难减排部门脱碳：面向低碳水泥生产的混合电气化方法

《Energy》：Decarbonizing hard-to-abate sectors: A hybrid electrification approach for low-carbon cement production

　　

能源密集型产业的脱碳，尤其是水泥行业，对于实现全球气候目标至关重要。水泥生产约占全球CO₂排放量的7%，主要源于约1450°C下以化石燃料驱动的熟料形成过程。关键挑战包括对化石衍生热能的严重依赖、热能利用效率低下，以及煅烧反应产生的过程排放。本研究提出了一种综合脱碳框架，通过对水泥生产过程进行电气化，并整合绿色电制氢、现场风能和太阳能光伏发电，以及由钠离子电池和熔融碳酸盐燃料电池组成的混合储能系统。研究人员对三个具有不同可再生能源资源和气候条件的欧洲地点进行了案例研究，证明了所提出系统的广泛适用性和有效性。结果表明，混合风-光配置相较于最先进技术可实现高达45%的减排，显示出该系统显著的CO₂减排潜力。这些技术具有可扩展性和适应性，可推广至案例研究地点之外，为大幅减少水泥生产中的CO₂排放提供通用解决方案。通过电气化水泥生产过程，风能系统的能源成本为252—285美元/兆瓦时，混合光-风配置为247—272美元/兆瓦时，太阳能系统为249—277美元/兆瓦时。

**《能源》论文解读：面向难减排水泥行业的混合电气化脱碳路径研究**

**一、研究背景与现存问题**

水泥行业作为全球第二大使用材料——混凝土的核心生产部门，年产量高达30亿吨，其生产过程贡献了全球约5%—7%的CO₂排放。水泥制造的核心环节——熟料生产，需要在约1400°C的窑炉内完成碳酸钙（CaCO₃）和碳酸镁（MgCO₃）的分解反应，这一过程不仅依赖化石燃料提供高温热能（占CO₂排放的40%），煅烧反应本身还会释放大量过程性CO₂（占60%）。由于水泥生产需要持续高温，且当前只有化石燃料燃烧能够满足这一需求，水泥行业被视为"难减排部门"之一。尽管干法工艺替代湿法工艺、预热器和预分解炉的引入已降低了燃料消耗，但生物燃料替代方案因可持续来源的规模化供应不均而难以全球推广。在此背景下，探索水泥生产的深度脱碳路径成为实现《巴黎协定》气候目标的迫切需求。

**二、研究内容与核心发现**

针对上述挑战，研究人员提出了一种集成化脱碳框架：利用Coolbrook公司开发的回转动力加热器（RDH）实现窑炉电气化，并结合现场风能、太阳能光伏发电，以及由钠离子（Na-ion）电池和可逆熔融碳酸盐电池（rMCC）组成的混合储能系统（HESS）。该系统设计为90 MW_el的全电气化水泥厂，其中rMCC兼具双重功能——在可再生能源发电高峰期作为电解池制氢实现长期储能，在其他时段作为燃料电池发电，同时从窑炉烟气中捕集CO₂。

研究人员利用混合能源多资源优化（HOMER）模拟工具，对德国不来梅、意大利罗马和芬兰坦佩雷三个具有不同气候特征和可再生能源禀赋的欧洲地点进行了四种能源配置场景（纯电网、风电+储能、光伏+储能、风光+储能）的模拟优化，并评估了三种调度策略。研究发现，负荷跟随（load following）策略在所有场景中表现最优。研究结果表明，混合风-光系统在所有地点均实现了最佳的综合性能：在意大利、德国和芬兰分别实现了45%、47%和45%的CO₂排放削减（相对于最先进技术SoA基准）。能源成本方面，纯太阳能系统为249—277美元/兆瓦时，纯风能系统为252—285美元/兆瓦时，混合风光系统为247—272美元/兆瓦时。该研究发表在《Energy》期刊上。

**三、关键技术方法**

本研究采用以下核心技术方法：（1）回转动力加热器（RDH）电气化技术，以95%的电-热转换效率提供高达1000—1700°C的工艺热；（2）基于HOMER平台的技术经济优化模拟，该系统由美国国家可再生能源实验室开发，可对数千种潜在系统配置进行仿真并识别最低成本的最优设计；（3）混合储能系统（HESS）集成方案，包括Na-ion电池（投资成本355美元/千瓦时）与可逆熔融碳酸盐电池（rMCC）的组合，后者在电解模式下消耗2.3 kWh/Nm³ H₂，在燃料电池模式下产生1.4 kWh/Nm³ H₂；（4）基于IPCC活动法的电网排放因子核算方法；（5）敏感性分析方法，评估电网电价和资本支出（Capex）变动对能源成本（COE）的影响；（6）多地点案例研究设计，覆盖南欧（罗马）、中欧（不来梅）和北欧（坦佩雷）的差异化气候条件。

