化工双碳之一：没有经济性的低碳项目没有可持续性

我2007年工作正好遇到就职的B化工公司启动Climate Program项目，这个集团性项目的目标为：到2020年，公司吨产品的碳足迹（carbon footprint）相较基准年2005年降低25%。这个项目类似于这几年火热的碳达峰和碳中和项目，该项目持续了近10年，我工作前5年几乎50%的工作与这个项目相关。这个项目当然是成功的，最初的目标实现了。在这个项目中，我学习和掌握了国际领先化工公司节能减排的系统化方法，能源与碳排放管理方法和信息化系统，产品全生命周期碳足迹评估方法（Life Cycle Assessment)等。这些化工企业CO2管理方法，在2010年由WILEY-VCH出版的《Managing CO2 Emissions in the Chemical Industry》一书有详细论述。

我离开B公司之后，作为乙方也负责了数个化工客户的节能减碳项目。就我的工作经验和已经公开的文献，写一个关于化工企业节能减碳方法和双碳的系列文章。

一、双碳战略对化工企业即是挑战也是机遇

知乎上有大量关于欧美提出碳中和是不是阳谋的讨论，本文不展开讨论是不是阳谋，但碳中和对中国的未来发展路径确实有重大影响。欧美虽然从环境问题提出碳中和，但是碳中和的本质是国家发展权问题。一个国家的能耗和碳排放总量与其工业化发展水平强正相关，历史上全世界范围内任何一个国家的工业化发展阶段都是通过高能耗发展过来的。欧美发达国家已经完成工业化阶段，实现了高能耗工业的全球转移，并在能源利用效率以及清洁能源上取得先发技术优势。此时，碳中和以及碳边境税（CBAM），显然是插入到发展中国家的一颗“智子”，将经济发展锁定在发展阶段。中国政府承诺2060年实现碳中和，这对中国发展是挑战，也是发展转型机遇。机遇在于，通过发展自给自足的新能源，摆脱能源对外依存度过高的困境，实现能源安全。

化工工业处于整个工业体系中上游，为工业提供基本原材料。化工过程是实现物质与能量转化的过程，属于资源密集与能量密集行业。既然中国政府提出碳达峰碳中和的30/60目标，化工行业作为碳排放大户，双碳成为化工企业发展转型的必然选择。今年Chinaplas国际橡塑展上，所有国外和国内塑料原材料大厂的主题都是循环和低碳，纷纷公布出自己的双碳目标，有雄心的企业提出比国家2060碳中和更雄伟的目标：大约在2050年达到碳中和（范围1+范围2）。国家层面的双碳目标，对化工企业同样既是挑战和压力，也是机遇。说是挑战和压力，是因为到今天为止，企业层面还没有确定性和经济性的碳中和技术方案；说是机遇，碳中和是一项综合性的技术革新和创新，跟不上步伐的企业就要出局，为技术领先的企业创造了机遇。

 

领先的化工企业提出雄心目标当然是好事，但是在没有可靠的技术实现方案的前提下，化工企业实施一个一个减碳项目时，一定要考虑项目经济性，不能用小规模探索性但严重缺乏经济效益的低碳项目个例大做文章搞宣传，误导老百姓。对于竞争市场下的企业，没有经济性的低碳发展没有可持续性，市场化企业不可能在无法规约束下长期亏钱来追求低碳。只有将低碳项目做成有效益的盈利项目，对企业才有真正的吸引力，低碳发展才有可持续性。当然，探索性和示范性的低碳项目从科学研究和技术发展上是必要的，这种非市场化行为不在本文讨论范围内。

二、提高能源使用效率和使用绿色原料是化工企业低碳的发力方向

国家层面作出碳中和的战略，化工企业当然要顺应战略要求，化工企业在追求利润和盈利的同时，也要承担起可持续发展的社会责任，从企业自身生产做到减碳和低碳。化工企业要减碳甚至碳中和，无非三个主要方向：

1.通过企业外部国家层面的能源转型，生产中使用低碳甚至无碳的风光水能源和核电能源；

2.通过企业内部的生产技术创新提高能源效率，减少吨产品的能源消耗；

3.通过产品工艺路线创新使用绿氢、生物质原料或以废旧材料循环作为原料，减少产品原料的碳足迹（即质量平衡法）。

方向1是化工企业外部的事情，化工企业不是能源企业，能源结构转型交给专业的能源企业来负责。化工企业只需在绿色能源成本可行的条件下，多使用绿色能源，但前提是绿色能源供应稳定、价格相对传统能源有竞争力。

方向2和方向3才是化工企业自身在减碳上发力方向。

化工企业应该首先通过节能和提高能源效率来减少碳排放。例如，在生产过程中采用先进的节能工艺和设备，优化生产流程和工艺，提高能源回收，提升能源管理水平和减少能源浪费，提高能源利用效率，从而降低生产过程中的碳排放。根据我这些年的工作经验，中国大部分化工企业的能源使用粗放，在经济可行的技术优化和改造后，基本可以做到10-20%的能源降低，能源管理较差的化工企业甚至可以做到能源降低30%。我非常认同一句话：“节省下来的能源是最绿色的能源”。另外，能源成本是化工企业排原料成本之后的第二成本源，节能意味降低生产成本、提高企业利润，将绿色变成利润（Green To Gold）。所以通过节能和提高能源效率是化工企业低碳发展的第一选项，同时达到社会效益和经济效益。

