煤电退出侵蚀粉煤灰替代熟料的协同效益：基于中国基础设施级产业共生模拟的水泥脱碳适应成本研究

《The Innovation》：Coal phaseout undermines co-benefits of fly ash as a clinker substitute

　　

以粉煤灰替代熟料是水泥熟料厂（CCPs）重要的CO₂减排路径，但该潜力可能受到燃煤电厂（CFPPs）退出进程的不利影响。研究人员基于涵盖中国约4,460个CFPP机组和1,540条CCP生产线的 高分辨率基础设施级数据库，通过产业共生模拟和成本效益分析，评估了CCPs在未来不同CFPP退役与灵活调度路径下的减排表现和适应成本。研究结果表明，CCPs通过粉煤灰替代熟料可减少141 Mt CO₂排放，并产生82亿元人民币（CNY）经济效益。然而，在2050年1.5°C升温目标下，煤电退出将使其效益损失超过80%。尽管部署适应措施可抵消57 Mt CO₂损失，但这些措施会给CCPs带来额外50亿元人民币成本，可能使净经济效益转变为约170亿元人民币的净损失。针对高度关联行业制定系统性协同脱碳策略，对于缓解转型风险和提高决策有效性至关重要。

研究人员围绕煤电退出削弱粉煤灰替代熟料协同效益的问题进行解读。CFPPs（燃煤电厂，coal-fired power plants）和CCPs（水泥熟料厂，cement clinker plants）是碳密集型基础设施，合计贡献全球近48%的人为CO₂排放，在中国占比超过56%。CFPPs可通过未来数十年退役机组实现净零，CCPs则在满足需求的同时削减熟料生产过程CO₂排放存在固有障碍。现有减排策略受技术瓶颈和产业链锁定限制，单部门深度低成本减排困难；基础设施共生因经济和协同减排优势成为有前景的方案。CCPs可回用CFPPs产生的粉煤灰，中国超过四分之一粉煤灰被CCPs回收，替代近十分之一水泥产量；CCPs近60%的CO₂排放来自熟料生产中的石灰石分解，粉煤灰替代熟料是水泥部门削减过程排放的核心措施。然而，CFPPs容量削减和加速退役导致粉煤灰产量大幅下降，威胁CFPP-CCP共生，使CCPs难以有效实施熟料替代。既有水泥脱碳研究多保持熟料替代水平不变，低估忽视工业共生的脱碳风险，且缺乏稳健定量证据。为此，研究人员构建高分辨率基础设施级数据库，整合运输网络建模、风险评估和情景优化，定义“强化CCPs粉煤灰熟料替代”共生情景，在2023—2050年正常电厂寿命内，模拟三类CFPPs碳减排策略下CFPPs与CCPs的最优匹配，量化CCPs脱碳对CFPP政策变化的成本效益响应并识别隐性系统风险，并通过反事实优化情景“维持并强化熟料替代”验证将基础设施共生纳入脱碳规划的效益。研究结论表明，粉煤灰替代熟料可带来显著环境和经济效益，但煤电退出会大幅削弱这些协同效益并推高水泥脱碳适应成本，需发展系统性协同脱碳策略。该研究发表于《The Innovation》，对高度关联行业缓解转型风险、提高决策有效性具有重要意义，也为具有类似工业配置的经济体提供启示。

方法概述：研究人员建立覆盖中国约4,460个CFPP机组和1,540条CCP生产线的数据库，数据来自官方统计、文献和公开项目/公司报告，并核对省级水泥产量与火电发电量。利用ArcGIS 10.5 Network Analyst与OpenStreetMap道路网络构建粉煤灰运输网络，以Maximize Coverage位置分配算法在100和300 km阻抗范围内模拟CFPP-CCP最优连接。设计CFPPs退役策略包括BAU（一切照旧，business as usual）、2°C和1.5°C早期退役（基于退役成本RC和环境调整退役成本ARC）及灵活调度；建立熟料替代策略、成本效益分析、风险评估和反事实优化（CE-EFA、APS、综合方案），并用云模型开展不确定性与敏感性分析。

