執行摘要

在2015年的巴黎協定中，成員國同意將全球變暖限制在2℃以內，而不是限定為工業化以前。這就表明到2050年溫室氣體的排放將會與1990年相比減少80~90%。因為2014年工業部門排放的溫室氣體（GHG）在全球溫室氣體排放中的占比達28%，因此為了實現這一目標，必須采取脫碳的措施。工業場所的生命周期較長，因而需要通過升級和替代這些設施以實現碳減排，并且需要提前進行規劃和投資。

麥肯錫公司調查了工業部門脫碳的過程，尤其是在水泥、鋼鐵、乙烯和合成氨部門。這樣選擇的原因是這些部門碳排放很難削減，同時與其他部門相比，這些部門原料和高溫加熱的排放占比也相對較高。通過總結認為，工業部門脫碳即使在技術和經濟上存在障礙，但是其在技術上是可行的。而且脫碳的成本將會驅動和影響廣泛的能源系統。

工業部門既是全球經濟的動力室，同時也是溫室氣體排放的主要排放機

工業部門是全球財富、繁榮和社會價值的至關重要的來源。工業企業提供了全球1/4的GDP和就業，同時其制造的材料和商品也是我們日常生活的必需品，例如化肥支持了全球逐漸增長的人口，鋼鐵和塑料供了我們駕駛的汽車，水泥則為我們的工作和生活提供了建筑。

2014年，工業過程直接排放的溫室氣體和因工業部門使用電力而間接排放的溫室氣體在全球溫室氣體排放中的占比達28%，排放量為150億噸二氧化碳。工業過程中直接和間接排放的溫室氣體中，90%為二氧化碳。1990~2014年，工業部門的溫室氣體排放增長了69%（年均增長2.2個百分點），同時，其他部門如發電、運輸和建筑的排放增加了23%（年均增長0.9個百分點）。

幾乎45%的工業部門二氧化碳排放來自于生產水泥、鋼鐵、合成氨和乙烯，其分別排放了30億噸、29億噸、5億噸和2億噸的二氧化碳，這4個部門是本研究的關注點。在這4個部門的生產過程中，45%的二氧化碳排放來自于原料，這里的原料是指企業從原材料到工業產品的過程（例如，生產水泥過程中的石灰石和合成氨過程中的天然氣）。另外，35%的二氧化碳排放來自于用于高溫加熱的燃燒燃料。剩余的20%的二氧化碳排放則是其他能源需求的結果：工業場地中使用的化石燃料來生產中間產品、低溫供熱和其他工業用途所排放的二氧化碳占比約為13%，機械驅動排放的二氧化碳占比約為7%。

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在電力、運輸和建筑部門取得突破后，工業部門脫碳將是下一個前沿領域

全球的行動驅動了電力、建筑和運輸部門脫碳技術的創新和規模化。同時也降低了這些技術的成本（例如近期光伏組件和電動汽車成本的減低）。而工業部門脫碳技術的創新較為緩慢，同時相應成本也并未下降，這樣就使得工業部門減少二氧化碳排放的路徑并未像其他部門那樣清晰。

另外，由于4個原因，以上4個部門的二氧化碳很難減排。第一，來源于原料的45%的二氧化碳排放并不能通過改變燃料來減排，僅能過改變工業過程來實現減排目的。第二，35%的二氧化碳排放來自于通過燃燒化石燃料來進行的高溫加熱（4個部門中，工業過程中達到的溫度從700℃到超過1600℃）。通過轉為使用代用燃料，例如無碳的電力來減少排放是很困難的，因為這需要大幅度的修改窯爐設計。第三，因為工業過程都是高度結合的，因此任何一部分的改變必然會伴隨著工業過程其他部分的改變。最后，生產設施的生命周期較長，一般都超過了50年（在定期維修下）。在現有的站點上進行工藝流程改變需要投入大量資金進行重建或改造。

經濟部門的挑戰也在不斷增加。在購買決策中，水泥、鋼鐵、合成氨和乙烯作為商品，成本是決定性的考慮因素。除水泥之外，這些產品均在全球流通，并進行貿易。通常，在這4個部門中，當外部無定價的時候，至今還沒有人愿意為可持續的或者脫碳的產品在自己的賬單上加上一筆。因此，通過適應低碳工業過程和技術而增加產品成本的企業將會發現，他們將會在工業生產者中產生經濟劣勢，因此他們并不會這樣做。

