電解鋁行業(yè)碳排放現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析

王 旋 許立松

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110001)

0 前言

2020年9月，中國(guó)宣布將力爭(zhēng)二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和；2020年12月，進(jìn)一步宣布2030年我國(guó)單位產(chǎn)值碳排放比2005年下降65%以上和非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右等目標(biāo)；2020年12月16—18日，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議首次將“做好碳達(dá)峰、碳中和工作”列為2021年的重點(diǎn)任務(wù)。與此同時(shí)，《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等更高層級(jí)的重磅文件出臺(tái)。可見(jiàn)，隨著我國(guó)政府一系列的政治表態(tài)和切實(shí)行動(dòng)，“碳達(dá)峰、碳中和”已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，成為今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整的大背景。

電解鋁行業(yè)是典型的高耗能產(chǎn)業(yè)，也是高碳排放產(chǎn)業(yè)，并且電解鋁行業(yè)的高碳排放特性從屬于其高耗能特性。因此，雖然我國(guó)電解鋁能耗指標(biāo)處于國(guó)際先進(jìn)水平，但作為全球電解鋁第一大國(guó)，“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)勢(shì)必對(duì)我國(guó)電解鋁行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 鋁行業(yè)碳排放總量及強(qiáng)度

按照國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)(IAI)的口徑和數(shù)據(jù)[1-2]，鋁行業(yè)碳排放涵蓋原鋁生產(chǎn)和再生鋁等的碳排放，其中原鋁生產(chǎn)碳排放占比達(dá)95%。原鋁生產(chǎn)碳排放按生產(chǎn)工藝流程可分為鋁土礦、氧化鋁、陽(yáng)極、電解鋁和鑄造5個(gè)工序的碳排放；按排放類(lèi)型又分為電力排放(間接)、PFC排放(直接)、CO2直接排放、輔助材料排放(間接)、熱能排放(直接或間接)和運(yùn)輸排放(間接)6類(lèi)。

1.1 碳排放總量

全球原鋁生產(chǎn)量和碳排放量變化如圖1所示。根據(jù)IAI公布的數(shù)據(jù)[1-2]，2019年、2020年和2021年全球原鋁生產(chǎn)量分別達(dá)到6 365.7萬(wàn)t、6 532.5萬(wàn)t、6 724.3萬(wàn)t；2019年全球原鋁生產(chǎn)碳排放量(全口徑)達(dá)到10.13億t，后續(xù)年度的碳排放量數(shù)據(jù)IAI尚未公布。2005年至2019年的15年間(本文中引用及分析的數(shù)據(jù)除特殊說(shuō)明外均指這15年)，全球原鋁生產(chǎn)碳排放量從5.40億t逐步提升至7.23億t(2010年)、9.34億t(2015年)，直至10.13億t，累計(jì)增長(zhǎng)了87.7%，復(fù)合年均增長(zhǎng)4.3%。同期全球原鋁生產(chǎn)量分別為3 190.5萬(wàn)t(2005年)、4 235.3萬(wàn)t(2010年)、5 845.6萬(wàn)t(2015年)及6 365.7萬(wàn)t(2019年)，累計(jì)增長(zhǎng)99.5%，復(fù)合年均增長(zhǎng)4.7%?？梢?jiàn)，全球原鋁生產(chǎn)碳排放量增幅略小于原鋁生產(chǎn)量增幅，這也意味著全球原鋁生產(chǎn)噸鋁平均碳排放量即碳排放強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。

1.2 碳排放強(qiáng)度

15年間，全球累計(jì)原鋁產(chǎn)量約7.36億t，累計(jì)碳排放量約123.5億t，累計(jì)碳排放強(qiáng)度約為16.8 tCO2e/t-Al。全球原鋁生產(chǎn)各工序碳排放強(qiáng)度15年加權(quán)平均值如圖2所示。從圖2可知，電解鋁工序以75.8%的占比高居首位，其次是氧化鋁工序(20.1%)，而陽(yáng)極、鋁土礦和鑄造工序占比較低。

