“雙碳”目標下石化行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)綜合評估分析與減排貢獻研究

黃 海

（中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

1 研究背景

“雙碳”目標下，石化行業(yè)一方面面臨著國家政策與行業(yè)趨勢帶來的轉(zhuǎn)型發(fā)展壓力，另一方面在全球競爭中面臨著新的挑戰(zhàn)，亟需開展相關(guān)技術(shù)的研究與應用，實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型。識別排放特征是低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的基礎，不同板塊的溫室氣體排放特征差異顯著。由于石化行業(yè)具有流程長，產(chǎn)品多、工藝復雜的特點，目前研究還不夠深入，需要識別不同板塊、不同工藝的排放特點以及主要排放源，為因地制宜地推進低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展打下基礎。

為實現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型，低碳技術(shù)的推廣和應用是必經(jīng)之路。一系列研究報告聚焦此類議題，研判、梳理實現(xiàn)減排目標所需要的低碳技術(shù)，并通過不同的研究框架對關(guān)鍵技術(shù)進行識別和評估。Nygaard等[1]通過技術(shù)分類、技術(shù)信息、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、技術(shù)評估等4個方面提出了技術(shù)清單的制定優(yōu)化策略；趙一冰等[2]建立了包括技術(shù)成熟度、經(jīng)濟、環(huán)境、社會、生態(tài)等維度的成本效益評估框架，評估了未來關(guān)鍵減排技術(shù)的成本及收益；王克等[3]基于技術(shù)現(xiàn)狀指標、減排潛力指標、經(jīng)濟成本指標、技術(shù)效果指標和社會環(huán)境機構(gòu)經(jīng)濟影響指標等識別了重點低碳技術(shù)。不過現(xiàn)有評估體系與產(chǎn)業(yè)結(jié)合并不密切，無法針對具體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供更切合實際的政策建議。

基于此，構(gòu)建了石化低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型，識別企業(yè)排放特征，篩選關(guān)鍵低碳技術(shù)并結(jié)合行業(yè)特點進行綜合評估，優(yōu)化企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中的技術(shù)組合。研究有以下兩點創(chuàng)新：研究方法上，構(gòu)建了石化產(chǎn)業(yè)低碳技術(shù)綜合評估框架體系，結(jié)合產(chǎn)業(yè)特點建立評價維度；研究內(nèi)容與政策上，結(jié)合石化產(chǎn)業(yè)排放特點，對不同階段低碳技術(shù)的減排貢獻進行測算，識別不同板塊的關(guān)鍵減排技術(shù)。

2 低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型的構(gòu)建

研究構(gòu)建的低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型框架如圖1所示，包括排放清單模塊、低碳技術(shù)評估模塊和減排技術(shù)優(yōu)化模塊等3個部分。

圖1 低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型

2.1 排放清單模塊

以86家企業(yè)2020年的溫室氣體排放數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)排放源特征進行分類核算，范圍覆蓋油氣開采板塊、煉油化工板塊和油品銷售板塊等。

2.2 低碳技術(shù)評估模塊

選取石化行業(yè)廣泛關(guān)注的低碳技術(shù)，包括可再生能源技術(shù)（光伏和風電）、綠氫工藝、節(jié)能技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、甲烷回收利用以及碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)等，并從環(huán)境、經(jīng)濟、社會3個領(lǐng)域出發(fā)，構(gòu)建了六維分析框架。設計評分標準（見表1）并結(jié)合不同板塊的現(xiàn)實情況，從不同維度對低碳技術(shù)進行評級，綜合評估不同低碳技術(shù)在各個板塊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表1 綜合評估模塊指標評分標準

2.3 減排技術(shù)優(yōu)化模塊

以不同板塊排放量為基準，校準不同產(chǎn)品在各個環(huán)節(jié)的排放強度并作為基準情景參數(shù)，而后結(jié)合未來企業(yè)產(chǎn)能變化、低碳技術(shù)綜合評估結(jié)論等，構(gòu)建不同板塊的排放情景（見表2）。通過比較兩種情景的排放差異，進一步測算各關(guān)鍵技術(shù)在不同階段的減排貢獻。

