中国水泥行业空间显式最优脱碳路径

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Spatially Explicit Optimal Decarbonization Pathways for China’s Cement Industry

　　

水泥生产贡献约全球8%的CO2排放，但传统评估常忽视需求、能源资源、基础设施与政策约束的时空异质性。研究人员开发高分辨率全系统优化框架，评估2025—2060年中国31个大陆省份水泥行业深度脱碳路径。模型在区域可再生能源约束、省际熟料与CO2物流及动态政策市场条件下，比较甲烷重整水泥工艺、碳捕集与封存（CCS）和氢基碳捕集与利用（CCU）。结果表明，经济可行路径并非统一技术替代，而是异质三阶段转型：CCS在氢基CCU于2052年后具备竞争力前作为过渡选项；2040年约400 Mt CO2排放为关键转型基准。省际熟料与CO2流动使富可再生区域向高需求区域转移低碳生产优势，缓解供需空间错配。区域原型显示天然气价格塑造甲烷重整路线竞争力。政策分析识别两阈值：年碳价增幅超25 CNY/吨（3.5 USD/吨）加速减排，甲醇价格高于2750 CNY/吨（382 USD/吨）支撑氢基CCU采纳。研究将水泥脱碳框定为耦合能源—工业系统规划问题，为面临空间资源约束的难减排部门提供可迁移见解。

研究背景方面，水泥行业贡献全球6%—8%的CO₂排放，其中高达58%来自石灰石煅烧的过程排放，传统原料燃料替代与能效改进遭遇技术瓶颈，未来净零需依赖碳捕集与封存（CCS）及耦合绿氢的碳捕集与利用（CCU）等颠覆性技术。中国占全球水泥产量52%以上，年排放约13亿吨，且呈现东部需求集中、西部清洁能源富集的空间错配。既有研究多孤立处理需求预测、工厂级改造、省级路径或源汇匹配，未在省际物流、技术竞争与动态政策下联合优化“熟料在哪生产、何种低碳技术部署、CO₂与熟料如何跨省流动、CCS与氢基CCU何时何地竞争”这一整体问题。为此，研究人员以中国为案例，构建时空显式全系统优化框架，设计系统思维、区域定制的脱碳路径。

关键技术方法上，研究人员建立覆盖31省、2025—2060年的多周期混合整数线性规划（MILP）模型，在GAMS 48.1.0中调用Gurobi 12.0.1求解。数据库整合省级电价、管输天然气价、风光容量因子、地质封存容量、熟料需求轨迹及经Aspen Plus校核的工艺技术经济参数（含传统水泥工艺TCP、甲烷重整新工艺NCP、TCP-CCS、NCP-CCS、TCP-H₂、NCP-H₂）。目标函数最小化总贴现净成本（TDNC，5%贴现率），约束涵盖物料与电力氢气平衡、相邻省物流、产能演化、CO₂质量平衡及2025/2040/2060排放天花板；采用ε-约束法扫描2040排放上限600—200 Mt生成帕累托前沿，以最大垂距法锁定400 Mt最佳折中点作基线，并做碳税与甲醇价敏感性分析。

研究结果部分，多目标优化：2040 CO₂排放上限章节显示，随上限由600 Mt收紧至200 Mt，总贴现系统成本由14.4万亿升至15.5万亿CNY，400 Mt点（Point 5）因规避过早CCS产能过剩搁浅与过晚突击减排风险被选为基线，对应单位熟料排放三阶段下降。全国脱碳路径与系统成本动态章节指出，熟料需求由2025年1307 Mt降至2060年724 Mt；Phase I（2025—2034）TCP主导、减排靠需求收缩；Phase II（2034—2044）TCP-CCS成成本最优桥梁技术；Phase III（2044—2060）NCP-H₂自2044年扩张、2052年后超越TCP-CCS、2060年近全占市场，贴现单位熟料成本由356 CNY/吨降至247 CNY/吨。省际转型路径原型章节揭示东部需求省与西部资源省通过熟料/CO₂流实现低碳优势转移，西藏等特例部署TCP-H₂，天然气价决定NCP类路线空间。政策阈值章节给出年碳价增超25 CNY/吨加速减缓、甲醇价超2750 CNY/吨触发氢基CCU的条件转型区间。

讨论与结论翻译：研究人员将水泥脱碳重构为耦合能源—工业系统规划问题，证明成本最优解非全国划一技术替换，而是受省际物流、可再生约束与动态市场共同塑造的异质三阶段时空转型；2040年约400 Mt CO₂为关键过渡基准，CCS作桥接直至氢基CCU于2052年后取胜；省际熟料与CO₂转运可绕过远距离输电输氢瓶颈；碳价年增25 CNY/吨与甲醇2750 CNY/吨为两关键政策阈值。该框架可迁移至其他具资源异质性与供需空间错配的难减排工业部门，论文发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。