“双碳”战略下上海工业绿色低碳转型路径研究

杜坤杰

上海新能源科技成果转化与产业促进中心

0 引言

上海是中国工业最发达城市，在产业链、技术链等方面具有独特的优势。工业构成了城市发展底色的基本盘，是稳固全市社会经济发展的主要力量。但同时工业也是上海能源消耗和碳排放占比最大的领域，碳排放量占全市碳排放总量一半左右，面临着节能减排降碳的紧迫压力和挑战［1］。在国家大力实施“双碳”战略背景下，在新一轮科技革命和产业变革中，以上海实现“双碳”目标引领经济高质量发展为导向，研究探索上海工业绿色低碳转型路径，厘清重点方向和任务，无论是从内在动力和外在影响需要，都具有现实意义。

1 研究现状

自2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会宣布中国的“双碳”目标以来，社会各界对碳减排的认识在不断深入，学界对此进行多方面研究，主要分为三种类型：

1）以通用或自建的数学模型为工具，设定不同参数和未来情景，得出研究成果和建议。如刘俊伶等运用系统模型（PECE-LIU2017），研究中国工业部门的发展与排放趋势，探讨不同情景下中长期低碳转型路径［2］。魏一鸣等应用自主设计的能源技术模型（C3IAM/NET），提出兼顾经济性和安全性的中国碳达峰碳中和时间表和路线图［3］。

2）通过调研分析，结合政策和技术发展形成研究成果。如张锁江等针对我国钢铁、有色、化工、建材四大高碳排放行业，提出绿氢/绿电替代等四个低碳化策略［4］。甘凤丽等从碳减排、碳零排和碳负排三方面分析石化行业碳中和技术路径［5］。孙福全等聚焦能源、工业等领域重大技术瓶颈和体制机制障碍，提出上海依靠科技创新实现碳达峰的路径和举措［6］。

3）行业研究报告。如北京大学能源研究院发布《中国石化行业碳达峰碳减排路径研究报告》，提出产业结构调整、轻质原料替代、节能降耗、发展绿氢、深度电气化、CCUS 等五条路径和减排路线图，并给出相关政策建议［7］。

上述研究从不同角度分析碳排放和减排问题，提出策略建议，成果信息丰富，具有很好的学术价值，为本文所借鉴。

2 上海工业能耗及碳排放现状

2010 年以来，上海持续推进产业结构调整、能源结构优化、节能减排降耗、循环经济示范等措施，重点领域能效有效提升，单位GDP 能耗不断下降。从《上海市统计年鉴（2021）》摘录的数据信息，2020年上海全市能源消费总量为11 099.59万tce，单位GDP 能耗为0.314 tce，折算的万元GDP 碳排放量为0.508 t。目前上海碳排放强度仅次于北京和广东，居全国第3 位。上海工业领域的能耗和碳排放量于“十二五”期间阶段性达峰，2020年上海工业终端能源消费量为5 304.68 万tce，占全市能源消耗总量的47.79%；碳排放量为0.97 亿t，为上海市CO2排放总量的一半左右。基于研究数据的可获得性及统计口径的一致性，本文以《上海市统计年鉴（2021）》《上海市能源和环境统计年鉴（2021）》等资料为基础，做了归纳整理和估算。图1 为2000-2020年上海能源消费总量、工业领域能源消费量和单位工业增加值能耗，图2 为2020 年上海能源终端消费量构成，图3 为2020 年上海主要工业行业终端用能量分布。由于统计口径不完全一致，数据不够完整，尚无法推算出相对应的细分行业碳排放量，但可用于研究分析上海重碳领域和碳减排重点。

图1 2000-2020年上海能源消费量及工业能源消费量

图2 2020年上海能源终端消费量构成

图3 2020年上海主要工业行业终端用能分布

依据上述材料分析，得出以下判断：上海工业领域的能源消费量和工业增加值能耗自2018年以来已进入一个平台期，数据每年有小幅波动，但总体趋于稳定。2020 工业能耗占全市能耗总量的比例约48.4%，与巴黎、伦敦、新加坡等国际性大都市相比，上海工业用能占比仍偏高不少。化学原料及化学制品制造业、金属冶炼及压延加工业为上海工业能源消费量的前两位，加上石油、炼焦及核燃料加工业等能源消费，钢铁、石化两个行业的能耗占工业用能总量的79.58%，是上海开展碳达峰碳中和的重点领域。

