“双碳”背景下碳排放核算法及策略分析———以铜铝行业为例

2021年10月，习近平主席出席《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会并发表讲话指出，“为了推动碳达峰、碳中和目标的实现，中国将陆续发布重点领域和行业碳达峰实施方案和一系列支撑保障措施，构建起碳达峰、碳中和“１＋Ｎ”政策体系。”随着上述政策体系和行动方案框架的完善，“碳达峰、碳中和”战略势必将成为影响我国未来40年的至关重要的发展战略。作为典型的高能耗和高排放行业，铜、铝行业的减排、达峰必将影响到国家战略的全局。学者专家首先对国家双碳政策实施的路径进行了多方面多角度的分析。2021年10月24日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确十大重点任务，其中第一条便是制定能源、钢铁、有色金属、石化化工、建材、交通、建筑等行业和领域碳达峰的实施方案。刘诚等对铜冶炼的碳排放量进行了系统的核算与分析，比较了碳排放核算与能耗核算的关系，对排放因子取值等方面提出标准修订建议。倪阳利用文献分析法对拜耳法生产氧化铝过程碳排放进行核算。卢浩浩等采用物质流分析和生命周期评价方法，基于存量水平、技术水平和能源结构设置了15种情景，研究了我国铝工业1990～2010年的能耗和碳排放量，探索不同路径下的节能减排潜力，得出在所有情景下，铝工业都可实现能耗和碳排放在2030年前达峰的目标。本文在阐述碳排放核算的方法、步骤的基础上，以铜冶炼企业和电解铝厂为例，分别对铜、铝企业的碳排放量进行核算。

１ 核算方法

按照发改委发布的温室气体排放核算方法与报告指南，以下逐个步骤介绍核算的主要流程，对修改或调整处做出说明。１）确定企业生产边界核算的主体以企业法人为边界。由于不同企业的性质差异较大，在计算时优先选择具有代表性的企业，同时对于运输、储存等环节产生的温室气体排放量做简化处理。２）确定应核算的排放源和气体种类根据IPCC和发改委指南，工业生产的排放源主要涉及能源使用、工业过程和废弃物排放三部分。３）识别流入流出企业边界的碳源流及其类别如图1所示，碳流入涉及化石燃料燃烧、原料使用、电力和热力输入三类，碳流出涉及主产品、联产产品和副产品生产、废弃物排放和电力与热力输出三类。由于废弃物的碳排放量占比极小，传统方法的计算过程繁琐且结果不准确，本文选择省略。

 

４）收集各个碳源流的活动水平数据活动数据主要涉及燃料和原料的消耗量，直接取决于生产设备和工艺，本文优先选择具有代表性的大型生产设备和主流生产工艺，并参考行业经验数据进行调整。５）选择和获取排放因子数据IPCC提供的排放因子数据多数是基于发达国家的工业水平，和我国的现状不符，所以文中优先采用国内权威机构发布的排放因子数据。６）依据相应的公式分排放源核算各种温室气体的排放量在确定了主体的碳源流后，总的碳排放量E_A（单位tce）为所有核算单元碳流入与碳流出的求和，通用表达式为：

 

式中，i为核算单元编号，E_F表示燃料燃烧产生的碳排放量；E_P表示工业生产过程中所有产品（包括废弃物）的碳排放量；E_PE表示购入电力产生的碳排放量；E_PH表示购入热力产生的碳排放量; E_OE表示自备电力部分在输出时产生的碳排放量；E_OH表示输出热力部分产生的碳排放量；E_R表示外购电力部分在输出时产生的碳排放量。燃料燃烧同时提供热力和电力，热力碳排放量一般和电力合并在一起，而回收产生的碳排放量不宜获取，核算公式修改为：

 

其中碳排放量核算优先采用碳排放因子法，即Ｅ＝ ＡＤ ×ＥＦ式中，AD表示为核算期内生产过程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及购入或输出的电量，气体燃料单位为万立方米（10⁴m³，标态，下同），固体或液体燃料单位为吨（ｔ）。EF为碳排放因子，主要来源于国内各行业协会实际测量值。对于复杂工艺，或者没有准确排放因子的情况，则采用质量平衡法计算碳排放量，即：Ｅ＝ＡＤ×ＣＣ×ＯＦ×４４/１２（１）式中，CC为含碳量，单位为吨碳每吨（tＣ/t），对气体燃料，单位为吨碳每万立方米（tＣ/（10⁴m³））；OF为石化燃料的碳氧化率（％），CC与OF的数值均来自核算国标的附录《常见石化燃料特性参数推荐值》；44/12代表二氧化碳与碳的相对分子质量之比。公式省略了二氧化碳全球变暖潜势CWPCO₂，由于该值固定取１，此处省略。常见燃料的碳排放因子参考表１，可以看到，含碳量的单位为tＣ/ＧＪ，需要与低位发热值相乘才能得到公式（１）中的含碳量值CC。

