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零碳铝、低碳铝、绿色铝、绿电铝概念辨析

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2022年11月17日 17:05:29
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笔者认为绿电铝评价工作具有鲜明的新时代特色,可以在促进绿电铝价值链的传递的同时,引导吸纳国家能源结构转型过程中绿电增额优先向铝行业倾斜,推动建立绿色电力核算体系,正面应对欧盟碳边境调节机制对我国铝产品出口造成的困境,助力实现有色金属行业“双碳”目标,是践行“双碳”战略的具体举措。

摘要:有效推动铝行业碳排放更快更好地达峰,全面促进绿色电力和绿色先进制造业深度融合发展,是实现国家碳达峰、碳中和目标愿景的关键举措。铝行业绿色低碳相关概念较多,但未形成统一概念。为了更准确地理解各概念的意义,对其加以把握并准确应用,本文尝试结合铝行业碳达峰实施路径,对零碳铝、低碳铝、绿色铝、绿电铝四个概念进行了初步辨析。


关键词:绿色;双碳;零碳铝;低碳铝;绿色铝;绿电铝


、概念辨析的背景和意义


党的二十大报告中提出要积极稳妥推进碳达峰碳中和,深入推进能源革命,推进工业低碳转型。有色金属行业是工业领域碳排放量最高的制造业之一,该行业正处于绿色低碳转型和高质量快速发展阶段,绿色低碳相关概念层出不穷。各类场合出现了很多相似概念,使用频次较多的概念有绿色铝[1]、低碳铝[2]、零碳铝[3]等,尤其是近期市场上出现了绿电铝(Green-Power Aluminium)的概念,例如沃尔沃、宝马等汽车制造企业都提出了绿电铝的采购需求。国内外各机构对不同概念的铝产品分别进行着多种评价认证工作,如中国质量认证中心(CQC)通过对不同铝产品进行全生命周期评价,披露产品碳足迹值,发布了铝行业首批产品碳足迹证书;国外机构对国内企业进行的铝业管理倡议(ASI)认证,根据绩效标准和监管链标准,推进铝全生命周期管理,打造绿色铝供应链的优势;中国有色金属工业协会正在推动绿电铝评价工作……但是,由于目前国内外对这些概念均没有形成统一认识,很多概念在很多语境中交叉使用,内容似是而非,因此也出现了较多概念误用,产生了不少歧义,甚至是误解,容易导致市场上产生混淆。因此有必要对各概念进行辨析,更准确地认识各概念意义,以期逐步在行业内形成共识,并在相关标准中予以明确,起到规范市场的作用。


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铝行业在我国有色金属行业中碳排放量最高。铝行业在推动产业链绿色低碳安全高效转型,节能降碳,促进绿色能源和绿色先进制造业深度融合发展等方面是最有潜力的行业。电解铝生产过程需要消耗大量电力,现阶段仍以火电消耗为主,是有色金属工业中最为主要的碳排放来源,电解铝工序电力排放量占比78.8%,占整个原铝生产碳排放强度的59.7%,约为有色金属工业总排放量的3/4,约占全国碳排放总量的3.5%左右[4]。对电解铝生产企业来说,生产用电产生的间接温室气体排放是其最大的温室气体排放源之一,此环节也是减少其排放的最主要机会。因此采用绿电代替火电是现阶段铝电解行业减碳的最有效措施。


标准体系建设是减碳工作的重要基础,对于通过标准化工作践行“双碳”战略,中共中央、国务院和政府相关部门已有非常明确的要求。据悉,中国有色金属工业协会团体标准《绿电铝评价及交易导则》正在研制中,该标准基于铝行业碳排放特点及降碳需求,以电解铝行业为突破,聚焦于采用绿色电力所生产的电解铝,旨在指导铝行业上下游全面开展绿电铝评价工作,有望起到促进绿色能源和绿色先进制造业深度融合发展的作用,是国家“双碳”政策的具体落地措施,为绿电铝产品的生产、消费和政府监管提供科学的评价手段与采信依据,最大程度体现绿电的环境价值,为各相关方提供标准支持。


本文旨在通过对这四个相关概念的来源、使用情况进行详细梳理,结合铝行业碳中和发展路径和市场需求,对各个概念之间的区别与联系进行讨论,准确界定其内涵,力求在给出不同发展阶段、不同语境下更准确的使用建议,规范表述用词,消除交流误解。


