中国实现碳中和的五大减排路径

来源: 国泰君安董琦
国君认为,光伏和风电前景广阔,发电行业的新能源革命将成为碳中和的中坚力量。

摘要

1)减排路线概览:三力齐发助达峰,技术突破达中和。

碳达峰路线图:我国需要将碳排峰值控制在104~110亿吨之间。在此期间,工业技改、能源结构、产业结构三大因素均衡发力,分别为碳达峰贡献18.7、15.5和11.7亿吨的减排量;

碳中和路线图:我国预计于2050年实现深度减排,碳排量降至20亿吨左右。该阶段技术进步成为减排核心驱动力,新能源革命开始接力,两者分别贡献78.2和50.1亿吨的减排量,负碳技术的作用也逐渐凸显。

2)工业技改降低能耗强度,是我国双碳目标的核心助力。绿色技改政策力度逐渐加码,电力、冶金、交运、化工、建材等高耗能行业的能源使用效率将大幅提升,成为我国实现双碳目标的核心助力;

3)碳市场促进产业结构低碳转型,重点助推我国碳达峰。碳交易背景下,采掘、高能耗制造、交运、建筑的产值占比将受到一定压缩,产业结构低碳转型助力我国快速达峰,碳中和阶段减排动能边际趋弱;

4)新能源革命优化能源结构,将成为碳中和的中坚力量。为实现碳中和目标,光伏设备和风电设备装机容量需分别提升至当前的17倍和12倍,储能行业也将迎来重大发展机遇,新能源革命助力电力行业深度脱碳,预计将成为碳中和的中坚力量;

5)负碳技术加速发展,为碳中和再添助力。农林碳汇持续发力,负碳排技术使碳中和成为可能;碳封存技术预计在2030年以后投资大幅提升,助力我国碳中和目标。

1、减排路线概览:三力齐发助达峰,技术突破达中和

碳达峰路线图:绿色技改先行,新能源革命初露端倪,碳交易助力产业结构低碳转型,三大因素均衡发力助力我国碳达峰。

根据我们的测算,在2030年碳达峰目标的约束下,我国预计未来十年只能增加4.4亿吨的能源相关碳排,碳达峰需要将能源相关碳排(Ce)控制在104.7亿吨,考虑到工业过程碳排(Cu)和森林碳汇(C-),实际达峰碳排量预计在104~110亿吨之间。在未来十年,我国经济将进入稳定发展阶段,GDP年均增长率进一步降至5%左右,经济增长(Δy)导致的碳排增加预计达50.3亿吨,相较于2007~2017年的63.5亿吨有所降低。

在减排动能方面,技术进步(ΔE)预计为我国碳达峰目标贡献18.7亿吨减排量,为实现这一部分的减排任务,我国在未来十年将加速推进绿色技改,例如:电炉钢、装配式建筑、新能源汽车等;能源结构的优化(ΔSe)在未来十年预计为我国贡献15.5亿吨的减排量,相较于2007~2012年的6.7亿吨出现了大幅提升,说明我国能源结构的转型升级需要加速,新能源革命初露端倪;产业结构的低碳化(ΔSy)是我国实现碳达峰的第三大减排动能,预计为我国贡献11.7亿吨的减排量,这一部分的贡献主要由于我国将推进全国碳市场,对于高耗能行业实施碳价规制,受政策规制的高耗能行业生产成本的提升将导致其产业规模受到一定的影响,最终实现产业结构的低碳转型。

碳中和路线图:技术进步成为减排核心驱动力,新能源革命接力后半程,经济进入高质量增长阶段。

根据我们的测算,在碳中和目标的约束下,我国在2030~2050年间需要将能源相关碳排(Ce)从104.7亿吨迅速降至16.7亿吨,叠加工业过程碳排(Cu),此时实际碳排量预计在20亿吨左右。在这一阶段,我国经济将进入高质量发展阶段,经济增速进一步放缓,预计年均GDP增速将低于4%,从而经济增长(Δy)导致的碳排增量也相对较低(62.4亿吨),相较于之前20年的113.8亿吨发生了显著降低。

