中国铝冶炼行业二氧化碳排放达峰路径研究

王丽娟，邵朱强，熊 慧，李 丹，杨富强，严 刚

1.生态环境部环境规划院,北京 100012

2.中国有色金属工业技术开发交流中心有限公司,北京 100814

3.北京安泰科信息股份有限公司,北京 100814

4.中国有色金属工业协会,北京 100814

铝及其合金具有优良的物理和化学性能，广泛应用于建筑、运输、包装、交通、太阳能等领域[1-2]，从全生命周期看可分解为氧化铝、电解铝、再生铝等领域.目前我国为全球最大的电解铝、氧化铝生产国以及再生铝利用国，分别占全球总量的57.0%、54.0%、40.0%左右.习近平总书记在第75 届联合国大会一般性辩论会上承诺，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和.要实现这一宏伟目标，就必须从根本上改变经济结构，特别是控制能源密集型产业的快速扩张.铝及其合金生产是高载能、高排放行业[3-5]，单位产品的温室气体排放分别是钢和铜的12.4 和2.3 倍[6]，未来将面临巨大的减排压力.

作为温室气体排放的主要贡献者之一，铝工业已被纳入多数能源和气候模型中[7].早期铝工业碳排放研究对象主要为电解铝[8-9]，目前已进一步扩展到包括氧化铝、电解铝、再生铝等全链条产品[10-13].研究方向主要分为四类：一是铝工业各项技术对温室气体排放的影响[14-15]，即研究惰性阳极、二次利用、余热回收等先进技术对CO2排放的影响；二是铝工业全生命周期对环境的影响[10-12]，侧重于分析铝生产过程中的投入(原料和能源)和产出(材料、废物和排放)，并结合生命周期方法(LCA)分析我国铝生产中温室气体排放的历史演变及温室气体排放驱动因素；三是采用动态物流分析(MFA)、回归分析等方法，对中国铝消费、废铝等进行分析，估算铝冶炼行业减排潜力[13]；四是在全国或全球模型下铝工业发展情景的研究[16-19].其中，前3 类研究主要从一个或几个因素出发，自下而上地提出铝行业达峰路径，但由于新的经济发展形势，如仅按原趋势外推，则无法反映行业真实发展趋势；第4 类研究中自上而下的国际国内模型中，中国铝冶炼行业只是作为整体中的一部分，欠缺我国铝冶炼行业分领域的详细数据，对未来铝冶炼工业碳达峰路径的预测将有所偏差.

因此，该研究从铝需求总量预测出发，研究新经济形势下中国2021−2035 年铝冶炼行业CO2排放及达峰路径.首先，建立铝需求预测模型，统筹考虑经济发展、人均铝消费水平、历史趋势、铝产品进出口量等因素，预测2021−2035 年的铝需求总量、氧化铝产量、电解铝产量以及再生铝利用量；其次，采用情景分析方法评估铝冶炼行业各项措施的减排潜力，识别碳减排的主要驱动因素，提出推动碳达峰的关键举措，以期为制定碳达峰目标下铝冶炼行业碳排放控制路径提供参考.

1 方法与数据

1.1 技术路线

为系统开展我国铝冶炼行业碳达峰研究，构建了以铝消费总量、铝产品产量、能源消费、碳阳极(还原剂)消耗量、CO2排放量为主要内容的研究框架，对不同阶段铝冶炼行业发展情景和碳排放变化趋势进行预测分析.根据国家总体达峰研究，系统研判铝冶炼行业碳达峰时间、峰值、达峰路径，并在此基础上提出铝冶炼行业碳达峰的主要措施和配套政策机制.技术路线如图1 所示.

