳”戰略下上海工業綠色低碳轉型路徑研究

杜坤杰

上海新能源科技成果轉化與產業促進中心

0 引言

上海是中國工業最發達城市，在產業鏈、技術鏈等方面具有獨特的優勢。工業構成了城市發展底色的基本盤，是穩固全市社會經濟發展的主要力量。但同時工業也是上海能源消耗和碳排放占比最大的領域，碳排放量占全市碳排放總量一半左右，面臨著節能減排降碳的緊迫壓力和挑戰［1］。在國家大力實施“雙碳”戰略背景下，在新一輪科技革命和產業變革中，以上海實現“雙碳”目標引領經濟高質量發展為導向，研究探索上海工業綠色低碳轉型路徑，厘清重點方向和任務，無論是從內在動力和外在影響需要，都具有現實意義。

1 研究現狀

自2020年9月22日習近平主席在第七十五屆聯合國大會宣布中國的“雙碳”目標以來，社會各界對碳減排的認識在不斷深入，學界對此進行多方面研究，主要分為三種類型：

1）以通用或自建的數學模型為工具，設定不同參數和未來情景，得出研究成果和建議。如劉俊伶等運用系統模型（PECE-LIU2017），研究中國工業部門的發展與排放趨勢，探討不同情景下中長期低碳轉型路徑［2］。魏一鳴等應用自主設計的能源技術模型（C3IAM/NET），提出兼顧經濟性和安全性的中國碳達峰碳中和時間表和路線圖［3］。

2）通過調研分析，結合政策和技術發展形成研究成果。如張鎖江等針對我國鋼鐵、有色、化工、建材四大高碳排放行業，提出綠氫/綠電替代等四個低碳化策略［4］。甘鳳麗等從碳減排、碳零排和碳負排三方面分析石化行業碳中和技術路徑［5］。孫福全等聚焦能源、工業等領域重大技術瓶頸和體制機制障礙，提出上海依靠科技創新實現碳達峰的路徑和舉措［6］。

3）行業研究報告。如北京大學能源研究院發布《中國石化行業碳達峰碳減排路徑研究報告》，提出產業結構調整、輕質原料替代、節能降耗、發展綠氫、深度電氣化、CCUS 等五條路徑和減排路線圖，并給出相關政策建議［7］。

上述研究從不同角度分析碳排放和減排問題，提出策略建議，成果信息豐富，具有很好的學術價值，為本文所借鑒。

2 上海工業能耗及碳排放現狀

2010 年以來，上海持續推進產業結構調整、能源結構優化、節能減排降耗、循環經濟示范等措施，重點領域能效有效提升，單位GDP 能耗不斷下降。從《上海市統計年鑒（2021）》摘錄的數據信息，2020年上海全市能源消費總量為11 099.59萬tce，單位GDP 能耗為0.314 tce，折算的萬元GDP 碳排放量為0.508 t。目前上海碳排放強度僅次于北京和廣東，居全國第3 位。上海工業領域的能耗和碳排放量于“十二五”期間階段性達峰，2020年上海工業終端能源消費量為5 304.68 萬tce，占全市能源消耗總量的47.79%；碳排放量為0.97 億t，為上海市CO2排放總量的一半左右。基于研究數據的可獲得性及統計口徑的一致性，本文以《上海市統計年鑒（2021）》《上海市能源和環境統計年鑒（2021）》等資料為基礎，做了歸納整理和估算。圖1 為2000-2020年上海能源消費總量、工業領域能源消費量和單位工業增加值能耗，圖2 為2020 年上海能源終端消費量構成，圖3 為2020 年上海主要工業行業終端用能量分布。由于統計口徑不完全一致，數據不夠完整，尚無法推算出相對應的細分行業碳排放量，但可用于研究分析上海重碳領域和碳減排重點。

圖1 2000-2020年上海能源消費量及工業能源消費量

圖2 2020年上海能源終端消費量構成

圖3 2020年上海主要工業行業終端用能分布

依據上述材料分析，得出以下判斷：上海工業領域的能源消費量和工業增加值能耗自2018年以來已進入一個平臺期，數據每年有小幅波動，但總體趨于穩定。2020 工業能耗占全市能耗總量的比例約48.4%，與巴黎、倫敦、新加坡等國際性大都市相比，上海工業用能占比仍偏高不少?；瘜W原料及化學制品制造業、金屬冶煉及壓延加工業為上海工業能源消費量的前兩位，加上石油、煉焦及核燃料加工業等能源消費，鋼鐵、石化兩個行業的能耗占工業用能總量的79.58%，是上海開展碳達峰碳中和的重點領域。