使用绿色原料代替化石原料，可以降低范围3 的碳排放，企业应结合工艺自身特点，予以创新和发展。例如，如果生产工艺需要大量氧气和氢气，如合成甲醇工艺，既需要氧气作为煤气化原料、也需要氢气作为甲醇合成原料。这时，利用风光绿电电解水产生氧气和氢气，这就是绿氧和绿氢，作为生产原料，降低原料的碳足迹。这个工艺路线在一些煤化工公司已有实践。但也面临技术问题，例如风光电是不稳定的，绿氢供应随之不稳定，原料不稳定是化工装置平稳运行的大敌。生产装置如何“随风而动”，先进控制以及实时优化技术等先进制造技术大有可为，我的朋友张健Jim团队做了大量工作。

至于生物原料路线，目前在成本和效率上还无法与石油原料路线竞争，还有很长的路要走。即使很多公司在宣传应用了“质量平衡法”（Mass-Balance Approach）生产化工原材料，只有极低比例的产品产量符合标准。在未来原油枯竭或者原油成本急剧提高后，生物原料路线便有了竞争力。

从对碳中和贡献量来看，提高能源效率只能减少能源使用，化工企业平均能够减少大约20%的碳排量；要实现碳中和，剩余的80%碳减排需要依靠能源结构转型的绿色能源以及绿色能源产生的绿氢、绿氧，甚至很大程度上依靠核聚变技术的商业化成功。如前所说，能源结构转型不是化工企业自身决定的，化工企业实现碳中和的决定因素还是取决于外部的国家层面的能源结构转型。

三、低碳项目要考虑经济性--既要低碳也要效益

作为市场个体，效益和盈利是化工企业首先要追求的目标，没有效益企业就无法生存，就谈不上社会责任。在追求双碳目标的过程中，化工企业必须要考虑到经济性的问题。双碳目标的实现需要大量的资金投入和技术支持，而这些投入的成本必须在企业的承受范围之内，否则将会对企业的长期发展造成严重影响。因此，化工企业在制定双碳目标时，必须充分考虑到企业的经济实力和市场环境，避免过于激进的目标设定导致企业陷入困境。

每个节能低碳项目都是一个投资项目，需要对每一个节能减碳方案进行技术可行性评估与经济可行性评估，技术可行性包含技术成熟度以及现场实施的可行性，经济可行性主要包含项目年化收益、项目投资额以及投资回收期，需要符合公司财务要求。根据技术可行性与经济可行性，采用气泡图将所有方案分为四类，如下图表示，图中气泡的大小表示效益，经济可行性（Profitability）表示投资回收期（单位为年）。通过这种可视化表达方式，很容易对所有节能减碳方案进行优先级排序，供公司领导决策。

化工企业碳中和应聚焦在能源源头和使用过程中减碳，少在排放出的CO2上做文章。现在CO2的回收利用在世界范围成为一个越来越热门的领域，大大小小的创新公司都在竞相推销令人眼花缭乱的二氧化碳回收利用技术。我对这些在排放出的CO2上做文章的减碳方案感到无法理解，这些方案违反我所学的化工热力学基本原理。CO2作为化学势极低和非常稳定的物质，除了变成碳酸盐，CO2的转化利用需要消耗大量额外能量。CO2转化为燃料，用全生命周期分析LCA和基本的化工热力学分析可知，生产过程消耗的能源比燃料自身的能源还高。从空气中富集CO2来回收利用或者封存，更是无厘头，大气中的CO2含量只有400PPM，通过分离提纯得到富集的CO2，能耗和成本惊人，据报道“以这种方式封存一吨二氧化碳的成本为600-800美元”。这些项目都提出利用绿色无碳能源作为驱动动力，从全生命周期LCA上看，这些方式确实是可以减碳。但是，这些绿色能源不是免费的或者无价值的，绿色能源有其他更高效的利用方式，何必浪费在这些激进但低效的减碳方式上？

2022年3月《自然》新闻特写版块发表了一篇文章"The race to upcycle CO2 into fuels, concrete and more", 知乎上有翻译版“企业正争先恐后地将温室气体转化为有用的产品——但这能减缓气候变化吗？”（请读者自行在互联网查找这篇文章的中英文版）。这篇文章值得化工企业碳中和的从业者仔细读一读。这篇文章指出，“在制造燃料和其他化学品方面，目前大多数二氧化碳衍生产品都比传统竞争对手更昂贵”，然后又指出，“不过，如果这些产品能够利用低成本的可再生电力，以及享受旨在让世界摆脱化石资源的减税、补贴和配额政策，它们仍然具有强大的商业价值。”也就是说，要想使这些项目盈利，必须依靠政府补贴。根据全球碳预算组织的数据，2022年，全球CO2排放量为341.7亿吨；2022年，中国大陆CO2排放量为114亿吨。如果每吨CO2回收利用的补贴为200元，没有一个国家能够补贴得起这种减碳方式。我非常赞同文章中的一句话：“与其把二氧化碳变成别的东西，我们可以花更少的钱来避免掉其中许多排放。”

或许，这些CO2回收利用技术是为人类移民火星准备的，火星上没有化石能源，火星大气的主要成分是CO2，所以在火星上获取碳源的方式只能从火星大气中富集CO2。

四、结论

经济性是化工企业做任何投资必须要考虑的重要因素。化工企业在推进双碳目标的过程中，寻找那些既能够降低碳排放，又具备经济可行性的解决方案。只有那些具备良好投资回报比的低碳技术和项目，才能赢得市场和企业的认可和支持，从而实现可持续的低碳发展。

当前阶段，化工企业应该将节能减碳、提高能源效率作为企业层面双碳战略的首选，其次根据绿电成本和自身工艺条件，采购绿电代替传统火电，在原料结构上方多应用绿氢和绿氧。

只有具有经济效益的低碳技术和方案，才能打败和自然取代传统能源路线，化工企业低碳发展才有可持续性。

减碳和碳中和也要考虑成本和效率。