在减排动能方面,技术进步(ΔE)将成为我国碳中和的核心驱动力,预计为我国贡献78.2亿吨的减排量,说明随着我国经济发展水平的进一步提升,能源使用效率将出现质的提升,环境库兹涅兹曲线开始进入下半程;能源结构(ΔSe)则将经历一场彻底的新能源革命,煤炭占比将大幅降低,清洁能源发电占据主导,新能源革命将助力我国碳中和,为我国实现50.1亿吨的减排贡献;随着技术水平的提升,负碳技术(C-)也开始发力,碳汇和碳吸收(CCUS)将帮助我国实现12.1亿吨的负碳排,为碳中和再添助力。

2、工业技改:电力、冶金、交运、化工、建材的绿色技改将成为我国双碳目标的核心驱动力

绿色技改政策力度逐渐加码,电力、冶金、交运、化工、建材等高耗能行业的能源使用效率将大幅提升,成为我国实现双碳目标的核心助力。

在碳达峰期间(2020~2030年),电力行业的能源使用效率将大幅提升,帮助我国实现9.5亿吨的碳减排,一方面是由于传统的火电企业在差别电价等环保政策的规制下,开始通过技术改进来获得市场竞争力,另一方面由于清洁能源发电的规模效应逐步体现,能耗强度随之降低。

在碳中和期间(2030~2050年),冶金和交运行业的技改效应开始凸显,其中冶金行业的技改在这一阶段贡献了18.53亿吨的碳排量,这主要得益于钢铁行业的电炉炼钢工艺的规模提升,以及富氧高炉技术的逐步完善;交运行业则通过技术改造为我国碳中和贡献了11.65亿吨的碳排量,这主要随着充电桩等基础设施的完善,新能源汽车在这一阶段的增长动能加速释放。此外,化工和建材行业的技改对于我国双碳目标的贡献作用也不容忽视,下面我们将重点结合政策梳理相关高耗能行业的技改方向。

电力技改:余热回收是工业节能重要方式之一,未来十年,电站余热锅炉市场空间有望超过500亿元。

余热资源是指在现有条件下可回收利用而未回收利用的能量,被认为是继煤、石油、天然气和水力之后的第五大常规能源。按其来源可分高温烟气余热等六类。这些余热资源可用于发电、驱动机械、加热或制冷等,因而能减少一次能源的消耗,并减轻对环境的热污染。在天然气集中式发电和区域分布式能源项目中,燃机余热锅炉是关键的能量回收装置,不可或缺,根据我们的测算,未来10年,仅电站余热锅炉新增市场容量就可达到500亿元以上,具备广阔的发展空间。

钢铁技改:政策引导锅炉以电替煤,电炉炼钢工艺占比预计逐年提升,有助于减少钢铁行业的能耗强度。

由于我国是煤炭生产大国,我国目前还是以长流程的焦炭炼钢为主,电炉炼钢仅占10%,远低于世界平均水平。为了尽快促进钢铁行业实现碳达峰,我国于去年12月出台了《关于推动钢铁工业高质量发展的指导意见(征求意见稿)》,提出到2025年电炉钢产量占粗钢总产量比例提升至15%以上,力争达到20%,废钢比达到30%,由于电炉炼钢不直接产生碳排,因而其占比提升将有助于减少钢铁行业的碳排强度。此外,富氧高炉等技术改造将进一步提升钢铁行业的能源使用效率。

交运技改:“十四五”期间新能源汽车销量有望翻四番,锂电池、充电桩等相关产业链将跟随进入跨越式发展阶段。

2020年10月,由工业和信息化部、中国汽车工程学会编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布。路线图预测,纯电动汽车和插电式混合动力汽车在2025年、2030年与2035年销量占汽车总销量有望分别达到15%~25%、30%~40%、50~60%,实现跨越式增长。此外,中汽协发布的《新能源汽车产业发展规划》也对新能源汽车销量做出了预测,按照2025年我国新能源汽车占新车总销量占比20%的目标推算,当年我国新能源汽车销量便有望达到600万辆。其上游的锂电池和下游的充电桩设备将受益于新能源汽车的发展,我国锂电池和充电桩目前的市场份额分别为243亿元和700亿元,预计在“十四五”期间将分别提升至972亿元和2800亿元。