 

７）核算净购入的电力和热力导致的二氧化碳排放量一般情况下，大型生产企业常自备电力，在核算碳排放量时仅计算净购入电力的部分即可。８）汇总计算企业温室气体排放总量碳排放核算过程如图2所示。

 

２ 铜行业核算法

中国目前是全球最大的精炼铜产量和消费量国家，产业链分布见图３，其中电力板块需求占比达到48％，其次是家电板块占比16％。火法（闪速）冶炼工艺是目前精炼铜最主要的生产方式。国内的铜冶炼和压延加工业企业核算碳排放量的方法参考《其他有色金属冶炼及压延加工业企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》。具体核算示意图见文献，有色金属行业二氧化碳主要由能源消耗引起，95％以上的碳排放量来自于能源消耗，生产过程中基本没有二氧化碳产生。以西北某铜冶炼企业Ａ为例，核算铜冶炼企业碳排放量。由经验数据显示，铜冶炼企业热力消费和生产过程产生的碳排量占比极低，因此将铜冶炼及压延加工的碳排放量计算公式简化为三部分，即净购入电力、燃料燃烧、能源产生的二氧化碳排放之和。其中，净购入电力的碳排放因子选取生态环境部的数据0.6101；企业消耗天然气所产生的二氧化碳，对应排放因子采用文献的推荐值21.622。该铜冶炼企业铜年产量14.6万t，根据企业实际的年消耗量和以上选择的参数，燃料燃烧、净购入电力和能源作为原材料用途三个主要环节的碳排放量计算如表2所示。经测算，该铜冶炼企业每年碳排放量规模为16.2万t，其中外购电力碳排放占比87％，燃料燃烧碳排放占比11.1％。按照14.6万t的产量计算，单吨铜的碳排放量为1.11t。根据中国有色金属工业协会统计，有色金属行业二氧化碳碳排放量约6.6亿t，仅占全国总排放量的4.7％，其中铜工业贡献的碳排放量占有色金属行业总排放量的不足10％，因此在国家推进“碳达峰、碳中和”发展战略过程中，对铜产量影响相对有限（数据来源：有色金属工业协会副秘书长杨云博：预计有色金属行业碳排放峰值将于2025年后达到峰值为7.5亿t左右；

 

 