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工業部門可以通過多種多樣的方式來實現二氧化碳減排，如通過優化固有能源結構（包括生物質的可利用性、碳儲存容量、低成本的低碳電力和氫氣）以及改變生產力

脫碳技術的結合能夠使工業實現零排放：需求側的措施、能源效率的提高、供熱的電氣化、使用水電（零碳電力）作為原料或者燃料、使用生物質作為原料或者燃料、碳捕捉和存儲（CCS）和其他創新。

脫碳方式的合理組合很大程度上依賴于當地的一些因素。最重要的因素是使用低成本的零碳電力，使用適用的可持續生物質能，因為在關注的部門中，大多數的工業過程有大量的與能源及其載體相關的原料需求，這將會被一種或兩種其他可選擇的能源替代。當地擁有的碳儲存容量以及公共和監管對碳儲存的支持使得CCS也是一項不錯的選擇。4個重點部門的增長前景也很重要，因為在已有的工業設施（棕地項目）中運用某種脫碳技術在成本上是有效的，但是其他脫碳技術對于新建設施（綠地項目）而言則更具經濟性。

由于脫碳的選擇的最佳組合與一個個設施之間的關系完全不同，企業需要在特定情況作出的選擇進行評價。為了幫助工業企業縮小他們的選擇并集中在那些最有期望的選擇中，我們提供了如下的發現，這些發現考慮了當前商品的價格和技術：

能源效率的提高能夠降低碳排放的競爭力，但是并不能讓自身的脫碳更為深入。能源效率的提高能夠降低15~20%的燃料消費，對長期而言具有經濟性。但是，對于企業，能效關鍵在于回報時間（有時低于2年），而設備安裝啟用后可能會比其潛力低15~20%。

當存在碳儲存地點時，在現有的商品價格下，CCS是成本最低的脫碳選擇。但是CCS并不是脫碳最直接的必要選項。對工業企業而言，CCS增加了一項額外的運營成本，而其他更深層次的創新能夠為脫碳提供可選的相對于傳統產品更具成本競爭力的選項（例如電氣化供熱）。CCS只能在擁有碳儲存地點的區域以及當地法規和公眾的支持下得以應用。而CCS比較突出的是，在現在這是唯一一項能夠完全抵消來源于水泥生產而排放的二氧化碳的技術。

零碳電價低于50美元/兆瓦時，使用零碳電力來供熱或者是使用零碳的氫氣較CCS而言更為經濟。低于50美元/兆瓦時的電價在許多地方已經得以實現（例如瑞典電網的水電和核電的價格），同時隨著最近可再生能源發電成本下降的趨勢，它將會在更多的地方得以實現。對于與部門、當地的化石燃料、其他商品的價格以及產地關聯緊密的脫碳而言，使用最低價的零碳電力來脫碳沒有應用CCS那么貴。

在電價低于50美元/兆瓦時的情況下，只要可以提供具備很高溫度的鍋爐，水泥綠地項目電氣化供熱的成本競爭力要強于使用化石燃料并應用CCS來控制排放。

在電價低于35美元/兆瓦時的情況下，合成氨和鋼鐵綠地項目中使用氫氣的成本競爭力要強于在傳統的生產過程中應用CCS。

在電價低于25美元/兆瓦時的情況下，在乙烯綠地項目、水泥和鋼鐵棕地項目中，供熱電氣化的成本競爭力將比在傳統生產過程中應用CCS要強。

最后，在電價低于15美元/兆瓦時的情況下，在合成氨棕地項目生產中使用水電以及在乙烯生產中電氣化供熱的成本競爭力要強于在傳統生產過程中應用CCS。這就意味著在這個電價的基礎上，本文聚焦的4大部門使用電力供熱生產和使用電力制氫在脫碳方面較CCS而言是更為經濟的方式。

降低固定設備的成本或者創新流程能夠在較高電價的情況下使電氣化或使用基于氫氣的零碳電力更為經濟。

在水泥生產和電價高于20美元/兆瓦時的鋼鐵生產中，使用生物質作為燃料或者原料較電氣化供熱和使用氫氣在經濟上更具吸引力。在水泥生產中，在使用生物質作為燃料和原料方面擁有成熟的技術。這些技術較在傳統生產過程中使用CCS來減排而言更具經濟性。生物質能同樣能夠取代生產乙烯和合成氨過程中的化石燃料原料。盡管這種方式的成本超過了電氣化供熱和使用氫氣，但是它在生產過程和終端產品中仍然能夠減少排放，例如焚燒利用乙烯制造塑料所造成的排放。然而，可持續生產的生物質能的全球供給被認為它在全球水平下會被限制。另外，通過重新造林來抵消碳排放或許是與使用生物質能相對的應用，而不是在工業過程中的運輸和使用。

