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美国有责任减少碳排放
由于大气中温室气体的增加,全球气候正在变暖。2016年的平均气温比工业化前水平上升了1.2摄氏度,2019年创下新高。如果不采取强有力的措施,到2100年,全球气温预计将上升3.7至4.8摄氏度,导致不可逆转的生态灾难。问题的规模已达成共识。1997年的《京都议定书》要求各国共同努力,将气温上升控制在2摄氏度以下。本世纪的情况比预期的更糟,2016年的《巴黎协定》呼吁努力将气温上升限制在1.5摄氏度以内。
这意味着要将大气中的二氧化碳含量控制在450ppm以下,也就是全球温室气体排放量控制在1万亿吨以下。但到目前为止,全世界已经排放了5150亿吨。这样就只剩下不到5000亿吨的可排放目标。这是因为随着世界经济的加速,碳排放正在迅速增加。从2000年到2017年,中国经济快速发展产生的碳排放达到每年92.3亿吨,增长了160%,占世界碳排放总量的40%,并且仍在上升。因此,中国在全球碳中和过程中扮演的角色至关重要。
2019年9月,联合国举行了一场特别气候峰会,要求各国制定碳中和计划。此后,各国和地区纷纷通过立法或在政府文件中宣布碳中和目标:芬兰到2035年;德国、奥地利、瑞士、冰岛、爱尔兰、挪威、南非、葡萄牙、斯洛文尼亚、哥斯达黎加、马绍尔群岛2040;瑞典2045年;英国,日本,欧盟,加拿大,韩国,新西兰,智利,斐济,匈牙利2050。不丹和苏里南已经达到了标准。
2020年9月22日,中国国家主席习近平在第75届联合国大会上宣布,中国将采取更加有效的政策措施,到2030年实现二氧化碳排放峰值,单位国内生产总值二氧化碳排放强度比2005年下降65%,将非化石能源的比例提高到25%以上。努力在2060年实现碳中和。
能源结构转型是实现这一目标的关键
进入21世纪,随着经济的快速发展,中国的能源消耗以惊人的速度增长。从2000年到2010年,中国能源消费量从2000年的14.7亿tCE/年增加到2010年的36.1亿tCE/年,年均增长9.4%。8年后,2018年达到了48.6亿吨。
中国高碳排放的本质是以煤炭为主的能源结构。20世纪80年代,全球从高碳煤和石油转向低碳天然气和可再生能源。1950年,煤炭在世界能源结构中所占比例约为50%,但在本世纪初不到30%。在同一时期,天然气的份额从不足10%上升到约21%。21世纪中国的能源结构仍以煤炭为主。这是由于中国的资源禀赋,煤炭丰富,石油和天然气短缺。煤炭一直占总能源的60%以上,到2018年占58%。而世界能源结构平均煤炭只占27%,工业发达国家已低于15%,如美国煤炭只占14%,欧盟占15%。
从全球来看,总体趋势是由高碳能源煤和石油向低碳能源天然气转变,然后根据碳中性的要求转向无碳能源。根据英国石油公司的能源展望,化石燃料将继续从现在的80%以上下降。煤炭在上个世纪达到峰值,石油在2019冠状病毒病和碳减排的双重打击下在2020年达到峰值,天然气将在更晚的时间达到峰值。与此同时,可再生能源将从2010年开始迅速增长,其中光伏最快,风能第二,氢和生物质能逐渐增加。当碳中和,煤炭在能源结构中所占的份额预计将从2018年的17.6%下降到1.9%,石油从35%到6.8%,天然气从28.9%降至13%。化石燃料将从约80%至约21%。核电比重将从5.1%提高到9.1%,光伏发电比重将从3.8%提高到34%,风力发电比重将从4.2%提高到17%,水力发电比重将从5.6%提高到9.9%,氢和生物能源比重将从接近零提高到8%以上。