上海的鋼鐵、石化行業主要是精品鋼材制造業、石油化工及精細化工制造業，這既是上海“3+6”新型產業體系的重要組成部分，也是上海市六個重點發展工業行業中的兩個，對上海市工業發展起著基礎性和支撐性作用。上海要實現社會經濟高質量發展，鋼鐵、石化等高碳行業必須完成綠色低碳轉型，實現大規模減碳脫碳。

3 工業低碳轉型的國際經驗和我國相關政策及企業行動

3.1 發達國家工業低碳轉型的經驗

他山之石，可以攻玉，發達國家發展低碳工業的有益經驗，對于上海鋼鐵、石化行業低碳轉型具有很好的借鑒意義。本文梳理總結國外工業低碳轉型的相關案例，見表1。

表1 發達國家工業低碳轉型的典型案例

從國外經驗看，工業低碳轉型有三個方向：

1）關注終端用能技術，通過結構調整、工藝再造、產品升級等，提高用能效率，降低能源消費。如歐盟開展ULCOS 項目，內容包括高爐爐頂煤氣循環、先進的直接還原工藝、新型熔融還原工藝等；日本實施Course 50 項目，利用氫基還原劑為主的反應控制技術，減少高爐CO2排放。2030 年，碳排放量減少30%以上，2050年實現碳中和。

2）通過新型燃料替代、電氣化替代等減少化石能源碳排放。如巴斯夫開發電加熱蒸汽裂解爐、低排放氫氣（H2）生產工藝等低碳技術，減少生產過程碳排放。2021年巴斯夫發布氣候中和路線圖，計劃到2030 年CO2排放量比2018 年減少25%，2050年實現凈零排放。

3）調整業務轉型。產品結構由高碳向低碳、由低端向高端轉型升級，搶占產業發展的新賽道。

3.2 支撐上海工業綠色低碳轉型的政策體系及企業行動

3.2.1 國家層面的工業綠色低碳轉型相關政策

2020年9月以來，國家和地方密集發布了大量的推動“雙碳”戰略政策文件，為重點領域及行業開展各項行動、制定配套政策提供支撐。目前從國家層面已經形成碳達峰碳中和“1+N”政策體系，“1”是指黨中央、國務院印發的《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》，“N”包括國務院印發的《2030年前碳達峰行動方案》，以及能源、工業、交通運輸、城鄉建設等重點領域的政策措施，從國家層面形成了我國碳達峰碳中和的路線圖施工圖［8］。主要政策梳理見表2。

表2 鋼鐵、石化行業“雙碳”相關的國家政策

3.2.2 上海工業綠色低碳轉型的政策及企業行動

上海貫徹國家政策，結合本市實際也出臺了配套的方案和實施意見，明確“雙碳”工作的主要目標、減碳路徑及相關配套措施，為重點領域及行業綠色低碳轉型提供了戰略引導。主要政策梳理見表3。

表3 鋼鐵、石化行業“雙碳”相關的上海政策

上海市委、市政府出臺的碳達峰碳中和工作實施意見指出，未來上海要優化鋼鐵、化工產業布局，推進鋼鐵行業從長流程向短流程轉變，加快調整煤化工行業。碳達峰行動方案進一步提出組織實施包括開展鋼鐵、石化等重點行業的“碳達峰十大行動”。上海市經信委、市科委等部門發布相應的工作方案，推動工業等重點領域節能降碳增效、關鍵技術攻關，建立重大項目示范。2021 年，上海市科委在國內率先開展“雙碳”專項科研布局，支持鋼鐵、化工行業零碳/低碳流程再造工藝等關鍵技術研究與應用。