图1 技术路线Fig.1 Technology framework

1.2 行业发展预测方法

铝需求的主要驱动力因素为国内消费[10]及铝产品净出口量[13,20].工业化国家经济增长与金属消费需求经验表明，金属消费量与经济发展水平密切相关，随着经济的发展，人均金属消费量呈“S”型曲线，工业化快速发展阶段金属需求呈快速增长趋势，在后工业化阶段趋于平稳并逐步下降.我国国内单位GDP铝消费强度已在2015 年达到峰值5.4 kg/(104元)(2010年不变价)，人均铝消费将进入增长趋缓区间

回归分析被用作评估和分析因变量与一个或多个独立解释变量之间的关系，近年来一些研究使用回归分析来预测未来铝等有色金属产品消费量[13,16].该研究采用以上两种方法对铝需求量进行预测，根据铝需求量的大小设计铝高需求情景和铝低需求情景：①根据历史发展规律，在不考虑产量控制的影响下，应用回归分析对2021−2035 年的铝需求量进行趋势预测；②采用安泰科对中国铝消费回归分析方法，结合经济社会发展宏观判断、人均铝消费水平、人口、城市化率、历史铝消费量、铝净出口量等因素的影响，对我国2021−2035 年的铝消费进行预测，计算公式：

式中：AL(t)为t年的铝需求总量，t；X(t)为t年解释变量；α0、αi为回归模型参数；ε(t)为残差.

电解铝产量为铝需求总量减再生铝产量、未锻轧铝及铝材净进口量〔见式(2)〕，其中未锻轧铝及铝材净进口量根据出口政策、历史趋势综合判断得出.

式中：ALP(t)为t年电解铝产量，t；AL(t)为t年铝需求总量，t；Y(t)为t年再生铝量，t；In(t)为t年未锻轧铝及铝材净进口量，t.

氧化铝需求量主要取决于电解铝生产需求.目前，我国氧化铝95%以上用于电解铝生产，综合考虑进口量等外部因素，逐年确定2021−2035 年氧化铝产量，计算公式：

式中：AO(t)为t年氧化铝产量，t；ALP(t)为t年电解铝产量，t；β为氧化铝与电解铝关系系数，t/t.

再生铝利用量受国内废铝累积量和进口废铝量影响.铝消费领域十分分散，回收周期不一，主要铝消费部门如建筑行业、电力工业、交通运输、耐用消费品、机械设备、容器和包装、其他行业铝的寿命期平均在40、20、16、12、20、1、10 年左右[13,21]，该研究中旧废铝以15～25 年前国内消费量的移动平均乘以75%进行测算，新废铝由当年铝消费量乘以5%进行测算.进口废铝主要受进口政策影响，未来不会有较大增长空间，假设保持当前水平.再生铝利用量测算公式：

式中：f(t)为t年国内旧废铝量，t；p(t)为t年国内新废铝量，t；Ins(t)为t年进口废铝量，t.

1.3 情景设置

铝冶炼行业碳排放与能源消费量[2,10,14]、再生铝利用水平[13]等因素相关.能源消费量与能效和能源结构相关，因我国电力结构主要以煤电为主，生产单位电解铝温室气体排放量仍然相对较高，约为美国的2 倍[12-13,22-23].由于节能技术的推广以及铸轧和连铸连轧等短流程工艺的应用，降低了设备能耗[23]，我国平均铝锭综合交流电耗为13 525 kW·h/t，比全球平均水平低800 kW·h/t 左右.

单位再生铝产生的温室气体排放量仅为原铝的4.5%[12,23]，发展再生铝工业也是减少碳排放的一个重要选择[24].1980 年，中国、北美和欧洲的再生铝产量占比均约为20%.北美和欧洲再生铝利用率的增长趋势基本相同，从1980 年的20%线性增至2017 年的50%以上.虽然1995−2010 年中国再生铝利用率保持在25%～35%之间，但2017 年又回落至近20%.

根据铝需求量的预测情景，将清洁能源使用比例、再生铝利用率、短流程工艺比例作为控制变量，设计基准情景、低碳情景和强化控制情景3 个情景.基准情景和低碳情景采用铝高需求情景，强化情景采用铝低需求情景.基准情景下清洁能源使用率、再生铝利用率、短流程工艺比例保持2020 年水平不变；低碳情景和强化情景下，控制变量取值将高于当前水平.铝冶炼行业不同措施设计原则见表1.