全球原鋁生產(chǎn)電解鋁工序各類(lèi)碳排放強(qiáng)度15年加權(quán)平均值如圖3所示。由圖3可知，電力排放以78.8%的占比居絕對(duì)主導(dǎo)地位，其次是CO2直接排放(12.3%)，排第三位的是PFC排放，運(yùn)輸排放和輔助材料排放則占比較小?？梢?jiàn)，在整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放中，電解鋁工序的電力排放占比高達(dá)59.7%，因此降低電解鋁工序電力碳排放是鋁行業(yè)降碳最重要的任務(wù)之一。

2 碳排放強(qiáng)度演化趨勢(shì)

全球原鋁生產(chǎn)及氧化鋁、電解鋁工序的碳排放強(qiáng)度變化如圖4所示。

由圖4可知，2019年全球原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度為15.91 tCO2e/t-Al，比2005年的16.91 tCO2e/t-Al降低了5.9%，比期間最高值18.04 tCO2e/t-Al(2007年)降低了11.8%。15年間全球原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度的小幅下降主要得益于氧化鋁工序碳排放強(qiáng)度的下降。隨著氧化鋁工藝技術(shù)的進(jìn)步、優(yōu)質(zhì)鋁土礦的普遍使用、控制技術(shù)和生產(chǎn)管理的進(jìn)步，氧化鋁工序碳排放強(qiáng)度由3.86 tCO2e/t-Al降低至2.55 tCO2e/t-Al，降幅達(dá)33.9%；其在原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度中的占比也從22.8%降低至16.0%。電解鋁工序碳排放強(qiáng)度則始終在12.7 tCO2e/t-Al左右徘徊，呈現(xiàn)出前10年震蕩波動(dòng)、后5年漸趨穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。由于電解鋁工序碳排放強(qiáng)度沒(méi)有整體性降幅，其在原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度中的占比從73.1%升高至79.9%。

數(shù)據(jù)顯示，鋁土礦和鑄造工序的碳排放強(qiáng)度在15年間均未發(fā)生變化，分別為0.05 tCO2e/t-Al和0.10 tCO2e/t-Al；陽(yáng)極工序碳排放強(qiáng)度也僅從2014年及之前的0.55 tCO2e/t-Al降低至2015年及之后的0.50 tCO2e/t-Al。可見(jiàn)，鋁土礦、陽(yáng)極和鑄造三個(gè)工序在整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度中所占的比例較小(合計(jì)僅4.0%)，且由于工藝的成熟，碳排放處于穩(wěn)定。

以2005年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)(100%)的電解鋁工序非電力碳排放強(qiáng)度相對(duì)變化趨勢(shì)及其與氧化鋁工序碳排放強(qiáng)度相對(duì)變化比較如圖5所示。電解鋁工序非電力碳排放強(qiáng)度與電力碳排放強(qiáng)度的變化趨勢(shì)如圖6所示。

電解鋁工序碳排放涉及電力碳排放、PFC排放、CO2直接排放、輔助材料排放和運(yùn)輸排放5類(lèi)。由圖6可知，15年間非電力碳排放強(qiáng)度累計(jì)降低0.84 tCO2e/t-Al，降幅達(dá)26.1%，其中PFC排放、運(yùn)輸排放和CO2直接排放分別降低50.9%、27.5%和10.0%(圖5)，降幅與氧化鋁工序碳排放強(qiáng)度降幅基本相當(dāng)。這些降幅主要得益于電解槽設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝技術(shù)的進(jìn)步，也包括控制系統(tǒng)水平的提高和生產(chǎn)管理系統(tǒng)的改進(jìn)。

