中国铝业脱碳：可再生能源技术与碳捕获、利用与储存协同作用的综合评估

《Applied Energy》：Decarbonizing China's aluminium industry: a comprehensive assessment of synergistic carbon capture, utilization, and storage with renewable energy technologies

　　摘要：作为清洁能源转型不可或缺的推动力，同时也是实现难以减排行业脱碳的关键所在，铝工业处于一场深刻的产业矛盾核心之中，而这一问题在中国尤为突出，中国全球铝产量占比接近60%。本研究构建了涵盖262条生产线的自下而上的工厂级数据库，并建立了铝业碳捕集、利用与封存（CCUS）与可再生能源（RE）协同优化模型（Al-CRESO），用于系统评估2030年至2060年中国铝工业的脱碳潜力、路径及经济竞争力。研究结果表明，当前该行业的排放存在结构性双重特征，直接排放（321.76百万吨二氧化碳当量）与间接排放（263.17百万吨二氧化碳当量）的占比几乎相当，这表明仅依靠CCUS或可再生能源替代都无法实现近零排放。采用协同部署方案，2030年至2060年间可累计减少约9130百万吨二氧化碳当量的排放量，这一数值是仅采用CCUS方案的2.2倍，也是仅依靠可再生能源替代方案的近5倍。从经济层面来看，协同部署可使CCUS的总净成本降低63.76%，同时使平均边际减排成本降低多达49%。敏感性分析表明，该系统对可再生能源价格波动具有较强抵御能力，但对原油价格及CCUS技术成本则极为敏感。所提出的框架为全球铝工业的脱碳提供了可借鉴的方法论，也为政策制定者实现碳中和目标提供了具体指导。

引言：作为最大的有色金属行业，铝工业在全球气候减缓工作中处于关键却又矛盾的位置。作为电动汽车、光伏电池板以及轻量化基础设施的核心材料，铝是推动清洁能源转型的不可或缺的要素[1]。然而，其生产过程仍是全球能源消耗和碳排放最严重的工业领域之一。根据国际铝业协会的数据，全球铝工业每年产生的二氧化碳当量约为11亿吨，约占全球人类活动总排放量的2%[2]。这一矛盾在中国表现得更为明显。中国占据全球铝土矿和原铝产量的近60%，主导着全球市场[3][4]（见图1）。与此同时，中国拥有全球最大的可再生能源市场，预计未来全球新增的可再生能源装机容量中将有近60%来自中国[5]。在“双碳”目标的驱动下，中国政府要求铝工业在2030年前达到碳排放峰值[6]。为进一步推动这一转型，中国于2025年将铝冶炼行业纳入国家碳排放权交易体系[7]。随着全球1.5℃气候目标的日益难以实现[8][9]，将全球升温控制在2℃已成为当务之急。因此，中国铝工业的脱碳不仅关乎国内政策目标，更是决定全球气候走向的关键因素。重工业的深度脱碳是全球气候行动的下一个重要方向。由于铝的生产高度依赖高碳排放的原材料和能源，要使如此庞大的工业产能完全摆脱化石燃料的依赖，面临着巨大的“难以减排”挑战，且需要付出高昂的转型成本[10]。

作为全球最大的有色金属行业，铝工业目前主要采用两种生产方式：原铝生产和再生铝生产，如图2所示。原铝生产通常从铝土矿开采开始，通过拜耳法提纯为氧化铝，最后通过霍尔-埃鲁法进行电解冶炼。这一流程本身就能耗极高，电解阶段需要消耗大量电力，而氧化铝提纯则依赖化石燃料燃烧提供热能。因此，原铝生产会产生大量的直接二氧化碳排放，若电力来自燃煤电厂，还会产生巨额的间接排放（见图3）。此外，为满足巨大的能源需求，许多大型炼铝厂还自行建设燃煤发电厂，这种做法实际上将间接的电网排放转化为直接的现场排放，进一步加剧了工厂的碳足迹。另外，电解过程中使用的碳阳极在氧化还原反应中也会释放大量二氧化碳，成为另一重要的工艺排放源。相比之下，再生铝生产则是通过炉子熔化并重新铸造铝废料，以天然气或其他化石燃料作为主要能源。由于无需经过能耗极高的提纯和电解环节，再生铝生产的能耗仅为原铝的5%至10%[11]，因此其碳足迹相对较低。尽管如此，鉴于行业低碳转型的迫切需求以及再生铝需求的持续增长，这些排放问题仍需得到解决[12]。