最大的碳排放源是燃煤火力发电。中国大约80%的电力来自燃煤电厂,占世界总电力的50.2%。全球平均水平是每千瓦时发电排放450克二氧化碳。中国的“十三五”规划要求大型发电集团设定550克每千瓦时二氧化碳排放的目标,并在2020年实现600克每千瓦时二氧化碳排放的目标。横向比较,瑞士、挪威、瑞典、法国等近零排放国家的co2 / KWH低于100克;加拿大、新西兰、奥地利、芬兰、丹麦等超低碳排放国家在100 ~ 200克co2 / KWH;英国、西班牙、葡萄牙、意大利等低碳排放国家在200-300克二氧化碳/千瓦时;美国、德国、荷兰、日本、土耳其、智利、墨西哥等中碳排放国家在300 ~ 500克co2 / KWH;中国、印度、韩国、澳大利亚、南非、波兰和其他高碳排放国家每千瓦时的二氧化碳排放量超过500克。
中国高排放率的另一个原因是它的高能源强度。即万元GDP能耗高,能源效率低。虽然中国的能源强度降至0.662吨标准煤/一万元到2015年的0.402吨标准煤/一万元2020年,这主要是由于第三产业的比例越高,而且每个增量单位能源消耗的服务行业是13倍低于行业。与世界平均水平相比,中国的能源强度还远远落后。如果以汇率计算,韩国的能源强度是世界平均水平的1.8倍、美国的2.5倍、欧盟(eu)的3.3倍、日本的4.3倍,远远落后于发达工业国家。
在全球范围内,能源转型迅速,从1980年到2013年,风力发电的成本下降了90%,现在已与燃煤发电相媲美。从2010年到2017年,光伏发电的成本下降了73%。与此同时,金融资本投资严重向可再生能源倾斜。仅2017年一年,可再生能源投资就超过了所有其他能源投资总和的两倍。中国在这方面处于领先地位。根据联合国可再生能源咨询机构REN21发布的《2020年全球可再生能源状况报告》,到2019年,每个国家的可再生能源设施(包括58%的水电)将提供全球27.3%的发电量。前四名分别是中国789万千瓦、美国282万千瓦、巴西144万千瓦和印度137万千瓦。甚至有人说,能源转型已经进入了一个从量变到质变的拐点。原因在于,2019年在能源大国美国发生了两件大事:一是美国可再生能源发电量首次超过煤炭发电量;第二,尽管埃克森美孚的营业收入和利润分别是其13倍和4倍,但最大的风电公司新时代能源公司的市值却超过了传统能源巨头埃克森美孚公司。过去10年,埃克森美孚的股价下跌了50%,而New Era Energy的股价则上涨了430%。
能源企业转型升级的路径选择
大型能源化工企业不仅是化石能源的主要供应者,也是大量耗能型温室气体的排放者。一方面,来自政府和监管机构的压力。例如,日本政府的金融厅(Financial Services Agency)要求上市公司公布应对气候变化的战略和企业减排目标。金融厅和东京证券交易所认为,如果企业不明确说明自然灾害的风险和对策,就很难吸引外资。金融行业非常敏感,不会善待那些破坏全球气候而没有未来的公司。西方能源和化学公司已经这样做了,但美国最大的石油和天然气公司埃克森美孚(ExxonMobil)已经被从道琼斯工业平均指数中除名。另一方面,来自社会各阶层的舆论压力也在逐年增加。例如,大型温室气体公司已经被视为可耻的企业。一些世界顶级大学和研究机构将拒绝化石能源公司的捐赠。剑桥大学、牛津大学、康奈尔大学、布朗大学和乔治敦大学决定不接受化石能源公司的捐赠,而最富有的大学哈佛大学和耶鲁大学宣布逐步停止接受捐赠。
在这种情况下,能源化工企业还有哪些选择?