15年間電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度累計(jì)增加1.19 tCO2e/t-Al(增幅13.0%)，這不僅將非電力碳排放強(qiáng)度降低的貢獻(xiàn)完全抵消，還導(dǎo)致整個(gè)電解鋁工序碳排放強(qiáng)度小幅升高了0.35 tCO2e/t-Al(增幅2.8%)。

總體上看(圖4、圖6)，由于電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，而電解鋁工序碳排放強(qiáng)度呈穩(wěn)定趨勢(shì)，原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，因此電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度占電解鋁工序碳排放強(qiáng)度以及占整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度的比例均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。2019年電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度(10.33 tCO2e/t-Al)占電解鋁工序碳排放強(qiáng)度(12.71 tCO2e/t-Al)的81.3%，占整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度(15.91 tCO2e/t-Al)的64.9%。按15年加權(quán)平均值計(jì)算，電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度(10.04 tCO2e/t-Al)占電解鋁工序碳排放強(qiáng)度(12.74 tCO2e/t-Al)的78.8%，占整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度(16.8 tCO2e/t-Al)的59.7%?？梢?jiàn)，控制電力碳排放是降低電解鋁工序乃至整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放的重中之重。

3 電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度影響因素

電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度主要由電解鋁交流電耗和電力排放因子決定。電力是二次能源，電力排放因子由一次能源向二次能源轉(zhuǎn)化過(guò)程中的很多因素共同決定，其中最為根本的是一次能源結(jié)構(gòu)。

3.1 電解鋁交流電耗

全球以及中國(guó)和非中國(guó)區(qū)域的電解鋁交流電耗變化趨勢(shì)如圖7所示。

由圖7可知，2005年至2019年的15年間，全球電解鋁交流電耗從15 080 kW·h/t-Al逐步降低至14 255 kW·h/t-Al，累計(jì)降低5.5%。同期中國(guó)電解鋁交流電耗從14 574 kW·h/t-Al逐步降低至13 531 kW·h/t-Al，累計(jì)降低7.2%。非中國(guó)區(qū)域電解鋁交流電耗則呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，15年加權(quán)平均值為15 220 kW·h/t-Al，最高15 407 kW·h/t-Al(2013年)，最低14 921 kW·h/t-Al(2017年)，總體變化幅度較小?？梢?jiàn)，在非中國(guó)區(qū)域電解鋁交流電耗基本持平的情況下，中國(guó)電解鋁交流電耗的持續(xù)下降成為全球電解鋁交流電耗降低的關(guān)鍵因素，從而有利于降低電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度。

3.2 電力能源結(jié)構(gòu)

15年間全球電解鋁電力能源結(jié)構(gòu)中，煤炭(火電)占56%，水電占33%，天然氣(氣電)占8%，核電占2%，其他可再生能源占1%。其中，火電產(chǎn)生的碳排放最多，水電、核電等可再生能源(綠電)產(chǎn)生的碳排放較少，氣電居于二者之間(一般約為火電的40%)。為便于說(shuō)明，將氣電按40%和60%的比例折入火電與綠電，得到全球以及中國(guó)和非中國(guó)區(qū)域電解鋁綠電使用比例變化趨勢(shì)，如圖8所示。

由圖8可知，2017年之前全球電解鋁綠電使用比例呈下降趨勢(shì)，由2005年的53.2%下降至2017年的34.8%，降低18.4個(gè)百分點(diǎn)；2018年后略有回升，2019年和2020年均為40%左右，恢復(fù)到2012年至2013年間水平。因此，在全球電解鋁交流電耗呈下降趨勢(shì)的情況下，電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度主要受電力能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)影響，電力碳排放強(qiáng)度的上升主要受綠電使用比例下降驅(qū)動(dòng)。

4 中國(guó)對(duì)鋁行業(yè)碳排放的影響和貢獻(xiàn)

通過(guò)上述對(duì)鋁行業(yè)碳排放現(xiàn)狀和趨勢(shì)的分析可知，原鋁生產(chǎn)量、電解鋁交流電耗和電力能源結(jié)構(gòu)是影響碳排放的最主要的3個(gè)因素。

