《Open Ceramics》：Incentivising the rapid decarbonisation of ceramic manufacturing in the United Kingdom through fuel switching strategies
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摘要：陶瓷产品广泛应用于从建筑到航空航天再到医疗保健等多个领域。虽然大多数学术资助和研究聚焦于技术陶瓷和电子陶瓷，但传统陶瓷（如建筑材料、日用瓷和卫浴瓷）构成了全球产量的绝大部分。英国的情况也是如此，其近90%的陶瓷产量来自重粘土（heavy clays）。按
摘要：陶瓷产品广泛应用于从建筑到航空航天再到医疗保健等多个领域。虽然大多数学术资助和研究聚焦于技术陶瓷和电子陶瓷，但传统陶瓷（如建筑材料、日用瓷和卫浴瓷）构成了全球产量的绝大部分。英国的情况也是如此，其近90%的陶瓷产量来自重粘土（heavy clays）。按吨位计算，砖是最常见的重粘土产品（占90%），其次是其他建筑构件，包括屋面瓦和陶土排水管。由于高熔点特性，陶瓷无法通过铸造成型。因此，粘土被模塑成型后在高温下（通常高于900?°C）进行烧制，此时低熔点的原材料发生反应生成玻璃态（玻化相）。这些烧制温度由连续式或间歇式窑炉提供。连续式窑炉最适合大规模生产，例如砖块制造中使用的“隧道窑”。大多数砖和屋面瓦的生产采用天然气作为燃料，这驱动了该行业超过90%的能源消耗。2012年，英国重粘土子行业的天然气烧制产生了该子行业63%的排放量（即0.5 Mt CO2），加上工艺排放（20%）和电力消耗（14%）。这凸显了天然气燃料转换对于重粘土生产减排的重要性，尽管迄今为止大部分努力都集中在提高能源效率上，这主要是受高昂能源成本的驱动。然而，英国重粘土子行业的脱碳进展缓慢。设备使用寿命长（约40年）、窑炉资本成本高、利润空间紧张以及研发投入低，抑制了一个由中小企业主导的行业的变革。通过开发更好的、基于证据的脱碳商业案例可以加速这一进程，因为这些企业中的大多数将在2050年之前仅更换一次窑炉。本文旨在支持此类商业案例的开发，以帮助加速陶瓷制造业的脱碳。
1. 研究背景与问题
陶瓷材料广泛应用于建筑、航空航天和医疗等多个领域。在英国，陶瓷生产的近90%集中于重粘土产品，其中砖块按吨位计算占比最高（90%）。这些产品的生产过程中，最关键且能耗最高的环节是烧制阶段，通常需要在超过900?°C的高温下进行。目前，绝大多数砖和屋面瓦的生产依赖天然气作为燃料，这导致了该行业超过90%的能源消耗以及主要的碳排放。2012年的数据显示，仅英国重粘土子行业中天然气烧制就贡献了该子行业63%的排放量。
然而，该行业的脱碳进程十分缓慢。主要障碍包括：窑炉长达约40年的服务寿命、高昂的资本重置成本、紧张的利润空间以及较低的研发投入，尤其是在一个由中小企业主导的市场环境中。这些企业预计在2050年前仅会更换一次窑炉，因此，当前的投资决策至关重要。现有研究多聚焦于提高能源效率，但对根本性的燃料转换策略缺乏全面且综合的商业案例分析。已有的少数研究未能将技术进步（如电窑和氢窑的最新发展）、技术成熟度、排放效益、成本以及燃料本地可用性等关键因素整合到一个统一的模型中进行分析。
因此，本研究旨在填补这一空白，通过建立一个更全面的商业案例，系统评估不同燃料转换策略在技术上的可行性和经济上的合理性，从而为英国陶瓷制造业的快速脱碳提供决策依据。
2. 研究方法
研究人员采用了一种结合技术可行性评估与经济可行性评估的综合方法来构建商业案例，并以英国的重粘土子行业为研究对象。
关键技术方法如下：
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技术可行性评估：从三个维度对燃料转换策略进行评估：1）烧制技术的成熟度（Technology Readiness Level, TRL），数据来源于文献综述中对各技术发展现状的判断；2）烧制阶段所需资源占国家总产量的比例，通过对比英国砖块烧制的总能量需求与国家层面可再生能源发电量、生物甲烷和氢气产量来计算；3）资源的碳排放强度，基于英国政府机构发布的数据，分别考虑了电网电力、生物甲烷和灰氢在不同情景下的单位碳排放量（gCO2/kWh）。
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经济可行性评估：重点分析了电气化方案的经济性，因为生物甲烷缺乏公开的批发价格数据，而氢气的技术可行性较低。研究使用了英国商业、能源和工业战略部（DESNZ）发布的制造业企业实际支付的天然气和电力价格数据，并按小型、中型和大型消费者进行分类。同时，引入了英国天然气和电力市场办公室（Ofgem）的远期合约和日前批发价格数据进行比较。模型进一步模拟了电窑效率提升以及不同碳价水平（对天然气征收）对每吨砖块烧制成本的影响，以探索实现电价与气价成本均等的条件。