为减轻上述巨大的碳足迹，铝工业探索了多种脱碳路径。虽然再生铝生产的排放强度最低，但其发展受到铝废料供应有限的制约。诸如用氢气替代热处理过程、在电解槽中使用惰性阳极等新兴技术，为深度脱碳带来了希望，但由于技术瓶颈和较高的资本成本，这些技术在短期内难以大规模商业化应用。因此，目前的脱碳策略必须依靠结构性的能源改革。电力生产是该行业最大的二氧化碳排放源，尤其是在原铝生产中；事实上，仅实现电力供应的脱碳就能使整个行业的排放量减少近70%[15]。将工厂的能源来源转向零碳排放的可再生能源，是解决这一主要间接排放源、实现供给侧脱碳的关键。然而，仅依靠能源替代还不够，因为即使使用100%的清洁电力，电解过程由于碳阳极的电解消耗，仍会产生直接的二氧化碳排放。为弥补这一最后的减排缺口，CCUS是目前唯一可行的技术手段。通过捕获工艺过程中不可避免的排放以及燃煤电厂的直接排放，CCUS成为实现真正碳中和的重要技术支撑[16]。目前，欧洲和海湾合作委员会地区的多家铝冶炼厂已启动CCUS试点项目[2]。更重要的是，可再生能源和CCUS的部署不应被视为独立的策略，而应作为一个协同耦合的系统来实施。一方面，CCUS本身是一个能耗极高的过程，若用化石燃料为碳捕集设备供电，将会抵消部分减排效果，因此将可再生能源整合进来是让CCUS真正成为低碳解决方案的基本前提。另一方面，CCUS可为可再生能源创造巨大的需求，为解决中国普遍存在的风能和太阳能发电限电问题提供有效途径。这种整合不仅能弥补仅依靠可再生能源无法解决的排放问题，还能最大化可再生能源的利用效率。因此，可再生能源与CCUS的协同作用形成了一种互补的供需模式，对于实现深度脱碳至关重要。