4.1 原鋁產(chǎn)量和增長(zhǎng)趨勢(shì)

中國(guó)、非中國(guó)區(qū)域及全球原鋁產(chǎn)量變化如圖9所示。中國(guó)是全球電解鋁產(chǎn)量第一大國(guó)，2005年至2019年的15年間，中國(guó)原鋁產(chǎn)量增長(zhǎng)459%，累計(jì)原鋁產(chǎn)量占全球的46.9%，全球原鋁產(chǎn)量累計(jì)增量中的88.1%來(lái)自中國(guó)。2005年中國(guó)原鋁產(chǎn)量占全球的24.5%，并保持逐年攀升態(tài)勢(shì)，2007年占比超過(guò)30%，2013年突破50%；2019年中國(guó)原鋁產(chǎn)量達(dá)到3 579.5萬(wàn)t，占全球比例達(dá)到56.2%。可見(jiàn)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)成為全球原鋁工業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)力量，在未來(lái)全球原鋁工業(yè)碳減排、碳中和進(jìn)程中將發(fā)揮核心作用。

4.2 大幅降低電解鋁交流電耗

全球及各區(qū)域電解鋁交流電耗的15年加權(quán)平均值如圖10所示。由圖10可知，全球各區(qū)域電解鋁交流電耗從低到高依次為：中國(guó)、全球平均值、非洲、大洋洲、亞洲(不含中國(guó))、北美洲、南美洲、歐洲。15年間中國(guó)電解鋁交流電耗加權(quán)平均值比全球加權(quán)平均值低766 kW·h/t-Al(低5.3%)，比非中國(guó)區(qū)域加權(quán)平均值低1 442 kW·h/t-Al(低9.5%)。

由于中國(guó)電解鋁行業(yè)不斷應(yīng)用新技術(shù)，中國(guó)電解鋁交流電耗長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先水平，因此中國(guó)是全球電解鋁交流電耗持續(xù)下降的主要推動(dòng)者和貢獻(xiàn)者。

2021年8月26日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)了《關(guān)于完善電解鋁行業(yè)階梯電價(jià)政策的通知》(發(fā)改價(jià)格[2021]1239號(hào))[3]，明確提出自2025年起，電解鋁企業(yè)電價(jià)不加價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為鋁液綜合交流電耗13 300 kW·h/t-Al。此外還有一系列的政策文件[4-6]明確提出了電解鋁鋁液交流電耗基準(zhǔn)水平為13 350 kW·h/t-Al、標(biāo)桿水平為13 000 kW·h/t-Al，且到2025年能效達(dá)到標(biāo)桿水平的產(chǎn)能比例超過(guò)30%，能效基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零，這意味著到2025年中國(guó)電解鋁交流電耗或達(dá)到13 200 kW·h/t-Al以下。

在企業(yè)層面，國(guó)家電投旗下內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限公司與沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司合作，積極開(kāi)展石墨化陰極電解槽和數(shù)字化電解槽等節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用，其中一項(xiàng)超低能耗試驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)是將電解槽直流電耗降低至12 000 kW·h/t-Al以下。若試驗(yàn)成功，該技術(shù)將是電解鋁行業(yè)節(jié)能降碳的重大突破。中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)(旗下的至少10個(gè)系列)、山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)、廣西銀海鋁業(yè)、寧夏青銅峽鋁業(yè)(含寧東分公司)以及內(nèi)蒙古蒙泰鋁業(yè)等電解鋁生產(chǎn)企業(yè)都在積極開(kāi)展石墨化陰極電解槽、新式節(jié)能陰極結(jié)構(gòu)技術(shù)和磁流體穩(wěn)定性提升等新技術(shù)的應(yīng)用。