3. 研究结果
3.1 燃料转换策略的技术可行性评估
研究人员将三种燃料转换策略在技术成熟度（TRL）、碳排放强度和所需的国家资源份额三个指标上进行了比较。
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生物甲烷：具有最高的技术成熟度（TRL 9），可直接用于现有窑炉。但其年产量远低于可再生电力，满足砖块烧制阶段的需求需要消耗现有生物甲烷供应量的10%-20%。由于生物甲烷在总天然气消费中占比很小（约1%），研究人员认为通过现有天然气管网实现全行业脱碳不现实，需要建立生物甲烷生产商与陶瓷厂之间的直接连接。
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电气化：大规模电窑的应用仍需创新，但工业示范项目（如GreenBricks项目）已达到较高的技术成熟度（TRL 7-8）。英国的可再生电力资源丰富，且政府目标是在2030年前将电网碳排放强度降至接近零。然而，制造工厂普遍分散且电网连接有限，需要加强现场可再生能源发电或改善电网接入。
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氢气：虽然受到关注，但面临重大挑战。现有英国灰氢产量的大部分将被重粘土行业消耗，但其碳排放强度（290-380 gCO2/kWh）极高，会导致每吨烧制粘土的排放增加。绿氢虽可降低排放，但目前尚未规模化生产，且涉及安全、技能和资本投入等新问题。氢气的供应量小、碳排放强度高、技术成熟度低，因此在后续经济评估中被排除。
3.2 燃料转换的经济可行性：电气化的价格差异
研究人员聚焦于电气化与天然气之间的成本比较。
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数据显示，2020-2024年间，英国制造业企业支付的电价始终高于天然气价格。2024年，小型、中型和大型消费者的电价分别比天然气价格高出约20、17和12便士/千瓦时。即使是大规模消费者，其面临的价差也约为批发价差的2.5倍。
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通过模拟发现，即使将电窑效率从理论最小值的60%提升至95%，每吨砖块的烧制成本也只能降低约￡25-￡40。但由于天然气与电力之间的巨大基础价差，即便使用最高效的电窑，其烧制成本仍然高于现有的天然气窑炉。
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引入针对天然气的碳定价机制可以弥补这一差距。对于大型消费者，当碳价略高于6便士/千瓦时时，高效电窑可与天然气窑达到成本均等；而对于小型消费者，所需的碳价需超过10便士/千瓦时。
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如果制造商能够获得接近批发电价的能源价格，那么一个较低的碳价（如2便士/千瓦时）就足以使高效电窑具备成本竞争力。
4. 讨论与结论
讨论部分总结：研究人员强调，燃料转换是实现重粘土陶瓷制造脱碳的关键，但不存在单一的解决方案。氢气因其供应、排放和技术成熟度方面的劣势，不应成为近期商业案例的基础。生物甲烷虽然技术风险最低，但其供应受限，政策应支持其与制造工厂的直接连接。电气化是最具潜力的路径，因为电网电力充足且清洁化前景明确，但高昂的电价是其最大障碍。提高电窑能效可以缩小成本差距，但仍需政策干预。碳定价是一种潜在工具，但大幅提高天然气税可能给利润率微薄的行业带来碳泄漏风险。更可行的途径是通过政策措施帮助制造商获取更接近批发电价的能源，并辅以对能效提升的支持。
研究结论翻译：英国大部分的陶瓷制造集中于重粘土建筑产品（如砖块），因此，对其生产过程中能源密集型的烧制阶段进行脱碳是实现减排的重要一步。本研究通过技术和经济可行性评估，丰富了燃料转换的商业案例。技术评估表明，鉴于电力窑炉和生物甲烷窑炉在当前生产过程中具有更高的技术成熟度、更低的碳排放强度以及更高的国内生产率，它们应优先于氢气窑炉得到发展。生物甲烷可用于现有设备，但需要支持生物甲烷与陶瓷制造工厂之间的直接连接，以实现有意义的减排。通过模拟英国电力和天然气价格，本研究表明，政策制定可以通过促进能效创新以及解决低碳电窑与天然气窑炉之间的价格差异来激励燃料转换。