尽管这种集成方法的理论必要性已得到充分认可，但现有文献大多侧重于宏观层面的预测以及广泛的脱碳路径探索。许多研究从全球和国家层面对这些路径进行了量化分析。例如，Dardor等人[10]对铝工业脱碳过程中面临的诸多挑战进行了全面总结，提出了一个包含工艺整合、能源与?效率、技术经济可行性以及生命周期评估四个层面的框架。通过在该框架下计算20多项具体指标，他们的研究为整个铝产业链的决策提供了重要支持。此外，他们的团队还开发并应用了一个涵盖全厂的优化框架，该框架整合了可再生能源和生物质能，用于设计和评估铝生产的脱碳工艺方案，这一框架通过在瑞士西耶尔的诺贝利斯公司进行的案例研究得到了验证[17]。同样，Yuan等人[14]运用物质流分析方法，评估了中国铝工业中典型制造过程的碳强度，指出能源结构和物质结构是导致这些排放的主要因素。Zhu等人[15]追踪了自1950年以来中国铝工业的温室气体排放情况，随后提出了六种不同的减排策略，并对其进行了量化分析：生产控制、节能、氢能利用、电网脱碳、惰性阳极应用以及CCUS。Zhang等人[18]采取了更为细致的研究方法，构建了一个涵盖42个国家和地区163家原铝冶炼厂的数据库。通过针对不同工厂的具体情况进行分析，他们找出了那些排放量最高且减排潜力最大的工厂，从而强调了可再生能源替代的长期重要性以及部署CCUS的必要性。在具体技术应用方面，Yue等人[19]提出了一种可再生能源电力系统，该系统能够将电解铝的负荷与火电的深度调峰相结合进行优化。他们以中国某个区域电网为案例，验证了该模型在三种不同风能情景下的调峰性能。Li等人[20]量化分析了1990年至2018年中国原铝工业的温室气体排放趋势，确定了影响这些变化的关键因素，并提出了相应的减排策略；Daniel Flórez-Orrego等人[21]运用技术经济分析框架，结合CCUS、热电联产和可再生能源，评估了再生铝生产的脱碳策略，指出在再生铝生产中需要多种技术协同作用，以实现资源的最优整合、最小化排放并确保长期可持续发展；Li等人[22]开发了一种多因素分析模型，研究了中国铝工业的九种不同发展情景，强调了CCUS对于实现该行业净零排放的重要性以及其与碳市场的协同作用；Sun等人[23]通过综合能源-环境-经济分析框架，以中国河南省为案例，探讨了实现碳中和的潜在路径。同时，Wang等人[24]开发了SP3G/D匹配模型和EDSAC评估模型，用于研究如何将可再生能源与中国钢铁工业相结合，以实现低碳生产。在探讨更广泛的系统性影响方面，Xiao等人[25]运用CGE模型，分析了在高比例可再生能源接入的情况下，结合CCUS实现电力行业脱碳所带来的环境和经济效应。他们的研究结果指出，可再生能源资源与脱碳后的火电设施在空间分布上存在不匹配现象，这凸显出打破省际电力交易市场壁垒的紧迫性。在研究其他重工业领域时，Wang等人[26]为中国水泥行业构建了CCUS源-汇匹配模型，量化分析了碳-能源-水之间的关系以及CCUS部署所带来的经济成本。最后，Liu等人[27]研究了氧化铝提纯过程中产生的红泥在CCUS应用中的利用价值。他们证明，将红泥纳入CCUS工艺中，不仅可以大量封存二氧化碳并中和红泥的碱性，还能减少过量固体废弃物的积累。

尽管在脱碳研究方面已取得显著进展，但现有文献仍存在三个重要的研究空白，这些空白可能会限制现有模型在中国特定工业环境中的应用。首先，从方法论角度来看，以往的研究大多采用自上而下的宏观经济总量模型。虽然这类模型能为国家层面的发展趋势提供有价值的洞察，但由于缺乏自下而上的工厂级细节，它们往往无法充分反映中国工业布局中明显的空间差异。由于没有考虑具体的运输距离和地区能源价格，这些方法通常基于一些通用假设，因此基于这些框架得出的成本估算在将理论上的脱碳路径转化为实际基础设施建设时可能存在一定的不确定性。其次，在行业覆盖范围方面，现有的CCUS源-汇匹配研究主要集中在大型排放源上。虽然电力、钢铁、水泥和煤化工等行业已经有了较为全面的技术经济评估[28]，但尽管铝工业的碳足迹相当大，却在相关研究中相对较少被关注。第三，从整体系统角度而言，目前还有很少研究同时考虑可再生能源资源分布、排放源位置以及碳储存潜力之间的时空匹配关系，因此对于这种综合机制在不同时间尺度上的动态优化研究还远远不够。为了尽可能填补上述研究空白，本研究建立了一个具有工厂级精细度的全面自下而上分析框架，用于定量评估中国铝工业中CCUS与可再生能源整合的减排潜力及技术经济可行性。本文旨在回答以下三个关键研究问题：
Q1：中国铝产业内的碳排放存在怎样的空间异质性特征？区域可再生能源资源禀赋与地质储存条件又如何制约或推动各工厂层面的脱碳路径？
Q2：与单独采用的技术路径相比，CCUS与可再生能源一体化部署能带来多大的额外减排潜力？这种一体化的时空分布特征是什么？
Q3：这种一体化脱碳路径在技术经济层面具有多大的竞争力？决定其长期可行性的主要成本因素和风险有哪些？