對于脫碳而言，需求側的措施更為有效，但是并不是本報告的關注點。使用更低排放的選項來代替傳統的工業產品（如在建筑方面使用木材代替水泥）將會大幅度減少4大部門的二氧化碳排放。由技術改變驅動的消費模式的根本性改變能夠進一步的抵消需求，例如通過自動駕駛來減少道路（水泥）的需求，通過精準農業來減少對氨的需求。此外提高產品的循環性，例如回收和再利用都能減少二氧化碳的排放。通過回收產品來生產材料通常來說比生產原材料消耗的能源和原料更少。舉例而言，使用廢鋼來生產鋼鐵所需要的能源僅為生產特等鋼所需能源的1/4。

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工業部門脫碳需要增加對工業的投資，同時也需要加快零碳發電的建設

相較而言，在4個關注部門的能源密集型工業過程實現完全脫碳將會對能源系統產生重要的影響。據測算，它將需要25~55EJ/年的低成本零碳電力。而正常情況下，每年僅需要6EJ的電力，這就表明，無論脫碳選項如何組合，電力消費都會有大量的增長。電力和工業部門的轉型應該同期進行。工業部門可能會降低電力部門轉型的成本，例如平衡電網，同時它也將是支持裝機容量增長的電力承購商。

從目前到2050年期間，實現這4個部門全面脫碳的成本預計會達到21萬億美元。如果零碳電力價格低于化石燃料電力價格，該成本將會更低，成本能達到11萬億美元。該成本預計的基礎是沒有工藝創新或者資產設備成本的大幅度降低。而且，它們還嚴重依賴于減排目標、當地商品價格、脫碳技術的選擇和產地的現狀。預計的完全實現4部門脫碳的年均成本占全球GDP（78萬億美元）的0.4~0.5%。據報告測算，50~60%的成本是由營業費用組成，其余則是由資本支出組成，主要是水泥部門的脫碳。

對不同電價的分析表明，脫碳可能對工業產品的價格有著正面的影響：水泥價格會翻倍，乙烯的價格可能上漲45~50%，鋼鐵和氨的價格可能上漲5~35%。

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提前規劃并及時行動能夠促進技術成熟化，降低工業脫碳成本，確保工業能源轉型與能源供應變化并行發展

政府能夠在地方和區域層面為工業部門脫碳制定路線圖。為脫碳指定一個長期的方向能夠為其他團體的脫碳提供規劃的借鑒，包括工業企業、公共事業以及關鍵基礎設施的所有者（例如電網和氫氣管道），并且還能夠縮短長期回報的時間。就像政府的角色一樣（如在關鍵基礎設施中），該路線圖應該存在某些視角，例如對產量的展望、資源的可用性（包括碳儲存場）、所需的額外資源（零碳電力等）、基礎設施和需求側的措施等。

調整脫碳線路圖中的監管和激勵，使之協調。各種政策機制支持工業部門實現脫碳。這就包括了對企業脫碳的直接激勵以及對公用事業和其他涉及能源產生和分配的公司的財務要求進行調整。

工業企業應該通過對每個投資組合的靈活性進行細節的審查來為其脫碳做準備。審查應該囊括低成本零碳電力的可獲得性、零碳氫氣、生物質能和設施附近碳儲存的能力，因為各個國家之間的基礎各不相同。

與其他股東互動，如政府、公共事業公司和其他工業企業，能夠促進工業部門與其他部門或者企業脫碳的協同，推動針對性的創興，降低成本。例如，產業集群中的工業企業或許會從共享的碳儲存設施中收益。

政府、工業企業和研究機構能夠支持創新，并使脫碳技術規模化，這些都是實現工業部門完全脫碳的必要條件。脫碳技術的創新可能使工業轉型的成本下降。政府能對脫碳技術的發展提供支持，包括擴大全球市場的規模，例如在某種生物只能種引入創新以降低實施成本。總的來說，工業部門脫碳就如同各國降低可再生能源發電成本并擴大其規模一樣，需要各國政府、工業企業和研究機構的通力合作。