建材技改:装配式建筑助力建筑行业的全产业链减排。

根据我们的测算,建筑行业的全产业链碳排放达到了36.5亿吨,其中建材的生产过程排放了大量的二氧化碳,因此,推动建筑产业链向绿色节能转型,也是碳达峰碳中和的必要举措。2020年7月住建部等七部委发布《关于印发绿色建筑创建行动方案的通知》,要求2022年当年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比要达到70%,装配化建造方式占比稳步提升,绿色建材应用进一步扩大。装配式建筑是最常见的绿色建筑,与现场浇筑建筑相比,在建材生产阶段与建筑施工阶段均能够通过集约化、机械化、规模化的生产及现场施工方式产生良好的碳排放量节约优势,预计能耗强度可降低25%~30%。

化工技改:化工行业大力发展氢化工,探索生物基高分子材料。

化工行业对石油、天然气化石能源依赖性强,生产过程产生大量二氧化碳。实现碳中和,一方面要积极推动氢化工,实现燃料端脱碳;另一方面要推动生物基高分子材料替代石化基材料,实现原料端脱碳。氢化工方面,与钢铁、水泥行业类似,氢化工有利于降低燃料燃烧碳排放。目前氢化工技术尚在突破阶段,未来技术突破主要在氢气制造、储藏和运输领域。生物基高分子材料方面,化工行业主要产品包括塑料、合成纤维和合成橡胶,塑料制品中的塑料瓶原料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),若用生物基高分子材料(淀粉基生物塑料等)进行可降解替代,对实现碳中和有利。使用生物基高分子材料替代传统化石燃料应用广泛、前景广阔,目前生物基高分子材料技术尚在探索阶段。

3、碳市场:碳交易背景下碳排放成为一种新的生产要素,碳价引导产业结构低碳转型

碳交易本质上就是对碳排放权进行定价,通过释放碳价信号,引导所有行业调整产业规模,实现产业结构低碳化。

碳交易是碳排放权的交易,政府设置一定时期的碳排放控制总量,再给排放者发放或拍卖排放权额度,并赋予排放权额度的买卖自由,因此碳排放权成为一种可以交易的商品。碳交易政策的作用机理主要包括三个阶段:成本推动、需求拉动、技术革新。首先,碳市场通过碳排放权交易出碳价信号,推升政策规制行业的价格,通过产业链的价格传导导致所有部门价格普涨;生产者纷纷提价之后,消费者根据其需求价格弹性相应地减少对高耗能行业产品的需求量,终端需求的缩减进一步拉动其上游行业总产出的下降;低碳化的需求选择倒逼企业进行技术改进,一方面采取低碳化的生产工艺,另一方面发展清洁的能源品种,最终实现低碳生产。

在我国碳市场背景下,采掘、高能耗制造、交运、建筑的生产规模将受到较为明显的压缩,预计其增加值占我国GDP的比重逐步降低,产业结构低碳转型助力我国双碳目标。

全国碳交易市场于今年年初已正式落地,初期以电力行业作为突破口,预计在“十四五”期间逐渐纳入其他七个高耗能行业。根据我们的测算,碳交易对于高耗能行业的规制将最终压缩整个高耗能产业链在我国国民经济中的产值占比。其中,受碳交易政策规制的高能耗制造(冶金、建材、化工、石化、造纸)、交运(航空)和公用事业(电力)的生产规模将受到压缩,在碳达峰窗口期其产业规模分别由11.8%、5.8%、2.5%下降至10.5%、5.1%、2.4%,此外其产业链上游的采掘业和下游的建筑业产值也将受到较大的冲击,分别由3.5%和6.9%下降至2.9%和6.1%,整体产业链将趋于低碳化,预计为我国碳达峰目标贡献11.7亿吨的减排量;而在后一阶段,随着新能源发电的普及,电力行业的产值规模预计有所回升,产业结构优化的减排动能边际趋弱,预计贡献9.96亿吨的减排量。