**四、研究结果**

**4.1 罗马（意大利）——太阳能主导系统**

意大利场景中，纯风电配置实现了55.4%的可再生能源占比，COE为285美元/兆瓦时；纯光伏配置达到71.5%的可再生占比，COE为265美元/兆瓦时；而风光混合系统以261美元/兆瓦时的COE和128.4百万美元的净现值成本（NPC）实现了91.6%的可再生能源占比，其COE比纯光伏系统低2%，比纯风电系统低9%，最终CO₂排放较SoA减少45%。值得注意的是，混合风光系统的内部收益率（IRR）和投资回报率（ROI）均高于纯光伏配置。

**4.2 不来梅（德国）——混合系统**

德国场景中，纯电网配置的COE最高（286美元/兆瓦时），而风光混合系统以272美元/兆瓦时的COE和129.2百万美元的NPC实现最优表现，可再生能源占比达93.2%（光伏占37.3%，风电占55.9%）。各可再生能源配置的COE较纯电网分别降低2%—4%，碳排放削减幅度为14%—47%。尽管德国的平均电网电价较意大利低约20%，但两国的纯电网COE差异不大，这归因于COE作为平准化指标综合反映了全生命周期成本。

**4.3 坦佩雷（芬兰）——风电主导系统**

芬兰场景中，由于冬季光照极其有限且存在积雪覆盖风险，太阳能季节性波动剧烈，系统以风电为主导。风光混合系统以247美元/兆瓦时的COE实现最优，风电配置的可再生能源占比达78.8%，而光伏配置仅为47.5%。值得注意的是，芬兰电网中约39%的电力来自核能，12%来自生物燃料，这些虽被视为碳中和来源但不计入可再生能源占比。风电系统实现41%的减排，混合系统实现45%的减排。芬兰场景中光伏配置虽呈现较高的NPV，但冬季高度依赖电网供电，存在市场波动风险。

**4.4 装机容量与电力占比**

在所有场景中，Na-ion电池与H₂储能组合均优于Li-ion电池方案，主要得益于Na-ion电池更低的前期投资成本和广泛的材料可获得性（如食盐）。各场景的最优装机配置因地点而异：意大利以光伏为主（347 MW），芬兰以风电为主（299 MW），德国则较为均衡（光伏228 MW，风电263 MW）。系统在可再生能源发电不足时通过电网补充电力，同时可在电网需要时通过辅助服务提供灵活性支持。

**4.5 可再生能源比例变化对能源成本的影响**

COE随可再生能源占比（f_ren）的变化分析显示，最优COE出现在f_ren为70%—90%区间，接近100%时略有上升。德国的COE最低点出现在93.2%的可再生占比，芬兰则在78.8%时达到最优（采用风-网配置）。敏感性分析表明，电网电价变动±10%仅引起COE约-2%至+1%的变化，而Capex变动对COE的影响更小，这印证了高能耗行业中运营成本（Opex）主导总体成本的规律。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，rMCC集成对CO₂减排的贡献在混合风光场景中最为显著，三个地点的rMCC关联减排比例分别达到17.0%（意大利）、17.6%（德国）和15.6%（芬兰）。研究者同时指出，余热回收虽未在HOMER中显式建模，但若与当地区域供热网络耦合，可进一步提升系统效率和增加收入来源。此外，研究强调该方案的可推广性——核心技术不依赖特定地理条件，其他可再生能源（如地热、潮汐、水电）可根据当地资源禀赋补充纳入。

研究结论部分总结：相较于最先进技术，所提出的混合系统在意大利、德国和芬兰分别可实现45%、47%和45%的整体CO₂减排。剩余排放主要来自电网供电中仍含有的化石燃料成分，随着电网向零碳能源转型，水泥生产可逐步实现碳中和。系统成本方面，太阳能系统为249—277美元/兆瓦时，风能系统为252—285美元/兆瓦时，混合风光系统为247—272美元/兆瓦时。无论何种地理位置，混合风光系统均实现了最低的电力成本和最显著的减排效果。该研究构建的系统采用全球广泛可用的技术，不受地域限制，有潜力完全替代水泥生产过程中的化石燃料使用，使整个工艺过程近乎碳中和，为全球水泥行业脱碳提供了可广泛采用的通用解决方案。