通过系统解答这些问题，本研究在方法论、实证分析和政策启示三个维度上拓展了现有研究。它为中国铝产业的低碳转型提供了坚实的学术支撑和可操作的政策建议，同时也为全球其他希望通过CCUS与可再生能源一体化实现铝产业脱碳的国家提供了重要参考。本研究的主要贡献和创新点如下：
(1)通过构建涵盖中国262条铝生产线的工厂级数据库并开展系统性碳核算，从自下而上的视角揭示了中国铝产业的空间锁定型排放模式及结构双重性特征，为不同铝产区的个性化脱碳路径选择提供了工厂级的实证依据。
(2)首次在铝产业中应用基于混合整数线性规划（MILP）的CCUS源-汇匹配模型，并将可再生能源替代的时空匹配纳入成本最小化优化模型。该模型量化了2030–2060年间技术协同作用相较于单一路径方案在减排规模和成本效益方面的显著优势，同时明确了铝产业一体化脱碳系统中的主要风险来源及稳健性边界，为行业深度脱碳决策及政策制定者设计有效政策工具提供了可量化的证据和理论支持。

**研究框架**
本研究的技术路线如图4所示。首先，采用自下而上的方法，调研并整理了该行业262条生产线的产能数据，包括氧化铝、原铝和再生铝生产线，同时进行了严格的碳排放核算。其次，基于MILP模型，建立了铝CCUS与可再生能源协同优化模型（Al-CRESO模型）。该模型以最小化系统总成本为目标，整合了生产与碳锁定的空间供需匹配机制。

**生产的空间异质性与碳锁定**
中国铝产业的脱碳进程受到其排放结构及生产能力空间异质性的根本制约。本研究涵盖了该行业的262条生产线，其中包括39条氧化铝生产线、86条原铝生产线以及137条再生铝生产线，其基准产能分别为51.62百万吨、37.02百万吨和11.64百万吨。如图5(a)所示，该行业的排放特征存在双重挑战，这使得……

**与现有文献的比较**
现有关于铝产业脱碳的研究普遍认为，没有一种单一技术路径能够独立实现接近零排放。该行业的主要脱碳选项包括可再生能源电力整合、惰性阳极技术、热加工过程中的氢替代以及CCUS技术。对于可再生能源电力，先前的研究表明，通过灵活调整铝电解负荷与可再生能源发电系统的调度时间，可提升可再生能源的利用效率。

**结论**
在本研究中，我们构建了包含262条铝生产线的自下而上数据库，并建立了Al-CRESO优化模型。借助这一框架，我们系统评估了2030年至2060年间通过可再生能源与CCUS一体化实现中国铝产业脱碳的潜力、路径及经济可行性。主要研究结果如下：
(1)铝产业的碳足迹存在明显的地理和结构差异，这决定了……

**政策启示**
通过利用工厂级的空间分辨率，本研究系统证明了在中国铝产业中将CCUS与可再生能源相结合，不仅仅具有技术互补性，更具有经济放大效应，能够显著提升系统的韧性。因此，这种一体化路径是实现行业深度脱碳、达成更广泛碳中和目标的重要支撑。这些研究结果为政策制定提供了可操作的建议。

**作者贡献声明**
徐庆昌：撰写——初稿。王鹏涛：撰写——审阅与编辑、资源获取、资金筹集、数据整理、概念设计。王飞银：撰写——审阅与编辑、方法论、数据整理。王浩宇：软件应用、方法论。张一翔：调查分析、形式化分析。徐茂：形式化分析、数据整理。尹世岩：项目管理、调查分析。陈勋：验证、监督。张颖：监督、数据整理。张立春：软件应用。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
我们衷心感谢国家自然科学基金委员会（项目编号72474067）、河北省自然科学基金（项目编号G2025209003）、天津市自然科学基金项目（项目编号24JCQNJC00200）、唐山市科学技术局（项目编号24150211C）以及中国石油大学石油资源与勘探国家重点实验室（编号PRP/open-2202）的资助。同时，我们也感谢各位同事的支持，以及……的帮助。

徐庆昌|王鹏涛|王飞银|王浩宇|张一翔|徐茂|尹世岩|陈勋|张颖|张立春
中国河北省唐山市063210，华北理工大学矿业工程学院