上海的钢铁、石化行业主要是精品钢材制造业、石油化工及精细化工制造业，这既是上海“3+6”新型产业体系的重要组成部分，也是上海市六个重点发展工业行业中的两个，对上海市工业发展起着基础性和支撑性作用。上海要实现社会经济高质量发展，钢铁、石化等高碳行业必须完成绿色低碳转型，实现大规模减碳脱碳。

3 工业低碳转型的国际经验和我国相关政策及企业行动

3.1 发达国家工业低碳转型的经验

他山之石，可以攻玉，发达国家发展低碳工业的有益经验，对于上海钢铁、石化行业低碳转型具有很好的借鉴意义。本文梳理总结国外工业低碳转型的相关案例，见表1。

表1 发达国家工业低碳转型的典型案例

从国外经验看，工业低碳转型有三个方向：

1）关注终端用能技术，通过结构调整、工艺再造、产品升级等，提高用能效率，降低能源消费。如欧盟开展ULCOS 项目，内容包括高炉炉顶煤气循环、先进的直接还原工艺、新型熔融还原工艺等；日本实施Course 50 项目，利用氢基还原剂为主的反应控制技术，减少高炉CO2排放。2030 年，碳排放量减少30%以上，2050年实现碳中和。

2）通过新型燃料替代、电气化替代等减少化石能源碳排放。如巴斯夫开发电加热蒸汽裂解炉、低排放氢气（H2）生产工艺等低碳技术，减少生产过程碳排放。2021年巴斯夫发布气候中和路线图，计划到2030 年CO2排放量比2018 年减少25%，2050年实现净零排放。

3）调整业务转型。产品结构由高碳向低碳、由低端向高端转型升级，抢占产业发展的新赛道。

3.2 支撑上海工业绿色低碳转型的政策体系及企业行动

3.2.1 国家层面的工业绿色低碳转型相关政策

2020年9月以来，国家和地方密集发布了大量的推动“双碳”战略政策文件，为重点领域及行业开展各项行动、制定配套政策提供支撑。目前从国家层面已经形成碳达峰碳中和“1+N”政策体系，“1”是指党中央、国务院印发的《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》，“N”包括国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》，以及能源、工业、交通运输、城乡建设等重点领域的政策措施，从国家层面形成了我国碳达峰碳中和的路线图施工图［8］。主要政策梳理见表2。

表2 钢铁、石化行业“双碳”相关的国家政策

3.2.2 上海工业绿色低碳转型的政策及企业行动

上海贯彻国家政策，结合本市实际也出台了配套的方案和实施意见，明确“双碳”工作的主要目标、减碳路径及相关配套措施，为重点领域及行业绿色低碳转型提供了战略引导。主要政策梳理见表3。

表3 钢铁、石化行业“双碳”相关的上海政策

上海市委、市政府出台的碳达峰碳中和工作实施意见指出，未来上海要优化钢铁、化工产业布局，推进钢铁行业从长流程向短流程转变，加快调整煤化工行业。碳达峰行动方案进一步提出组织实施包括开展钢铁、石化等重点行业的“碳达峰十大行动”。上海市经信委、市科委等部门发布相应的工作方案，推动工业等重点领域节能降碳增效、关键技术攻关，建立重大项目示范。2021 年，上海市科委在国内率先开展“双碳”专项科研布局，支持钢铁、化工行业零碳/低碳流程再造工艺等关键技术研究与应用。