2021 年，寶武集團發布《中國寶武碳中和行動方案》，以技術創新為核心推動力，布局綠色產業，助推寶武綠色低碳轉型。根據該方案，寶武將在2023年實現碳達峰，2035年碳排放較2020年降低30%，最終在2050 年實現碳中和。上海石化緊盯國家、上海市及中國石化“雙碳”中長期目標，主動融入中國石化“一基兩翼三新”產業格局，積極推進綠色低碳發展，2022 年實現生物質耦合發電減碳1.76 萬t，光伏發電裝機總量超15 MW，碳捕集、碳利用年均降碳10 萬t。未來，上海石化將按照煉油向化工轉、化工向材料轉、材料向高端轉、園區向生態轉的“四個轉”發展思路，大力發展綠電和綠氫制備技術，建設可持續產業體系［9］。

4 上海工業綠色低碳轉型的路徑和重點技術方向

4.1 未來能源和產業發展趨勢的研判

工業領域涵蓋面廣、門類眾多，生產工藝差異性大，是碳減排潛力最大的行業，但也是最復雜的領域。故不能就碳論碳，減碳需要與未來能源結構調整、用能方式轉變、產業布局、經濟可承受力、產業鏈安全等多種因素相結合，在認真研判未來宏觀發展趨勢基礎上思考工業低碳轉型的路徑。

1）構建新能源為主體的新型電力系統是必然選擇

2060 年，我國非化石能源消費比重將達到80%以上，電力零碳化、消費電氣化是碳中和的基本路徑，新能源的波動性和間歇性對工業用能系統所要求的適應性、安全性是個考驗。

2）化石資源逐步從“能源燃料”向“化工原料”轉變

隨著新能源車的普及，煉油行業部分產能面臨退出或轉型，一部分煉化企業將從“燃料型”向“化工型”轉型升級，現有的石化生產路線，難以滿足“減油增化”的市場發展需要。

3）循環經濟發展水平顯著提高

未來循環型生產方式將全面推行，廢鋼鐵、廢塑料、廢舊輪胎等再生資源循環利用率進一步提升，資源利用方式更加集約高效。

4）各種耦合系統及協同作用加劇

不僅有能源系統耦合，如風能、光能、地熱能、生物質能等能源的多能耦合，還有鋼化聯產等跨行業、跨領域減碳技術耦合，CCUS與工業過程的低碳工藝流程耦合，以及減污降碳協同治理、低碳技術+管理政策協同推進等。

5）未來變革性技術突破

高性能低成本的低碳制氫技術、受控核聚變、有機空氣儲能電池、CO2高值轉化利用等變革性技術突破，將給工業轉型帶來顛覆性的影響。

4.2 上海工業綠色低碳轉型的路徑

結合政策引導和未來產業發展趨勢研判，按照“3060”時間跨度和生產“源頭—過程—末端”流程的兩個維度，本文給出上海鋼鐵、石化行業低碳轉型路徑的時間表，具體如表4、表5所示。

表4 上海鋼鐵行業綠色低碳轉型路徑實施時間表

表5 上海石化行業綠色低碳轉型路徑實施時間表

1）近期（2030年前），達峰及平臺期

以行業碳排放達峰且不反彈為主要目標，穩步推進實現碳達峰。重點推廣節能和可再生能源技術，從生產源頭和過程減碳。鋼鐵行業落實極致能效工程行動，提升鋼鐵各環節能效和余能回收利用水平。石化行業圍繞生產過程低碳化改造，加快研發新型綠色高效石化工藝技術。

2）中期（2030-2050年），碳排放下降期

以行業近零排放為目標，實現低碳/零碳技術規?；瘧茫瑯O限降碳、深度脫碳等重大技術取得突破。鋼鐵行業短流程生產占比顯著提升，氫冶金、鋼-化一體化聯產技術等得到發展。石化產業結構進一步優化，綠氫規模化應用，全產業鏈耦合數字化技術成為發展的新模式。

3）遠期（2050-2060年），碳排放中和期

以實現凈零排放為目標，建成鋼鐵、石化零碳產業。借助CCUS等技術，助力企業全生命周期碳減排。鋼鐵行業高爐富氫還原技術成為主流技術，冶煉過程配套CCS 完成末端協同除碳。石化行業達到工藝裝置深度電氣化，生物質能－碳捕集與封存（BECCUS）技術成熟，以CO2為原料生產高附加值化工產品技術達到工業化水平。