研究结果：（1）Environmental and economic benefits of fly ash as a clinker substitute（粉煤灰作为熟料替代的环境与经济效益）。通过空间匹配和共生模拟，100 km半径内456个CCPs（41%，624条生产线）与1,399个CFPPs（84%，3,766个机组）形成共生，获取359 Mt粉煤灰；CCPs消纳189 Mt粉煤灰（173 Mt熟料替代、16 Mt原料替代），占全国粉煤灰44%。粉煤灰替代使共生CCPs减少CO₂排放141 Mt（32%）和AP（大气污染物，air pollutant）排放149 kt（35%），其中SO₂ 43 kt、NO_x 86 kt、PM_2.5 20 kt；全水泥部门减排率为13%和14%，高于全球平均约6.3%。CFPPs净利润58亿元人民币（CNY）并避免26亿元填埋成本，85%共生CCPs净利润82亿元，42个CCP在补贴下扭亏。空间错配仍限制替代，福建、吉林、广西等地CCPs难以获得足够粉煤灰，延长运输距离不能缓解；41%共生CCPs受产能约束，剩余170 Mt粉煤灰需其他方式处置。
（2）Benefit and cost changes of clinker substitution driven by coal phaseout（煤电退出驱动下熟料替代的效益与成本变化）。通过情景模拟和成本效益分析，煤电退出限制粉煤灰替代潜力。2030年从BAU到1.5°C目标，CCPs相关CO₂和AP减排及经济收益分别下降20—70 Mt、20—79 kt和9.6—42亿元；2040和2050年1.5°C下环境和经济效益损失达2023年的6.6和7.4倍，剩余协同效益不足2023年的20%和12%；2°C下损失约为1.5°C的2030年三分之一、2040年一半。反事实分析显示，CCPs适应成本从2030年18—25亿元升至2040年约38亿元和2050年50亿元，增长逾2倍；2050年1.5°C下CCPs适应成本超过CFPPs搁浅资产成本。净效益从170亿元盈余转为3100万—8.46亿元净损失；若均摊，熟料价格将上涨27—64元/吨，接近当前市场价六分之一。严格煤电退出下CCPs风险暴露约占其净效益15%，CFPPs超过50%；2050年CCPs升至近40%，CFPPs降至15%以下。超过60%受影响CCPs即使采用其他低碳技术仍无法抵消CO₂减排损失；2030年CCPs低碳技术组合的CRP（CO₂减排潜力，CO₂ reduction potential）仅47 kg CO₂eq/t熟料，低于仅熟料替代的66 kg CO₂eq，2040和2050年差距达74—196和126—150 kg CO₂eq，需将技术部署扩大至少2.3倍。2050年EE9（熟料煅烧优化）和EE4（先进熟料冷却）将超过粉煤灰替代成为主导技术，CCS（碳捕集与封存，carbon capture and storage）预计贡献7.9 Mt CO₂减排；2030年20 Mt总减排主要来自低渗透技术，2050年额外71 Mt主要依赖高渗透成熟技术，整体脱碳成本近6倍增长。
（3）Optimization schemes for maintaining and strengthening clinker substitution（维持并强化熟料替代的优化方案）。通过单部门和双部门反事实优化模拟，2030年BAU下扩大富粉煤灰共生CCPs产能可提高熟料产量388 Mt，额外减少CO₂ 98 Mt并增加经济收益31亿元，使总净效益提高72亿元；2040年2°C经济策略下延迟共生CFPPs退出可提高CCPs净效益16亿元，但60亿元搁浅损失使共生系统总净效益下降66%；灵活调度而非早期退役也会推高搁浅成本并削弱协同效益。双部门联合干预中，2050年1.5°C下容量扩张和修订退役计划仅额外减少CO₂ 14 Mt，且收益被成本抵消；灵活调度下CCP成本较1.5°C情景下降1500万元，协同效益提高约6%。优化方案短期可降低风险暴露：2030年BAU下CCPs和共生系统风险暴露下降超过10%；2040年2°C下仍使CCPs风险暴露下降约5%，但使CFPPs风险暴露上升超过30%；2050年使CCPs风险暴露上升约15%—30%。短期干预优化效果更明显。

讨论指出，当前CFPP-CCP共生可带来显著环境经济效益，但粉煤灰作为替代胶凝材料的深度锁定增加两类基础设施依赖。CFPPs早期退役使CCPs可用替代胶凝材料骤降，熟料替代策略更难实施；煤电退出显著损害CCPs的CO₂减排效益，在1.5°C目标规模下CO₂减排可下降超过80%，并对需求侧和其他供给侧技术部署构成风险。该发现形成双重挑战：一方面需维持足够CO₂减排规模以满足温控目标，另一方面需为新兴脱碳风险做好准备。对CFPPs而言，早期退役不再只是单部门收益—成本权衡，其影响会通过共生网络向部门外传递和放大；对CCPs而言，作为被动接受者风险更大，熟料替代失败会显著增加脱碳难度和成本。研究人员强调应抓住脱碳窗口期推动部门协同转型，而非将全部气候雄心集中于单一部门。建议包括：CFPPs按原决策标准调整共生电厂退役策略，或采用更灵活的机组改造而非全面早期退役；对产能过剩但粉煤灰丰富的CCPs考虑战略保留；通过市场规制和经济补偿促进协同，如调整不同水泥等级粉煤灰掺入的退税、鼓励高等级水泥品种消费、增加固废处置和适应技术部署补贴。研究还指出，印度、东南亚和东欧等煤依赖地区也依赖煤电与水泥、钢铁等高排放重工业的工业共生，快速煤电退出破坏既有共生并损害脱碳协同效益是全球低碳转型的共同挑战；所提系统框架、情景模拟和跨部门协同策略可为政策制定者提供参考。局限在于定量输出高度依赖中国电力结构、工业空间布局、粉煤灰利用效率和地方政策安排，直接数值外推可能产生偏差，但核心机制具有普遍适用性：不协调的跨部门脱碳会削弱工业共生并加剧系统转型风险。研究结论翻译如下：总之，必须在风险显现之前准确评估其影响，把握共生部门当前协同脱碳的机遇，并及时实施适应策略。