2021 年，宝武集团发布《中国宝武碳中和行动方案》，以技术创新为核心推动力，布局绿色产业，助推宝武绿色低碳转型。根据该方案，宝武将在2023年实现碳达峰，2035年碳排放较2020年降低30%，最终在2050 年实现碳中和。上海石化紧盯国家、上海市及中国石化“双碳”中长期目标，主动融入中国石化“一基两翼三新”产业格局，积极推进绿色低碳发展，2022 年实现生物质耦合发电减碳1.76 万t，光伏发电装机总量超15 MW，碳捕集、碳利用年均降碳10 万t。未来，上海石化将按照炼油向化工转、化工向材料转、材料向高端转、园区向生态转的“四个转”发展思路，大力发展绿电和绿氢制备技术，建设可持续产业体系［9］。

4 上海工业绿色低碳转型的路径和重点技术方向

4.1 未来能源和产业发展趋势的研判

工业领域涵盖面广、门类众多，生产工艺差异性大，是碳减排潜力最大的行业，但也是最复杂的领域。故不能就碳论碳，减碳需要与未来能源结构调整、用能方式转变、产业布局、经济可承受力、产业链安全等多种因素相结合，在认真研判未来宏观发展趋势基础上思考工业低碳转型的路径。

1）构建新能源为主体的新型电力系统是必然选择

2060 年，我国非化石能源消费比重将达到80%以上，电力零碳化、消费电气化是碳中和的基本路径，新能源的波动性和间歇性对工业用能系统所要求的适应性、安全性是个考验。

2）化石资源逐步从“能源燃料”向“化工原料”转变

随着新能源车的普及，炼油行业部分产能面临退出或转型，一部分炼化企业将从“燃料型”向“化工型”转型升级，现有的石化生产路线，难以满足“减油增化”的市场发展需要。

3）循环经济发展水平显著提高

未来循环型生产方式将全面推行，废钢铁、废塑料、废旧轮胎等再生资源循环利用率进一步提升，资源利用方式更加集约高效。

4）各种耦合系统及协同作用加剧

不仅有能源系统耦合，如风能、光能、地热能、生物质能等能源的多能耦合，还有钢化联产等跨行业、跨领域减碳技术耦合，CCUS与工业过程的低碳工艺流程耦合，以及减污降碳协同治理、低碳技术+管理政策协同推进等。

5）未来变革性技术突破

高性能低成本的低碳制氢技术、受控核聚变、有机空气储能电池、CO2高值转化利用等变革性技术突破，将给工业转型带来颠覆性的影响。

4.2 上海工业绿色低碳转型的路径

结合政策引导和未来产业发展趋势研判，按照“3060”时间跨度和生产“源头—过程—末端”流程的两个维度，本文给出上海钢铁、石化行业低碳转型路径的时间表，具体如表4、表5所示。

表4 上海钢铁行业绿色低碳转型路径实施时间表

表5 上海石化行业绿色低碳转型路径实施时间表

1）近期（2030年前），达峰及平台期

以行业碳排放达峰且不反弹为主要目标，稳步推进实现碳达峰。重点推广节能和可再生能源技术，从生产源头和过程减碳。钢铁行业落实极致能效工程行动，提升钢铁各环节能效和余能回收利用水平。石化行业围绕生产过程低碳化改造，加快研发新型绿色高效石化工艺技术。

2）中期（2030-2050年），碳排放下降期

以行业近零排放为目标，实现低碳/零碳技术规模化应用，极限降碳、深度脱碳等重大技术取得突破。钢铁行业短流程生产占比显著提升，氢冶金、钢-化一体化联产技术等得到发展。石化产业结构进一步优化，绿氢规模化应用，全产业链耦合数字化技术成为发展的新模式。

3）远期（2050-2060年），碳排放中和期

以实现净零排放为目标，建成钢铁、石化零碳产业。借助CCUS等技术，助力企业全生命周期碳减排。钢铁行业高炉富氢还原技术成为主流技术，冶炼过程配套CCS 完成末端协同除碳。石化行业达到工艺装置深度电气化，生物质能－碳捕集与封存（BECCUS）技术成熟，以CO2为原料生产高附加值化工产品技术达到工业化水平。