4、新能源革命:光伏、风电前景广阔,发电行业的新能源革命将成为碳中和的中坚力量

新能源技术:为实现“碳中和”目标,光伏设备和风电设备装机容量需分别提升至当前的17倍和12倍。

据全球能源互联网发展合作组织估算,中国实现“碳中和”,需要约35.5亿千瓦光伏资源量,目前我国光伏装机量规模约为2.1亿千瓦,为满足2060年光伏装机容量需求,供给至少需增长为当前的17倍。今年400余家风能企业代表联合发布的《风能北京宣言》提出,到2030年风电装机至少达到8亿千瓦,到2060年至少达到30亿千瓦。据国家应对气候变化战略研究所数据,我国当前风电装机容量约2.5亿千瓦,若2060年风能装机量按30亿千瓦算,是当前风能装机容量的12倍。

新能源革命助力电力行业深度脱碳,预计将成为碳中和的中坚力量。

根据我们的测算,在碳达峰阶段,我国非化石能源和天然气占比分别由16.0%和8.5%进一步提升至25.0%和13.0%,预计帮助我国实现15.46亿吨的减排贡献;而到了碳中和阶段,能源结构需要发生质的跃迁,为了实现碳中和目标,我国需要将非化石能源占比从25.0%提升至73.2%,同时化石能源占比全面降低,其中煤炭由45.0%骤降至9.1%,这一场新能源革命将助力电力行业深度脱碳,电力行业90.7%的发电量将由清洁能源提供,在这一阶段,能源结构的变革将成为我国碳中和的中坚力量,为我国贡献50.11亿吨的减排量。

5、负碳技术:农林碳汇持续发力,碳封存技术加速发展,为碳中和再添助力

农林碳汇持续发力,负碳排技术使碳中和成为可能。

近几次全国森林普查的结果看,新增森林中人工林的占比越来越高,占2009~2018年期间新增森林面积的83.8%。2020年12月,国家林草局副局长刘东生在国务院新闻办公室举行的新闻发布会上表示,目前“十四五”生态建设主要目标基本确定,力争到2025年全国森林覆盖率达到24.1%,森林蓄积量达到190亿立方米,草原综合植被盖度达到57%,湿地保护率达到55%,60%可治理沙化土地得到治理。即使到2050年以后工业生产过程实现了深度脱碳,但是无法实现完全零碳排,而负碳排技术使得碳中和成为可能,预计碳汇将为我国碳中和贡献7.0亿吨的减排量。

碳封存技术预计在2030年以后投资大幅提升,助力我国“碳中和”目标。

碳封存指通过碳捕集、利用与封存技术(简称CCUS或CCS),将二氧化碳从排放源中分离后收集起来,并用各种方法使用或者储存,以实现二氧化碳减排的技术过程,是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术。

根据《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019)》,截至2019年底,中国共开展了9个捕集示范项目,12个地质利用与封存项目,其中包含了10个全流程示范项目。不包括传统化工利用,所有CCUS项目的累计二氧化碳封存量约为200万吨,封存量仅为年排放量的万分之一。

根据《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》(清华大学气候变化与可持续发展研究院,2020)的测算,在2℃减排情景下,2050年中国需要通过碳封存来吸收的碳排量为5.1亿吨,无论是从需要的固碳量,还是从需要固碳的比例来看,中国都必须大力推广技术固碳。

目前,中国CCUS技术的全流程成本差异较大,从120元/吨到800元/吨不等。在不考虑技术进步带动成本下降的情况下,按成本区间中值460元/吨来估算,2050年中国CCUS项目的运营成本在2300亿到4500亿之间。

本文作者:董琦,来源:国君宏观研究,原文标题《【国君宏观】碳中和路线图推断及产业变迁推演——碳中和系列报告(三)
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