4.3 開(kāi)啟電力能源結(jié)構(gòu)調(diào)整

全球及各區(qū)域電解鋁電力能源結(jié)構(gòu)中綠電使用比例的15年加權(quán)平均值如圖11所示。由圖11可知，全球各區(qū)域電解鋁綠電使用比例從高到低依次為：南美洲、歐洲、北美洲、非洲、亞洲(不含中國(guó))、全球平均值、大洋洲、中國(guó)。

隨著近年來(lái)中國(guó)清潔能源行業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)清潔能源發(fā)電量占比逐漸提高。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局相關(guān)數(shù)據(jù)，2020年中國(guó)清潔能源占總體發(fā)電量的比例達(dá)到24.3%，將電解鋁綠電使用比例大幅度提升至20%以上(圖8)。部分中國(guó)電解鋁企業(yè)由于歷史原因仍采用煤電為主的自備電廠，今后降低碳排放工作將會(huì)成為進(jìn)一步優(yōu)化的重點(diǎn)。隨著中國(guó)政府和企業(yè)對(duì)應(yīng)對(duì)氣候變化和“碳達(dá)峰、碳中和”工作的越來(lái)越重視，中國(guó)電解鋁綠電使用比例較低的現(xiàn)狀有望得到較大改善。2022年6月13日，生態(tài)環(huán)境部等國(guó)家七部委聯(lián)合印發(fā)《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》[7]，明確要求到2030年電解鋁使用的可再生能源比例提高至30%以上。同時(shí)，國(guó)內(nèi)有關(guān)鋁行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展以及“碳達(dá)峰”“碳中和”的研究[8-9]也在逐漸增加。

在企業(yè)層面，中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)《2020降碳報(bào)告》[10]顯示，截至2020年，中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)采用綠色能源的電解鋁占比已達(dá)49.98%。國(guó)家電投清潔能源裝機(jī)比例已提升至60%以上，并計(jì)劃到2035年提升至75%，未來(lái)大幅提升綠色能源電解鋁占比仍是大勢(shì)所趨。山東魏橋創(chuàng)業(yè)集團(tuán)則提出并積極落實(shí)電解鋁產(chǎn)能大規(guī)模向水電資源豐富的云南地區(qū)轉(zhuǎn)移的計(jì)劃。

5 結(jié)論

綜上所述，2005年至2019年的15年間，全球累計(jì)原鋁生產(chǎn)量約7.36億t(增長(zhǎng)99.5%)，累計(jì)碳排放量約123.5億t(增長(zhǎng)87.7%)，累計(jì)碳排放強(qiáng)度約為16.8 tCO2e/t-Al。電解鋁工序碳排放強(qiáng)度占全球原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度的75.8%；其中電解鋁工序電力排放強(qiáng)度占比78.8%，占整個(gè)原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度的59.7%，起主導(dǎo)作用。全球原鋁生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度小幅下降主要得益于氧化鋁工序碳排放強(qiáng)度下降；電解鋁工序中非電力碳排放強(qiáng)度大幅降低了26.1%，但電力碳排放強(qiáng)度卻上升了13.0%。

中國(guó)是全球電解鋁交流電耗持續(xù)下降的主要推動(dòng)者和貢獻(xiàn)者，電耗長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先水平。15年間全球電解鋁交流電耗累計(jì)降低5.5%，中國(guó)電解鋁交流電耗累計(jì)降低7.2%，非中國(guó)區(qū)域則基本持平。同時(shí)中國(guó)政府和企業(yè)仍在大力推動(dòng)節(jié)能降耗。

15年間電解鋁工序電力碳排放強(qiáng)度上升主要受電力能源結(jié)構(gòu)影響。非中國(guó)區(qū)域電解鋁綠電使用比例基本穩(wěn)定，全球電解鋁綠電使用比例變化主要受中國(guó)影響和驅(qū)動(dòng)。隨著中國(guó)政府和企業(yè)的逐漸重視，電解鋁綠電使用比例有望得到大幅提高，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)和應(yīng)對(duì)氣候變化作出更大貢獻(xiàn)。