表2 情景設置及數(shù)據(jù)來源

3 不同板塊排放特征分析

基于企業(yè)排放數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)不同板塊的排放源差異顯著（見圖2）。油氣開采板塊的排放主要來自固定源燃燒、間接源電力消費、溫室氣體逸散及制程排放，分別占比48.8%，22.0%，18.3%，8.5%。其中，固定燃燒源中煙煤和天然氣是產(chǎn)生溫室氣體排放量的主要能源種類；溫室氣體逸散特別是甲烷逸散的占比較高，是3個板塊甲烷逸散的主要來源；制程排放主要來自天然氣凈化過程中硫黃回收環(huán)節(jié)。煉油化工板塊的排放源主要來自固定源燃燒、工業(yè)制程排放以及間接源電力消費，分別占比62.9%、25.8%和11.1%。其中，固定燃燒源中煙煤和煉廠干氣是產(chǎn)生溫室氣體排放量的主要能源種類；制程排放源中，催化燒焦和制氫工藝是溫室氣體主要排放環(huán)節(jié)。油品銷售板塊的排放則主要來自間接源電力消費、移動源和溫室氣體逸散，占比分別為64.7%、18.4%和15.7%。汽油和柴油是油品銷售企業(yè)產(chǎn)生碳排放的主要能源種類。

圖2 不同板塊排放源占比

4 關(guān)鍵減排技術(shù)評估研究

通過文獻調(diào)研和現(xiàn)場調(diào)研等方式收集整理石化行業(yè)關(guān)鍵減排技術(shù)的相關(guān)信息，結(jié)合不同板塊的排放特征，按照表1制定的評價體系分別對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能技術(shù)、數(shù)字化、綠氫、甲烷回收及利用、CCUS等主要低碳技術(shù)進行評估。

4.1 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整

能源消費電氣化、電力生產(chǎn)低碳化是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要路徑。風電和光伏發(fā)電是較為成熟的可再生能源發(fā)電技術(shù)，近年來成本大幅下降[10]，考慮到未來的學習曲線效應，無補貼平價上網(wǎng)將在近期實現(xiàn)[11]。此外，由于對傳統(tǒng)煤電的替代，這類技術(shù)也將在局部地區(qū)減少污染、改善人群健康[12]。石化企業(yè)可以通過直接布局可再生能源發(fā)電和間接增加電氣化的方式進行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。對于油氣開采板塊，油氣井多分布于人口稀疏地區(qū)；對于油品銷售企業(yè)，由于用能需求較低，可利用屋頂空間布局光伏發(fā)電；但對于煉化企業(yè)，用地緊張和用能需求巨大使得直接布局可再生能源發(fā)電的空間和潛力有限。從電氣化角度分析，油品銷售板塊的間接排放比例高，隨著電力低碳化進程加速，其間接排放將會有顯著下降；煉化企業(yè)的電氣化進程則需要進一步的技術(shù)提升以保障生產(chǎn)的穩(wěn)定性，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整關(guān)鍵技術(shù)評價如表3所示。

表3 技術(shù)評價結(jié)果 級

4.2 節(jié)能技術(shù)

節(jié)能技術(shù)是目前石化企業(yè)降低碳排放強度的主要手段，技術(shù)相對成熟，安全性較高。企業(yè)主要通過部署能源系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、加強新型節(jié)能設備的引用、提高關(guān)鍵耗能設備的效率等方式促進碳排放強度的下降?！笆濉币詠?，隨著節(jié)能技術(shù)的持續(xù)推廣，我國煉化企業(yè)的能耗水平持續(xù)下降，但與世界先進水平相比仍有一定的差距。

4.3 數(shù)字化

石化行業(yè)的數(shù)字化進程相比于其他行業(yè)起步較晚。在新冠疫情和“雙碳”目標的壓力下，數(shù)字化對于提升油氣開采效率、整合優(yōu)化生產(chǎn)運營的作用得到凸顯，企業(yè)也在積極推進數(shù)字化發(fā)展。不過目前的數(shù)字化技術(shù)存在數(shù)據(jù)安全風險、模式與平臺不成熟以及人才與管理缺乏等挑戰(zhàn)。