4.3 上海工业绿色低碳转型的重点技术方向

1）绿氢替代技术

氢是一种零碳燃料，用氢取代碳作为还原剂和清洁燃料发展氢冶金技术，是钢铁行业低碳绿色发展的主要技术路径，已经得到国内外钢铁行业认同。氢冶金有富氢还原和纯氢还原两种工艺，受大规模制氢技术成熟度和成本限制，目前富氢还原得到优先发展，未来纯氢还原将占主导地位。在石化行业，可再生能源电解水制“绿氢”是碳零排的重要解决方案，化工合成、石油炼化是当前氢应用的主要场景，据业内专家预测，未来石化行业绿氢替代的产业规模至少是千亿级。

2）工业极致节能技术

近年来，随着节能减排力度不断加大，工业节能改造带来的减排降碳潜力空间逐步收窄，成本不断上升。但是我国工业能耗指标与国际先进水平仍有差距，能源利用水平还有上升的空间。《上海市科技支撑碳达峰碳中和实施方案》明确提出，钢铁工业深入开展节能降碳和极致能效及钢铁流程再造等新技术研究，支撑低碳转型升级；化工工业开展节能降碳和能效提升及化工流程再造研究，形成化工工业低碳发展的技术体系。

3）碳捕集、利用与封存技术（CCUS）

碳捕集、利用与封存（CCUS）作为实现碳中和的兜底技术，保障着碳减排的最后一道防线。近年来，全球范围内CCUS 技术发展势头良好，工业示范项目数逐步增多。在国内，2009年上海石洞口电厂建成当时世界上最大的燃煤电厂CO2捕集示范装置，保持了世界运行时间最长的纪录；2022 年9月中国石化建设的国内首个百万吨级CCUS 项目——“齐鲁石化-胜利油田CCUS项目”正式注气运行，为我国乃至全球CCUS 发展积累了宝贵的经验。空气直接捕集技术（DAC）、与生物质耦合的碳捕获封存技术（BECCS）的新突破，使CCUS又有了更多的发展空间。目前CCUS技术体系尚不完善，能耗及成本较高，管道输送、封存安全性等关键技术有待突破。

4）数字赋能降碳技术

在实现碳达峰碳中和目标的进程中，数字化是重要工具和载体。数字化可实现企业生产“源头—过程—末端”的系统性全流程控碳，实现工业碳管理关键数据的采集、处理、分析和专业应用，提升企业自主碳排放管理能力，同时也可为各级政府对企业及行业的整体运行情况监管提供大数据监测手段。《上海市工业领域碳达峰实施方案》提出实施数字赋能降碳，推动数字赋能低碳制造，加快数字赋能节能服务。数字化赋能降碳主要有几方面：

（1）数据采集，构建海量用能数据采集、分析平台，实施碳排放数据全流程的监控。

（2）辅助决策，基于碳排放现状和目标，对生产进程进行模拟预测，提出优化方案。

（3）挖掘价值空间，通过大数据、云计算、人工智能、物联网、数字孪生、区块链等技术整合产业链和价值链，进一步挖掘“不可见”的价值，提高价值创造的效率。

目前企业大多处于数字化转型起步探索阶段，尚缺乏公认的理论体系和成熟应用案例。

5 结语

工业是上海碳排放量最大的领域，尤其是钢铁、石化两个行业，未来发展很大程度上影响着上海实现“双碳”目标的整体进程。本文围绕上海工业绿色低碳转型路径展开研究，提出按照时间跨度和生产流程两个维度设计的上海钢铁、石化行业低碳转型路径，以及绿氢替代、工业极致节能、碳捕集利用与封存（CCUS）、数字赋能降碳技术等四个重点技术方向，旨在为上海这座超大城市的工业低碳转型实践提供参考。

落实“双碳”战略不能就碳论碳，要因地制宜，因时制宜，结合未来能源结构调整、产业优化布局、经济可承受力、产业链安全等多种因素制定发展路径。展望未来，上海雄厚的产业基础和丰富的科技资源，一定能够支撑工业绿色低碳转型，保障“双碳”目标顺利实现。上海探索的转型路径和取得的经验对我国大部分地区也有借鉴意义。