主要产业逐步向低碳方向调整,以碳捕集与封存利用(CCUS)补偿排放造成的损害。
埃克森美孚公司认为,尽管减少碳排放很重要,但石油和天然气仍然是人类最重要和不可或缺的能源资源,未来20年石油和天然气的总量(绝对)将会增加。埃克森美孚仍将自己定位为一家国际油气公司。与此同时,埃克森美孚30年来一直在开发碳捕获和存储技术。他们声称是世界上第一家捕获1.2亿吨二氧化碳的公司,每年的二氧化碳捕获能力为900万吨,在技术上处于世界领先地位。该公司于2018年成立了低碳解决方案部,并在全球范围内开展了20多个碳捕获和存储项目,以大规模回收二氧化碳。与此同时,埃克森美孚(ExxonMobil)也大举进军低碳液化天然气(LNG)领域,抢购海外气田,每年生产8600万吨LNG,占世界LNG总量的25%。埃克森美孚也在开发生物柴油,因为生物柴油船舶的碳排放量是通常使用石油柴油进行重载运输的船舶的一半。
在我国,碳捕集与封存技术的先行者是煤电行业,但十几个试点项目的联合处理能力仅为100万吨/年,处理成本为300 - 500元/吨。碳捕集所消耗的能量直接推动1 gw超临界电厂的效率回到亚临界电厂。中国目前还没有成熟的商用大型碳捕集技术。这对于电力行业来说是可以理解的,因为它本来就是一个化学学科,但是对于世界上最大的化工电力来说,中国的石化行业还没有突破这一技术就不能说了。碳捕获和储存技术是世界上无法绕过的技术。中国是世界上最大的煤炭消费国,有必要加快努力,突破成本瓶颈,尽快大规模应用煤炭。
减少石油和增加电力,并转变为可再生能源供应商。
Bp是这条路线的代表。为了在2050年实现净零,BP决定在2030年停止新的石油勘探和开发,并将化石能源产量减少40%;可再生能源装机容量从2019年的25亿瓦大幅增加到2030年的500亿瓦,BP目前是最大的陆上风能公司;到2030年,将生物燃料产量从现在的每天2.2万桶增加到每天1亿桶;到2030年,将上游油气生产的碳排放减少35%至40%;在低碳领域的投资将增加到每年50亿美元,是目前水平的10倍。
法国道达尔也是大力投资新能源的代表之一,在光伏发电和储能领域处于世界领先地位。道达尔的可再生能源产能在2019年达到30亿瓦,在2020年翻了一倍多,达到70亿瓦,并计划到2025年达到35亿瓦,到2030年达到1亿瓦。
这里需要强调的是,可再生能源应该和电力一起利用。由于风力/光伏发电是分布式能源,并不是所有地方都能以较低的成本接入国家/中央电网,需要直接供应给当地工厂或居民。所以,仅仅用可再生能源发电而不提供电力是行不通的。
减少石油、增加天然气、增加化学工业,大大降低单位能耗的碳排放强度。
壳牌,一家英荷石油公司,正在这样做。该公司预测,到2030年,全球化石燃料的绝对产量将继续增长,但其份额将下降。石油产量将在2040年达到峰值,但天然气产量将继续增长,到2050年与可再生能源的份额持平。因此,英荷石油公司壳牌正在扩大其天然气业务,在2016年收购了巴西BG集团,并投资将其天然气供应份额从50%增加到75%。该公司还在扩大其液化天然气业务,从目前的4100万吨/年的13个工厂,旨在成为世界上最大的液化天然气供应商。目前,该公司已是世界上天然气在能源结构中所占比例最高的公司,将继续领先。炼油业务从15年前的2.2亿吨/年(51家工厂)减少到2020年的1.5亿吨/年(15家工厂)。
在碳减排方面,英荷石油公司壳牌非常谨慎,要求每个部门都要核算净碳足迹。目前,世界单位能源消耗的平均碳强度为74克co2 /百万焦耳,到2050年实现碳中和时,将降至43克co2 /百万焦耳。壳牌,一家英荷石油公司,目前的碳强度高于平均水平,每百万焦耳83克二氧化碳,需要在2030年减少20%,在2050年减少50%,才能达到每百万焦耳41克二氧化碳的碳中和。
能源化工企业增加化工业务的另一途径是直接从原油中生产化工产品。传统炼油厂的化学产率仅为8%左右,传统炼油厂集成厂的化学产率为18%左右,原油直接产率为70%左右。