4.4 綠氫

氫能是一種綠色清潔的二次能源，在工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域都有著廣泛的應用和發(fā)展?jié)摿?，但目前氫能技術(shù)尚未成熟。IEA報告[13]指出，氫能技術(shù)價值鏈復雜，需要大量的基礎設施配合，前期投入高昂。未來10年，氫能技術(shù)處于技術(shù)提升和市場培育期。但考慮到氫能成為電力系統(tǒng)中高效低成本的長時間儲能技術(shù)以及在工業(yè)、交通領(lǐng)域應用的潛力，在長期碳中和路徑中仍是關(guān)鍵的低碳技術(shù)[14]。在石化產(chǎn)業(yè)中，氫能在油氣開采板塊與油品銷售板塊的減排潛力有限；作為產(chǎn)氫和用氫大戶，煉化企業(yè)制氫裝置是主要的碳排放環(huán)節(jié)，綠氫技術(shù)的發(fā)展對于該板塊減排有著更大的貢獻。此外，氫在作為燃料替代、化工產(chǎn)品原料等方面也有著不小的發(fā)展?jié)摿?，有望為煉化行業(yè)帶來革命性的改變。

4.5 甲烷回收及利用

甲烷是僅次于CO2的全球第二大溫室氣體，溫室氣體排放當量約占18%左右。IEA研究[8]結(jié)果表明，油氣行業(yè)通過采用甲烷控制技術(shù)和裝置（如泄漏檢測與修復、更換壓縮機、泵等措施）可以減少70%的甲烷排放，其中54%的甲烷可實現(xiàn)零成本排放。甲烷回收和吸附技術(shù)（如壓縮天然氣技術(shù)、天然氣液化技術(shù)、吸附天然氣、水合物儲運技術(shù)、油氣收集系統(tǒng)和油氣分離回收系統(tǒng)等）仍需進一步的技術(shù)升級以降低投資、提高系統(tǒng)回收效率。逸散源是油氣開采和油品銷售板塊的重要排放環(huán)節(jié)，分別占比18.3%和15.7%，該低碳技術(shù)在這兩個板塊有巨大的減排潛力。

4.6 CCUS

碳捕集與封存（CCS）技術(shù)總體成熟度還未達到商業(yè)應用水平，目前我國已部署了部分CCS設施，2020年捕捉能力約478萬噸/年[15]，但由于成本高、能耗大、安全性和可靠性不足使得其發(fā)展與技術(shù)路線圖1 000萬噸/年的規(guī)劃[16]仍有較大差距。此外，生物質(zhì)能結(jié)合碳捕捉與封存技術(shù)（BECCS）可能對生物多樣性、糧食安全和環(huán)境帶來負面影響[17]。由于油氣開采板塊有較為理想的儲存條件，因此在協(xié)同性和減排潛力上有一定優(yōu)勢。不過，目前CO2壓裂驅(qū)采頁巖氣工藝存在著水耗巨大、環(huán)境足跡顯著的劣勢；CO2驅(qū)油的經(jīng)濟性不足，目前技術(shù)的經(jīng)濟平衡點在油價70美元/桶左右。

CCUS技術(shù)近年來也在快速推進中，CO2重整甲烷制備合成氣工藝目前推進到萬方級的示范項目，但經(jīng)濟性還不夠；CO2加氫制備甲醇項目，已實現(xiàn)5 000噸/年的中試示范項目。CCUS技術(shù)應用的經(jīng)濟性與氫能的成本有著直接相關(guān)性，長期來看，綠氫成本大幅下降將可能推動煉化行業(yè)的工藝升級，具有較大的減排潛力。

5 石化行業(yè)關(guān)鍵低碳技術(shù)的減排貢獻分析

基于不同板塊的排放特征分析以及低碳技術(shù)的綜合評估，對石化行業(yè)不同板塊在“雙碳”目標下的減排路徑進行研究，并分析不同階段各低碳技術(shù)對于減排的貢獻。

5.1 油氣開采板塊減排貢獻分析

基準情景下，隨著天然氣開采量的持續(xù)提升，油氣開采板塊的溫室氣體排放量將會不斷增加，之后排放量逐年下降，但到2060年仍維持在較高的排放水平。減排情景下，2020-2035年溫室氣體排放量將維持平臺期，2030年的排放量比基準情景下降了24.1%；隨后快速下降，到2060年排放量比基準情景下降了87.7%。

如圖3所示，對于油氣開采板塊而言，在碳達峰階段，甲烷回收及利用、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能技術(shù)是減排貢獻最為突出的低碳措施，分別貢獻了36.1%、31.6%和20.3%的減排量。在碳中和階段，隨著可再生能源占比的快速增加，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整對減排的貢獻將逐漸增加，到2060年占比達到53.2%；甲烷回收及利用仍是該板塊重要的低碳措施，減排貢獻占比維持在35%以上。值得注意的是，隨著碳排放與能源消費的脫鉤，節(jié)能技術(shù)在長期對減排的貢獻不斷下降，到2060年僅占1.2%；與此同時，綠氫和CCUS對于減排的貢獻也隨著技術(shù)的成熟而增加，到2060年，這兩類技術(shù)的貢獻度將分別達到2.2%和5.2%。