３ 铝行业核算法

铝工业是国民经济的重要支柱产业，它的可持续发展对国民经济有着重要的促进作用；同时，铝工业和铜工业一样是高能耗高碳排放工业。铝制品目前广泛应用各个领域，特别是铝合金材料被广泛用于国防军工部门以及航空部门，具有高强度的铝缆在电力传输行业中也得到广泛应用，汽车制造业、日用百货、家用电器、机械设备等同样需要使用大量的铝。冰晶石—氧化铝熔盐电解法是生产铝的主要工艺。原料为氧化铝，冰晶石为电解质，炭素为预焙阳极。向电解槽两极通入直流电后，在阴极生成熔融状态的铝，同时在阳极生成二氧化碳和一氧化碳气体。定期从电解槽中抽出熔融铝，加入其它调配成分，或直接净化后铸锭。电解质中除了冰晶石（约80％）外，还有氟化铝（约6％～12％）、氧化铝 （约4％）和一些用来调整与改善电解质性质的氟化物添加剂（约５％～７％）。2020年全年，国内铝土矿—氧化铝—电解铝产业链的碳排放总量约5.6亿ｔ，占国内碳排放总量的约６％，远远高于铜、锌、铅等其他有色金属产业链。电解铝生产过程中的碳排放主要来自两方面：一是电解时对于电力的消耗（约86％）；二是电解过程中阳极消耗和阳极效应产生的碳排放。国家统计局数据显示,2020年国内电解铝总产量为3724万ｔ，假设每吨电解铝耗电13500kwh，则2020年电解铝行业总耗电规模达5028亿kwh ，约占全社会总用电量的6.7％，其中火电占电解铝用电总量的86％，水电等新能源占14％。为了进一步阐述电解铝行业碳排放情况，以某电解铝厂Ｂ为例，参考《温室气体排放核算与报告要求第4部分：铝冶炼行业》中的碳边界核算的方法，测算该企业的碳排放量数据。首先，确认该企业的生产边界，即生产系统所产生的温室气体排放。其次，确定该企业的碳排放源，包括燃料燃烧、能源作为原材料用途、生产过程排放、净购入电力、热力四方面。基于上述理论方法，铝冶炼企业温室气体的核算边界，具体分析该企业每个碳排放源，并进行必要调整后，计算该企业碳排放总量。１）燃料燃烧，该企业使用的液体燃料（燃料油、柴油）以及气体燃料（天然气）产生的碳排放量；２）能源作为原材料用途，即该企业炭阳极消耗所产生的碳排放量。根据该企业对每批次的碳阳极进行抽样检测并取年度平均值，得到该企业吨铝炭阳极净耗量为0.41t，炭阳极平均含硫量为1.5％，炭阳极平均灰分含量为0.3％，由此得出碳阳极的碳排放因子为0.41×（１-1.5％－0.3％）×44÷12＝1.48；３）生产过程，即该企业生产中，阳极效应产生的碳排放量与碳酸盐分解产生的排放量之和，扣除碳回收利用量。根据该企业实测，平均每天每槽阳极效应持续时间为0.1min，采用国际通用的斜率法经验公式，得出四氟化碳的排放因子为0.143×0.1=0.0143，六氟化二碳的排放因子为0.1×0.0143＝0.00143；４）净购入电力、热力，其中电力碳排放因子采用2021年生态环境部规定的0.6101；热力排放因子采用推荐值0.11。综上所述，该电解铝企业年产能为40万t，根据企业实际的年消耗量和以上选择的碳排放计算参数，碳排放量计算见表３。从表3可知，该电解铝企业年碳排放量为414.07万t，其中，净购入电力碳排放占比82％，生产过程氟化物占比14％。按照40万t的产量计算，单吨电解铝的碳排放量为10.4ｔ。

 

４ 铜领域减排策略分析：新能源产业升级，铜需求成长空间打开

有色金属行业作为国家重点关注的六大高排放行业之一，根据正在征求意见的《有色金属行业碳达峰实施方案》中初步提出方案，到2025年，有色金属行业力争率先实现碳达峰；2040年，力争实现减碳40％。根据我国的有色网测算，铜冶炼占有色行业碳排放量的1.68％。

４.1 双碳战略对铜供给影响甚微

从供给端看，铜冶炼企业在“碳达峰、碳中和”工作部署下，对产量的影响具体体现在电力价格和碳排放额度管理两方面。电力价格方面，电价的调整理论上将会对企业成本产生一定的影响。以2020年内蒙古、甘肃两省区对有色金属行业中电解铝和锌冶炼实施差别化电价政策中，其中限制类加价0.1元/kwh，淘汰类加价0.3元/kwh为参考。若以吨铜耗电1200～1500kwh估算，0.02元/kwh电价变动将会导致24～30元成本差异，但抬升幅度仅有0.7％，对产量并不构成威胁。而且根据国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录（2019年本）》，单系列10万ｔ/ａ规模以下粗铜冶炼项目（再生铜项目及氧化矿直接浸出项目除外）被列为限制类；鼓风炉、电炉、反射炉炼铜工艺及设备被列为淘汰类，但目前该两类产业已完全退出国内市场，因此从限产角度，精铜产量也难以受到影响。在碳排放额度方面，根据之前的测算，目前吨铜的碳排放量大约在1~３t，温室气体排放量超过重点排放单位标准的较少，且若是通过购买碳配额进行生产，铜的成本增加大约也仅有100元/ｔ，对铜价的实质性影响甚微。