表1 铝冶炼行业不同措施设计原则Table 1 Estimation principle on the effect of CO2 emission mitigations in aluminum industry for different factors

1.4 碳排放分析方法

从铝产品全生命周期分析(LCA)角度对铝冶炼行业(含电解铝、氧化铝、再生铝)开展全口径、分阶段的发展情景与碳排放趋势分析.具体包括铝电解及其他过程中使用的电力消耗排放，电解过程中碳阳极消耗排放，氧化铝生产过程中煤气/天然气、电力/热力消耗排放，再生铝生产过程中天然气消耗排放等[25](见表2).但该研究未包含电解过程阳极效应产生的PFCs (全氟化碳)排放.铝冶炼碳总排放包括电力消耗排放、一次能源消耗排放、炭阳极消耗排放三部分，其中电力根据来源不同分为网电及自备电(见图2).

表2 铝冶炼行业碳排放类型、定义及应用范围Table 2 Types,definitions and application scope of carbon emissions from the aluminum industry

图2 铝冶炼行业碳排放流程Fig.2 Carbon emission flow chart in aluminum industry

1.5 数据来源

2000−2020 年国内铝消费、人均国内生产总值和城市化率的历史数据[26-28]来自中国有色金属工业协会、国际铝业协会以及国家统计局，吨铝炭阳极净耗、煤炭、天然气排放因子等来自《中国电解铝生产企业温室气体排放核算方法与报告指南(试行)》[25]，电解铝网电、自备电单位用电量排放系数来自电力行业相应排放系数预测值[29].

2 结果与讨论

2.1 行业排放现状和特征

我国铝需求总量为国内消费量与未锻轧铝及铝材净出口量之和，2020 年我国铝产品总需求量为4.4×107t，其中，国内铝消费3.9×107t，占比为87.2%；未锻轧铝及铝材出口为5.7×106t，占比12.8%.由图3可见：铝广泛应用于建筑结构、交通运输、电力、包装、机械制造等众多领域.建筑结构是国内铝消费的第一大领域，其消费占比为28.0%；交通运输、电力领域铝消费分别位居第二、三位，占比分别为19.5%和10.0%.

图3 我国铝消费结构Fig.3 Domestic aluminum consumption structure

基于该研究采用的碳排放核算边界与方法，2020年我国铝冶炼行业CO2排放量为5.0×108t.从排放来源看，铝冶炼行业排放主要来自电力消费的间接排放，其中电力消耗引起的CO2间接排放约占排放总量的75.8%；能源消费的直接排放约占14.2%，工业过程(炭阳极)直接排放约占10.0%.由表3 可见：从各产品环节来看，电解铝是最大的CO2排放部门，其总CO2排放量为4.20×108t，占铝冶炼总排放量的83.8%；氧化铝CO2排放合计0.80×108t，占铝冶炼总排放的16.0%；再生铝一次能源CO2排放合计0.01×108t，占铝冶炼总排放的0.02%.因此，分行业排放来看，控制电解铝行业碳排放应为铝冶炼行业碳排放控制重点考虑方向；从排放环节结果来看，降低电力消耗总量是最有效的减排路径.

表3 2020 年我国铝冶炼行业CO2 排放量Table 3 CO2 emissions from the aluminum industry in 2020 in China 108 t

2.2 行业发展预测结果

情景分析结果显示，我国铝消费量将继续增长，预计在2029−2032 年达峰，之后将逐步下降.由图4可见：按照高需求情景发展，我国铝需求量将在2032年达峰，峰值为5.8×107t，比2020 年增加了1.4×107t；按照低需求情景发展，铝需求量将在2029 年达峰，峰值为5.3×107t.