圖3 油氣開采板塊減排貢獻

5.2 煉油化工板塊減排貢獻分析

由于“十四五”期間煉油化工產(chǎn)能的快速擴張，在基準情景下，溫室氣體排放量將會快速增加，到2035年達到峰值，是2020年的2.2倍。在低碳減排情景下，溫室氣體排放量將在2030年左右達到峰值，比基準情景下降約25.8%。在“雙碳”目標背景下，大量的低碳技術(shù)將在長期減排路徑下發(fā)揮作用，到2060年，溫室氣體排放量將比基準情景降低約76.3%。

如圖4所示，對于煉油化工企業(yè)，在達峰階段，節(jié)能技術(shù)和數(shù)字化帶來的能效提升將在降低溫室氣體排放中發(fā)揮重要作用，到2030年，兩者共貢獻61.8%的減排量。在碳中和階段，與油氣開采板塊相似，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將是碳減排最為關(guān)鍵的技術(shù)路徑，到2060年，預計將貢獻66.2%的減排量；此外，綠氫技術(shù)和CCUS技術(shù)也將隨著技術(shù)進步、成本下降而產(chǎn)生更加重要的作用。

圖4 煉油化工板塊減排貢獻

5.3 油品銷售板塊減排貢獻分析

目前，油品銷售板塊已基本實現(xiàn)達峰目標，在基準情景下，隨著傳統(tǒng)油氣銷售占比的下降，預計溫室氣體排放量將會穩(wěn)步下降。在減排情景下，隨著一系列低碳技術(shù)的應用，企業(yè)溫室氣體排放量將會快速下降，2060年排放量比基準情景降低約95.6%。

如圖5所示，在達峰階段，油品銷售企業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型需要能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能技術(shù)、數(shù)字化、甲烷回收及利用等技術(shù)的共同參與。不過在中和階段，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整將是最為主要的減排技術(shù)。一方面，隨著能耗與碳排放逐漸解耦，節(jié)能和數(shù)字化對于減排的作用將會不斷下降；另一方面，隨著電動汽車的普及，油氣業(yè)務占企業(yè)總營收的比重逐漸下降，甲烷泄漏的總量將會快速下降，因而甲烷回收及利用的減排空間也會隨之降低。

圖5 油品銷售板塊減排貢獻

6 結(jié)論與建議

構(gòu)建了石化低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型，識別企業(yè)排放特征，篩選關(guān)鍵低碳技術(shù)并結(jié)合行業(yè)特點進行綜合評估，優(yōu)化企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型中的技術(shù)組合。主要結(jié)論與建議如下：

1）不同板塊的排放構(gòu)成差異巨大。油氣開采板塊的排放主要來自固定源燃燒、間接源電力消費、溫室氣體逸散；煉油化工板塊的排放源主要來自固定源燃燒、工業(yè)制程排放以及間接源電力消費；油品銷售板塊的排放則主要來自間接源電力消費、移動源和溫室氣體逸散。

2）現(xiàn)階段新興低碳技術(shù)由于成熟度、安全性和成本等方面原因仍存在廣泛應用的困難，節(jié)能技術(shù)仍是各板塊短期重要的減排措施。從長期看，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整在各板塊減排過程中將發(fā)揮越來越重要的作用。

3）甲烷回收及利用技術(shù)對于油氣開采企業(yè)至關(guān)重要，在短期和長期都將產(chǎn)生較大的減排貢獻；對于煉化企業(yè)而言，綠氫的發(fā)展將會降低制程排放；對于油品銷售企業(yè)而言，目前已基本實現(xiàn)碳達峰目標，減排壓力相對較小，未來可通過加快可再生能源電力的發(fā)展盡早實現(xiàn)碳中和。

4）針對研究構(gòu)建的石化企業(yè)低碳技術(shù)綜合評估優(yōu)化模型，后續(xù)需在以下2個方面進一步深入研究，細化模型，增強模型的可用性。第一，量化低碳技術(shù)成本，并在減排路徑優(yōu)化中增加成本優(yōu)化對于技術(shù)選擇的影響；第二，增加分析碳市場等金融政策手段對于低碳技術(shù)發(fā)展以及企業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的影響。