模拟未来能源价格不确定性对铝业脱碳路径的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Modelling the impact of future uncertainty in energy prices on aluminium decarbonization pathways

本文通过混合整数线性规划（MILP）和蒙特卡洛模拟（MCA）研究铝二次生产中能源价格不确定性对脱碳路径的影响，发现50%的能源价格组合下脱碳方案更经济，其中生物质与电力混合方案（Elec-Bio）最占优势，其25年生命周期内成本低于基准方案的22%-37%。研究显示完全 electrification方案在能源价格波动中风险更高，而生物质能的稳定价格使其更具抗风险能力。政策建议包括减少化石燃料补贴、实施碳定价一致性机制、优化电力市场合同等。

　　在当今全球气候变化日益严峻的背景下，重工业领域面临着巨大的减排压力。铝行业作为重要的碳排放源，其排放量占据了全球工业总排放量的约2%，其中约75%的排放来自初级铝的生产过程。随着全球对实现碳中和目标的呼声越来越高，铝行业正在积极寻求各种减排策略，如生物燃料气化、碳捕捉与利用、氢能技术、直接电加热以及废热回收等。这些技术虽然通常具有20至25年的生命周期，但其部署决策却必须在当前做出。由于能源价格受市场波动、地缘政治因素以及未来政策环境的影响，因此当前的减排决策必须考虑到未来能源价格的不确定性。

本研究提出了一种系统性的方法，用于将能源价格波动纳入铝行业二次生产过程的减排规划。通过使用混合整数线性规划（MILP）方法，研究者生成了4000种不同的能源价格和碳税组合下的可行系统配置。随后，采用蒙特卡洛模拟（MCA）来预测能源价格趋势，并评估那些在MILP中被认为有利的配置在“随机”或“危机”情况下的韧性。研究结果表明，在50%的能源价格组合中，减排路径比使用化石燃料的排放路径更经济。其中，结合电能和生物质的减排路径被认为是最具经济性的选择。然而，这种路径在随机能源价格情况下，预计在25年的生命周期内仅能在22%至37%的组合中表现出成本优势。此外，资源多样化，如生物质的利用，可以将经济危机期间的风险降低6%，相比完全电能驱动的配置更具优势。

铝的二次生产过程通常包括熔化和轧制两个主要阶段。在熔化过程中，纯铝和废铝被加热至约660°C，随后被进一步加热至700°C。在轧制阶段，铝被冷却并进行表面处理，以生产出最终的产品。传统上，这些过程主要依赖于化石燃料天然气，而电能则用于轧制步骤。然而，随着全球能源市场变化，特别是近年来欧洲经历的能源危机，铝行业面临着如何在不牺牲经济性的情况下实现低碳转型的挑战。

研究中提到的多种减排技术各有其适用条件和局限性。例如，直接电加热虽然能够减少碳排放，但其成本可能在某些情况下高于天然气驱动的方案。生物燃料气化则通过将木材等生物质转化为合成气（syngas）或合成天然气（SNG），为铝生产提供了一种可再生能源的选择。氢气技术则依赖于电解水，但其高昂的资本支出和较低的技术成熟度限制了其广泛应用的可能性。碳捕捉与封存（CCS）技术虽然能有效减少排放，但其实施成本和能耗较高，且目前尚未实现大规模商业化。因此，这些技术的经济性和可行性高度依赖于能源价格和碳税的变化。

本研究的MILP模型综合考虑了各种能源价格和碳税的组合，通过参数扫描技术，分析了不同配置下的总成本。研究发现，对于特定的能源价格组合，某些配置比其他配置更具成本效益。例如，在碳税较高且天然气价格较高的情况下，结合电能和生物质的配置成为最优选择。这种配置不仅能够减少碳排放，还能通过生物燃料的使用避免部分碳税成本。然而，在天然气价格较低的情况下，完全电能驱动的配置可能不如天然气驱动的配置经济。这表明，能源价格的波动对铝行业减排路径的选择具有重要影响。

在蒙特卡洛模拟中，研究者评估了不同配置在25年生命周期内的经济表现。结果显示，尽管“Elec-Bio”配置在58.3%的情况下被认为是最具经济性的，但在随机价格波动的情况下，其成本优势仅能在22%至37%的组合中实现。相比之下，“All-Elec”配置在所有模拟中都表现出更高的成本，这说明完全电能驱动的方案在面对价格不确定性时可能不够稳健。此外，在能源危机情境下，“Elec-Bio”配置表现出比“All-Elec”配置更低的经济风险，这主要得益于其资源多样化策略和对电能的较低依赖。

研究还指出，能源价格的不确定性不仅仅影响当前的经济决策，还会对未来的投资和政策制定产生深远影响。例如，化石燃料的补贴政策可能导致其在短期内仍具有价格优势，但长期来看，这种补贴不利于低碳技术的发展。因此，政策制定者需要考虑逐步减少化石燃料补贴，同时提高碳税的稳定性，以促进可再生能源的使用。此外，能源市场的改革，如引入长期电力购买协议（PPA）或差价合约（CfD），有助于减少能源价格波动对工业生产的影响，从而提高减排方案的经济可行性。

从政策层面来看，本研究的结果对实现联合国可持续发展目标（SDGs）具有重要意义。特别是SDG 7（可负担且清洁能源）、SDG 9（工业、创新与基础设施）以及SDG 13（气候行动）等目标。研究强调，制定稳定的碳定价机制和逐步淘汰化石燃料补贴是推动铝行业减排的关键措施。同时，能源市场的改革和长期合同的引入有助于减少价格波动带来的不确定性，提高可再生能源的经济竞争力。

此外，研究还考虑了不同地区能源市场的差异。例如，在瑞士，由于其电力供应主要依赖于水力发电，但电力价格仍然受到国际市场的影响，因此完全电能驱动的减排方案可能在该地区面临较高的经济成本。而在其他地区，如欧洲某些国家，天然气价格相对较低，这使得天然气驱动的方案在短期内更具成本优势。因此，针对不同地区的政策和市场条件，铝行业的减排路径需要进行相应的调整，以确保其经济可行性和环境效益。

在技术实施方面，研究强调了资源多样化的重要性。通过引入生物质作为替代能源，铝生产过程可以在一定程度上降低对化石燃料的依赖，从而减少碳排放和相关的碳税成本。然而，生物质的供应稳定性、运输成本以及储存能力仍然是影响其经济可行性的关键因素。特别是在面对能源危机时，生物质市场的波动性可能对铝行业的成本产生显著影响。因此，未来的研究需要进一步评估生物质供应链的韧性，并探索如何通过技术改进和政策支持提高其经济性和可行性。

本研究还指出，铝行业的减排路径不仅需要考虑经济因素，还需要关注供应链的稳定性。例如，某些技术，如电解器和热能存储系统，可能依赖于全球化的供应链，这使得它们容易受到关键原材料短缺或制造瓶颈的影响。因此，在制定减排策略时，必须综合考虑技术的成熟度、供应链的稳定性以及政策支持的力度，以确保这些技术能够在实际应用中发挥应有的作用。

综上所述，铝行业的减排路径在面对能源价格波动和碳税变化时，其经济性和可行性受到显著影响。因此，制定稳健的决策框架，结合市场分析、技术评估和政策设计，对于推动铝行业实现碳中和目标至关重要。未来的研究可以进一步探索如何将这些方法应用于其他行业，同时考虑更广泛的参数不确定性，如资本支出、技术成熟度以及环境影响等。此外，随着可再生能源技术的不断发展和成本的逐步降低，铝行业的减排路径将变得更加多样化和经济可行。