图4 2010−2035 年不同情景下我国铝需求量Fig.4 Aluminum production from 2010 to 2035 under different scenarios in China

通过对历史数据、进出口政策、国际贸易局势的综合分析，假设未锻轧铝及铝材的进口量、出口量分别为5.0×105和5.0×106t.再生铝利用量根据国内旧废铝、国内新废铝、进口废铝测算，2020 年再生铝利用量为7.3×106t，在2032 年前后达到峰值2.1×107t.根据该研究确定的电解铝计算方法测算，电解铝产量呈先增后降的趋势，在2029 年前后达到峰值，峰值区间为4.6×107～5.0×107t，之后随着国内铝消费量达到峰值平台区及废铝替代的扩大，电解铝产量将趋于下降.

2.3 行业碳排放预测及达峰路径

2.3.1 行业碳排放预测

由图5 可见，在基准情景、低碳情景、强化情景下，铝冶炼行业CO2排放量均在“十四五”末期至“十五五”初期达峰，峰值在5.3×108～6.4×108t 之间.基准情景下铝冶炼行业CO2直接排放量在2032 年达峰，间接排放量在2024 年达峰，峰值分别为1.7×108和4.8×108t，分别比2020 年增加0.4×108、1.1×108t；低碳情景下，铝冶炼行业CO2直接排放量和间接排放量分别在2024 年、2023 年达峰，峰值分别为1.5×108和4.3×108t，分别比2020 年增加0.2×108、0.6×108t；强化情景下，铝冶炼行业CO2直接排放量和间接排放量均约在2024 年达峰，峰值分别为1.4×108和3.9×108t，分别比2020 年增加0.1×108、0.2×108t.综上，铝冶炼行业以电力等间接排放为主，通过减少行业电力使用或排放强度来降低间接排放达峰是铝冶炼行业碳达峰的关键.

图5 2010−2035 年我国铝冶炼行业不同情景下CO2 排放量Fig.5 CO2 emission trends of the aluminum industry under different scenarios in China

2.3.2 碳达峰影响因素分析

铝需求的变化与行业达峰紧密相关，通过低碳情景和强化情景的对比可以看出，在控制变量相同的情况下，到2030 年，当铝需求增加7.9%时，铝冶炼行业CO2排放峰值将提高9.7%.

为进一步识别铝冶炼行业碳减排的主要影响因素，结合该研究中3 类情景设计参数，以2020 年为基准年，定量分析提高再生铝利用率、提高清洁能源使用比例、提高短流程比例等因素对铝冶炼行业CO2总排放量产生的影响，各项措施参数取值如表4 所示.

表4 碳排放控制关键措施参数取值Table 4 Parameter values of key measures for carbon emission control in the aluminum industry %

不同情景下，各类驱动因素对铝冶炼行业CO2排放的贡献率如表5 所示.从各项措施的减排贡献来看，提高再生铝利用量将是铝冶炼行业减少CO2排放潜力最大的措施，到2030 年，提高再生铝利用率将带动铝冶炼行业CO2减排1.3×108t，对2030 年行业总CO2减排量的贡献率为77.3%.其次是提高清洁能源使用比例和提高短流程比例.电力的清洁化是铝行业碳减排的重要手段，到2030 年，提高电解铝行业清洁能源利用率将带动铝冶炼行业CO2减排0.4×108t，对2030 年行业总CO2减排量的贡献率为21.5%.通过提高短流程比例，降低铝行业能源消耗强度也是铝冶炼行业碳减排的重要方向，到2030 年，提高短流程比例将带动铝冶炼行业CO2减排0.02×108t，对2030年行业总CO2减排量的贡献率为1.2%.