2014年,埃克森美孚在新加坡建造了一家乙烯工厂,每年生产100万吨乙烯,该工厂绕过炼油厂,将原油直接输送到乙烯裂解炉(经过改造的专用裂解炉),每吨比传统石脑油裂解乙烯多赚100至200美元。沙特基础工业公司在沙特阿拉伯2017年宣布了一项200亿美元的投资建设原油直接制造化学物质(COTC)项目,沙特轻质油为原料直接进入加氢裂化单元,高沸点组分的低沸点成分,然后蒸馏,深度催化裂化石油的重组,蒸汽裂解乙烯/丙烯等轻组分。这条路线主要生产丙烯,据说比传统的乙烯精炼厂每吨便宜200美元,但投资更大,预计将于2025年投产。
中国石油天然气集团公司已经朝着这个方向迈出了一步,将天然气在其能源产品结构中的份额从1999年的9%提高到2018年的41%。
中国清华大学化学工程系自21世纪初就开发了下床催化裂化技术,并在济南炼油厂进行了15万吨/年的工业试验。据说二烯+轻芳烃的产率可达58%,但还没有大规模的商业化生产。
发展氢能、煤化工企业转型具有优势。
氢工业将发挥越来越重要的作用。它的优点是:第一,它是最清洁的能源,在使用中零碳排放;其次,它可以直接储存和运输,也可以与有机化合物结合液化,然后运输到目的地,再次释放。其三,其制造成本逐渐下降,如果未来实施碳税,其竞争优势更加明显;第四,它可以弥补不容易电气化的领域,如航运、工业中的高温工序(钢铁、水泥、石化)等。
根据BP的预测,到2035年,氢能源将增长到每年5焦耳的容量,其中绿色、蓝色和灰色的氢各占三分之一。到2050年,每年将有25焦耳的产能,其中95%将是前两种类型的氢,5%将是灰色的。他们预测10%的工业能源将来自氢,主要来自中国和工业发达国家。就目前而言,日本似乎是领先者。日本千代田化学公司开发的一种以甲基环己烷为有机介质的氢能存储过程的商业示范装置已在文莱建成。以甲苯催化加氢得到的甲基环己烷为液氢载体,脱氢释放氢气。2020年,它已经从文莱向日本运送了210吨氢气。
中国是煤化工研发和产业化投入最大的国家,自主研发技术居世界前列,工业化规模在世界上独具一格。大连恒力石化有限公司是目前国内规模最大的2000万吨/年炼油芳烃生产50万立方米/小时制氢装置。煤气化成本最低(0.79元/m3),其次是天然气(1.5元/m3)、重油气化(1.6元/m3)、甲醇(1.9元/m3)、水电解(2.4元/m3)。在低油价、煤化工行业盈利困难的背景下,转向氢能行业是一个很好的方向,首先应该是煤改气、煤改油。
近日,中石化集团董事长张玉卓宣布,中石化将把氢能作为公司新能源的主要方向。“十四五”期间,计划建设1000座加氢站或油氢合成站,打造中国最大的氢能公司,力争比国家承诺提前10年实现碳中和。
节能减排,提高能源利用效率,消除甲烷排放。
中国节能减排的空间很大,从各国万元GDP消耗当量标准煤的对比可以看出。美国国内生产总值(GDP)的0.242吨标准煤/ 10000元,欧盟GDP的0.194吨标准煤/ 10000元,日本国内生产总值(GDP)的0.197吨标准煤/ 10000元,和英国是0.145吨标准煤/ 10000元GDP。世界平均水平为0.349吨标准煤/万元GDP,我国平均水平为0.519吨标准煤/万元GDP。我们都明白节能的重要性,但要做到这一点并不容易。毕竟,“十三五”规划提出的单位国内生产总值能耗降低15%的目标还没有实现。因此,节能减排不是一个技术问题,而是一个管理问题。在经济效益驱动的今天,节能减排的效益远未引起各级领导的重视。相比之下,以能源效率和减排为代价的损失很容易在其他方面得到弥补,比如产量的增加。因此,节能减排不能再被要求,而必须作为一项重大的国家政策来管理。
政府间气候变化专门委员会(ipcc)估计,20年后甲烷的全球变暖潜力(或变暖效应)是二氧化碳的84倍,100年后是二氧化碳的28倍。甲烷约占当前全球变暖的四分之一,仅次于二氧化碳。中国不仅是世界上最大的二氧化碳排放国,也是最大的甲烷排放国。2014年,中国甲烷排放量达5529万吨,其中能源活动甲烷排放量占44.8%。仅以较低的全球变暖潜力计算,中国2014年的甲烷排放总量相当于12亿吨二氧化碳(包括土地利用变化和林业)。
一些石油巨头的年度报告中提到了消除甲烷排放,因为石化行业是甲烷排放的主要贡献者。作为世界上最大的甲烷排放国,中国能源化工企业在碳中和战略中有义务消除甲烷排放。
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