４.２ 受益于“碳达峰、碳中和”，铜下游需求多板块增长

在风电方面，铜在风电的具体应用组件为：塔筒电缆、机组内部升压器、机组外部升压器、风电场内部电缆、电机、开关设备、控制电线和电缆、接地电线和电缆等。对于海上风电来说，各组件的铜使用强度均较陆上风电有所提升，尤其是电缆的铜用量占比可高达59％。尽管不同技术对铜使用强度也略有影响，但由于电机和增速箱用铜量在风电场整体的比例不高，约８％～21％，整体影响有限。对铜使用强度最重要的影响因素是在陆上新装还是海上新装，根据 Ｗｏｏｄ Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ报告，陆上风电每兆瓦装机需要消耗5.4t铜，海上风电每兆瓦装机需要消耗15.3t铜。结合上文的风电装机量测算，未来5年风电用铜量见表4所示，累计将达到150.2万t。光伏方面，光伏发电系统由光伏组件和平衡系统（BOS）两部分构成，铜的应用主要集中在平衡系统中，尤其是电缆。根据 Ｗｏｏｄ Ｍａｃｋｅｎｚｉｅ报告，光伏系统每兆瓦装机需耗铜5t。根据上文的光伏装机量测算和用单位铜量，未来5年光伏用铜量见表4所示，累计将达到155万t。特高压建设尤其是交流电特高压的技术安全性和经济性一直存在着争议，从核准进度来看，2017年出现了明显的放缓，但在2018年9月，国家能源局核发《关于加快推进一批输变电重点工程规划建设工作的通知》，随后特高压建设在此出现了明显的加速。2021年8月31日，国家能源局发布贯彻落实中央生态环境保护督察报告反馈问题整改方案中对于特高压也表示了未来特高压将继续保持高强度建设，输送新能源占比将大幅上升。在2021能源电力转型国际论坛上，国家电网董事长辛保安表示，未来五年，为了推进电网转型升级，国家电网计划投入3500亿美元（约合人民币2.3万亿元）。此外，国家电网在《“碳达峰、碳中和”行动方案》中也表示，将在“十四五”期间将建成7回特高压直流。国家电网到2025年，经营区跨省跨区输电输送清洁能源占比达到50％，输电能力达到3.0亿kw。在特高压上用铜量最大的是变电站，其中包括一些线路的铺设和变压器的使用。根据经验数据，一个变电站内大约安装３～６个变压器，耗铜量在300～600ｔ，1000km的特高压项目约有4个变电站，未来5年特高压用铜量累计将达到5.36万t。新能源汽车方面，新能源汽车在传统汽车的基础之上，铜使用量在各个方面均有所增加，尤其是“三电系统”：电池、电机、电控。根据 ＣｏｐｐｅｒＡｌｌｉａｎｃｅ数据，一辆燃油车的铜需求量一般在23kg左右，混合动力汽车约为40kg，插电式汽车约为60kg，纯电动汽车约为83kg，混合动力公交车约为89kg，全电动公交车在224～369kg。除了新能源汽车自身以外，配套充电桩会带动铜需求，主要用铜部件包括电线电缆、充电机模块、接插件以及各种开关。根据上海有色金属网数据，单个家用充电桩用铜量约2kg，公共交流慢充用铜量为7kg，公共直流快充用铜量为25kg。新能源汽车领域未来5年用铜量见表4所示，累计将达到229.6万t。在碳中和的政策背景下，中国铜的产量影响有限，但需求端存在着巨大的增长潜力。国内精铜供需情况如表4所示，未来５至10年铜缺口将进一步扩大。虽然目前我国部分铜消费来源于进口，但目前在全球碳中和的环境下，国际铜的需求也在不断增加，预计国内铜供需结构将持续维持紧平衡。

 

４.3 铜价中枢抬升对下游企业压力较大

由于碳中和对于铜的需求端影响要明显大于供给端，且铜价整体驱动向下，因此下游用铜企业将面临较大的压力。以家电行业中单件用铜量最高的空调企业为例，根据《产业在线》公开的2020年度空调品牌内销销量数据显示，四大龙头企业行业占比分别为36.9％、31.9％、10％和3.8％，合计占全行业超过80％。通过对四大龙头企业因素状况进行分析，四大龙头企业原材料在营业成本中占比分别为86.90％、84.47％、83.20％、91.92％。可以很明确地看到，整个家电行业在营业成本中，原材料占比处于绝对主导位置。如果原材料价格持续上涨且无任何风险对冲，必将会对公司的经营业绩产生一定影响。

５ 铝领域减排策略分析：火电铝成本压力加大，产能结构转移迫在眉睫

2021年2月国际铝业协会（IAI）发布了《2050年全球铝业温室气体 减排路径》报告（见表５、６），2018年全球对铝的需求为95Ｍt，温 室气体排放11.27Ｍt；2050年对铝的需求为150～172Ｍt，温室气体排放2.5亿t。对于铝行业而言，较为可行的行业减排的路径见表７。

 

 

 