表5 不同因素对铝冶炼行业碳减排贡献率Table 5 Impact of different factors on carbon emission reduction in aluminum industry

2.4 行业碳达峰路径政策建议

研究发现，电解铝产量是决定铝冶炼行业碳排放量的主要因素；另外，改变供电模式、提高再生铝利用量、降低单位能耗也可以在一定程度上减少碳排放.建议重点从以下几个方面加快推进碳达峰工作.

a)严格控制产能总量.电解铝产能的控制在降低铝冶炼行业峰值中起重要作用，建议严格执行产能置换办法，研究差异化电解铝产能减量置换政策，提高行业准入门槛，严格控制铝冶炼行业产能总量.氧化铝不追求完全自给自足，鼓励适量氧化铝进口，根据国内电解铝产量调整国内氧化铝产能规模.

b)推进清洁能源替代.研究中铝需求总量达峰年在2029－2032 年之间，但铝冶炼行业总排放均在“十四五”末期至“十五五”初期达到峰值，主要是由于电力清洁化水平不断提高，使CO2间接排放快速下降.因此，建议在考虑清洁能源富集地区生态承载力的前提下，鼓励电解铝产能向可再生电力富集地区转移，由自备电向网电转化，减少煤炭消耗，从源头削减CO2排放.

c)调整优化产业结构.用再生铝替代电解铝，每吨可减少CO2排放10.6 t，在铝需求一定的情况下，通过提高再生铝的利用量来降低CO2排放.当“十四五”“十五五”期末再生铝利用量分别比“十三五”期末提升4.2×106、6.3×106t 时，到2030 年将分别累积带动铝冶炼行业CO2减排0.44×104、1×108t.建议加快废铝资源分类回收体系建设，提高保级利用水平.把握国家垃圾分类政策推行契机，建议将量大面广的铝产品纳入单独分类回收体系.制定再生铝预处理企业规范条件，提高现有废铝资源回收利用企业规范化水平，科学布局、因地制宜推动建设一批区域废铝资源回收预处理配送中心，引导高品质再生铝原料进口，从源头解决再生铝企业废铝原料供给难题.完善绿色采购体系，加大保级回收，推动企业优先采购废铝资源作为原料，引导企业和消费者优先选用绿色铝材和产品.

d)强化技术节能.技术进步和短流程将带来电解铝综合交流电耗的下降，建议推动电解铝短流程比例，推动电解槽余热回收等综合节能技术创新，提高电解铝智能化管理水平，减少能源消耗环节的碳排放.

3 结论

a)统筹考虑我国经济社会发展需求、贯彻新发展理念、构建新发展格局要求以及国家碳达峰、碳中和目标约束，基于各种情景下铝产品产量预测，结合降低能耗、提高再生铝产量等措施，提出了铝冶炼行业碳达峰路径.研究表明，通过严格落实电解铝产能总量控制、推进清洁能源替代、调整优化产业结构等多项措施，我国铝冶炼行业碳排放将在“十四五”末期至“十五五”初期达峰，峰值在5.3×108～6.4×108t 之间，达峰后保持2 年左右平台期.

b)根据铝需求量变化对CO2排放的影响，电解铝产量控制是降低铝冶炼行业峰值的关键，到2030年，当铝需求增加7.9%时，铝冶炼行业CO2排放峰值排放量将提高9.7%.在相同需求下，不同情景铝冶炼CO2排放结果表明，提高再生铝利用水平是实现碳达峰最有效的措施，到2030 年对行业碳减排的贡献率可达77.3%.优化产业布局、改善供电结构是实现铝冶炼行业碳达峰的重要途径，到2030 年对行业碳减排的贡献率为21.5%.优化产业结构、提高短流程比例也是铝冶炼行业碳减排的重要方向.

c)为有效推动铝冶炼行业实现碳达峰，建议继续坚持电解铝产能置换政策，提高行业准入门槛，严控产能总量.加快废铝资源分类回收体系建设，完善有色金属原料标准，推动资源综合利用标准化，提高再生铝的利用水平.通过推动产业集群化、现代化发展，减少中间产品物料运输、提升铝水直接合金化的短流程比例等手段降低能源消耗，从而间接控制CO2排放量.引导使用火电的电解铝产能向可再生电力丰富地区有序转移，达到碳排放控制目标.