4.3 上海工業綠色低碳轉型的重點技術方向

1）綠氫替代技術

氫是一種零碳燃料，用氫取代碳作為還原劑和清潔燃料發展氫冶金技術，是鋼鐵行業低碳綠色發展的主要技術路徑，已經得到國內外鋼鐵行業認同。氫冶金有富氫還原和純氫還原兩種工藝，受大規模制氫技術成熟度和成本限制，目前富氫還原得到優先發展，未來純氫還原將占主導地位。在石化行業，可再生能源電解水制“綠氫”是碳零排的重要解決方案，化工合成、石油煉化是當前氫應用的主要場景，據業內專家預測，未來石化行業綠氫替代的產業規模至少是千億級。

2）工業極致節能技術

近年來，隨著節能減排力度不斷加大，工業節能改造帶來的減排降碳潛力空間逐步收窄，成本不斷上升。但是我國工業能耗指標與國際先進水平仍有差距，能源利用水平還有上升的空間。《上海市科技支撐碳達峰碳中和實施方案》明確提出，鋼鐵工業深入開展節能降碳和極致能效及鋼鐵流程再造等新技術研究，支撐低碳轉型升級；化工工業開展節能降碳和能效提升及化工流程再造研究，形成化工工業低碳發展的技術體系。

3）碳捕集、利用與封存技術（CCUS）

碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實現碳中和的兜底技術，保障著碳減排的最后一道防線。近年來，全球范圍內CCUS 技術發展勢頭良好，工業示范項目數逐步增多。在國內，2009年上海石洞口電廠建成當時世界上最大的燃煤電廠CO2捕集示范裝置，保持了世界運行時間最長的紀錄；2022 年9月中國石化建設的國內首個百萬噸級CCUS 項目——“齊魯石化-勝利油田CCUS項目”正式注氣運行，為我國乃至全球CCUS 發展積累了寶貴的經驗?？諝庵苯硬都夹g（DAC）、與生物質耦合的碳捕獲封存技術（BECCS）的新突破，使CCUS又有了更多的發展空間。目前CCUS技術體系尚不完善，能耗及成本較高，管道輸送、封存安全性等關鍵技術有待突破。

4）數字賦能降碳技術

在實現碳達峰碳中和目標的進程中，數字化是重要工具和載體。數字化可實現企業生產“源頭—過程—末端”的系統性全流程控碳，實現工業碳管理關鍵數據的采集、處理、分析和專業應用，提升企業自主碳排放管理能力，同時也可為各級政府對企業及行業的整體運行情況監管提供大數據監測手段?！渡虾Ｊ泄I領域碳達峰實施方案》提出實施數字賦能降碳，推動數字賦能低碳制造，加快數字賦能節能服務。數字化賦能降碳主要有幾方面：

（1）數據采集，構建海量用能數據采集、分析平臺，實施碳排放數據全流程的監控。

（2）輔助決策，基于碳排放現狀和目標，對生產進程進行模擬預測，提出優化方案。

（3）挖掘價值空間，通過大數據、云計算、人工智能、物聯網、數字孿生、區塊鏈等技術整合產業鏈和價值鏈，進一步挖掘“不可見”的價值，提高價值創造的效率。

目前企業大多處于數字化轉型起步探索階段，尚缺乏公認的理論體系和成熟應用案例。

5 結語

工業是上海碳排放量最大的領域，尤其是鋼鐵、石化兩個行業，未來發展很大程度上影響著上海實現“雙碳”目標的整體進程。本文圍繞上海工業綠色低碳轉型路徑展開研究，提出按照時間跨度和生產流程兩個維度設計的上海鋼鐵、石化行業低碳轉型路徑，以及綠氫替代、工業極致節能、碳捕集利用與封存（CCUS）、數字賦能降碳技術等四個重點技術方向，旨在為上海這座超大城市的工業低碳轉型實踐提供參考。

落實“雙碳”戰略不能就碳論碳，要因地制宜，因時制宜，結合未來能源結構調整、產業優化布局、經濟可承受力、產業鏈安全等多種因素制定發展路徑。展望未來，上海雄厚的產業基礎和豐富的科技資源，一定能夠支撐工業綠色低碳轉型，保障“雙碳”目標順利實現。上海探索的轉型路徑和取得的經驗對我國大部分地區也有借鑒意義。