５.1 能耗指标大幅下降的空间有限

目前，电解铝生产工艺仍为冰晶石—氧化铝熔盐电解法，产业链见图４。经过100多年来的工艺持续优化，氧化铝、电解铝生产工艺指标潜力挖掘已接近极限，在生产工艺没有发生颠覆性改变的条件下，铝冶炼各项指标下降空间有限。

 

５.2 对新能源的利用

科技进步和新能源大规模化发展将促使新能源发电成本快速降低，而电解铝生产成本对电价非常敏感。例如我国西北地区，由于得天独厚的地理位置和环境，风电和光伏发电成本处于全国领先地位，未来电价竞争性极强。青海、甘肃等西北地区的电解铝生产，由于大量使用新能源，显著提升了成本方面的竞争力。预计未来西北地区的新能源装机数量将逐步增加，形成以新能源为主、水电为补充、煤电为调节的能源结构，使火电铝转型为水电铝，进一步转型为风光铝。在保证电解铝产能的前提下，新能源发电富集区域做好承接火电铝向水电铝和风光铝转移的准备，慢慢降低整个电解铝产业链碳排放总量，最终实现电解铝行业碳中和。

５.3 碳中和对电解铝供需平衡影响

“碳达峰、碳中和”背景下，“高耗能、高排放”的电解铝产业链将面临巨大减排压力，目前国内电解铝4500万t产能天花板几乎没有打破的可能，电解铝供给弹性大大降低。虽然供给端受限严重，但需求端却有望迎来前所未有的发展。中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线２.0》中提出，汽车轻量化是节能汽车、新能源汽车与智能网联汽车的共性基础技术。目前来说，铝及铝加工品是车辆实现轻量化的最理想材料，在此趋势下，国内单车用铝量有较大提升空间，带动电解铝需求的增长（表８）。

 

光伏发电的高速发展亦会带动电解铝需求，光伏用铝主要为光伏组件的边框和光伏支架。光伏边框主要是用来加固、密封太阳能电池组件，提高组件强度，延长组件使用寿命，同时也便于组件的运输和安装。光伏支架主要用于光伏发电系统的安装过程，铝合金型材是用于制造光伏支架的主要材料之一。综上所述，一方面，“碳达峰、碳中和”有望驱动国内火电铝生产产能受限、生产成本提升，从而促进电解铝产业能源转型；另一方面，“碳达峰、碳中和”激发铝材大量的新兴需求4500万t产能上限使国内电解铝供给弹性逐渐消失，随着需求量的逐步扩大，供需格局将日益紧张，未来铝价中枢有望逐步抬升。以某电解铝公司为例，简要分析碳排放权带来企业生产成本的提升对于企业净利润的影响。公司2020年电解铝产品收入40.8亿元，成本34.2亿元，销量36.9万t，其电力结构均为火电，假设使用火电与水电生产1t电解铝在电力环节的碳排放差异为11.2t，碳排放交易价格基准价格为50元/ｔ，则碳排放权价格与电解铝价格变动对于 企业净 利 润的影响如表9所示。可以看出，碳排放交易之后，在铝价不变的情况下，火电铝企业的净 利润至少会损失30％以上，并随着碳排放权价格上涨而加大损失。

 

６ 结语

有色金属行业是关乎我国经济建设和社会发展的重要工业部门，其产量和消费量一直位居世界前列；铜的产业链分布主要集中在电力板块和家电板块，铜冶炼及压延加工的碳排放量主要源于即净购入电力、燃料燃烧、能源产生的二氧化碳排放之和。铜工业贡献的碳排放量占有色金属行业总排放量的不足10％，在国家推进双碳战略过程中，对铜产量的影响具体体现在电力价格和碳排放额度管理两方面，影响相对有限，受益于“碳达峰、碳中和”，铜下游多板块如风电、光伏、新能源汽车需求增长，铜价中枢抬升对下游企业压力较大，新能源产业升级是铜领域实现减排目标下的有效路径。相对于铜金属来说，铝工业是有色行业最大的二氧化碳排放源，探索铝工业碳减排路径对实现双碳目标十分重要，火电铝成本压力加大，能耗指标大幅下降的空间有限，产能结构转移迫在眉睫，科技进步和新能源大规模化发展将逐步降低整个电解铝产业链碳排放总量，最终实现电解铝行业碳中和。在双碳愿景下，针对有色金属行业的特点，依靠科技进步，采取一系列节能减排措施，努力减少有色金属行业的碳排放，促进中国有色工业产业优化升级和绿色发展。