二、四个概念的解析


1.零碳铝


零碳铝的定义目前没有权威公认的解释。广义层面,可以将其理解为全生命周期环节碳排放为零的铝产品。狭义层面,可将其理解为某些生产环节或某个生产环节碳排放为零的铝产品。美国铝业公司和海德鲁公司都曾提出过零碳铝概念[4],主要指的是当产品生产过程的排放量与使用阶段铝的减排收益平衡时,可定义产品为零碳铝产品。企业通过在冶炼环节使用可再生能源、研发惰性阳极等方案尽可能降低生产环节的碳排放量,计算使用、回收环节的减碳量,当产品生产阶段产生的二氧化碳的排放量小于使用、回收环节产生的减碳量时,该企业生产的铝产品为零碳铝产品。


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因此可以看出,只通过技术革新是无法实现碳的零排放的,需要结合后端应用端的减排量、废物回收创造的环境效益等方式中和,通过概念创新,建立相应的核算模型来实现零碳铝的生产,因此零碳铝概念存在很大的模糊性。这使得其使用场景具有较大的主观性。当评价边界为铝产业链中的电解环节时,使用绿电的重熔用铝锭和电解原铝液可称为零碳铝;当评价边界为生产和使用时,全部使用绿电铝和再生铝生产的汽车用铝轮毂可称为零碳铝;当评价边界为废弃回收和再生产时,绿色铝的保级回收也可称为零碳铝。


由此可见,零碳铝的评价边界、评价方法存在较大主观性,此概念相对超前,不太适用于当前铝行业绿色低碳发展阶段,较难得到市场认可和推广。


2.低碳铝


低碳铝指在全生命周期或部分生命周期环节具有较低碳排放值的铝产品,产品在确定的评价范围内的碳排放值是根据对应的排放因子计算得出的二氧化碳的当量值,只需计算某一时间段内的值,包括直接排放和间接排放。但范围边界如何确定,为了避免重复计算,应考虑哪些直接温室气体排放、电力产生的间接温室气体排放、其他间接温室气体排放,目前无行业统一的针对铝产品碳排放量的计算范围和计算方法。除此之外,当前铝行业非碳能源占比未能确定,有待于通过技术组合和技术突破实现技术工艺水平不断改进、能源结构持续优化、再生铝闭环保级利用回收体系逐渐完善。因此产品碳排放要达到什么样的低值才可称为低碳铝产品,缺少一个具体的数据指标作为底线标准。


综合来讲,现阶段还无法准确认定何种产品是低碳产品,低碳产品概念的应用仍较大的不确定性,需要通过低碳产品标准的引领,确定铝产品生命周期各环节的碳排放指标及低碳铝评价方法,才能进行应用和推广。并且,铝冶炼环节由于能源消耗带来了巨大碳排放值,导致其他技术工艺水平的改进对最终减排值效果不明显,绿色电力生产的原铝产品由于电解环节碳排放尽可能降到了最低,可直接被认定为低碳铝。铝合金坯料及铝材,再生铝生产能耗仅为原铝生产总能耗的4.86%,温室效应仅为原铝生产的1/24[5],使用废铝原料对铝产品降低碳排放的效果更为显著,低碳铝产品概念在铝中下游产品应用时,需综合考虑绿电铝和再生铝使用情况。由此可见低碳铝的定义也需特定的语境,低碳铝的应用场景更适用于形容生产过程而不是一个产品,无具体定义的低碳铝产品低碳属性很难在下游产业链中传播。


3.绿色铝


国内绿色产品的认定有两种方式,一种是生产企业依据国家市场监督管理总局每年发布绿色产品评价标准清单及认证目录,按照国家市场监管总局统一制定发布的绿色产品认证规则开展认证的方式,属于国推自愿性产品认证制度,目前已在社会上引起了广泛的关注;另一种是依据中华人民共和国工业和信息化部颁发的《绿色设计产品清单》技术标准,对符合和绿色设计产品进行评价,目前已经完成了上万种绿色产品的评价工作。以上两种绿色产品的认定方式依据的标准,均是依据GB/T 33761-2017《绿色产品评价通则》,对产品生产企业做基本要求,并对产品做资源属性、环境属性、能源属性和产品属性四方面提出具体指标要求。绿色产品可称为绿色设计产品或生态设计产品,核心理念是产品全生命周期过程对生态环境和人体健康无害或危害小、节约资源和能源、满足用户使用要求和消费升级需求、产品无毒无害或低毒低害。


为实现铝产品达到全生命周期环境影响的最小化的目标,铝产品生产企业需调整能源结构使用绿色电力、利用厂房屋顶建设分布式光伏发电系统、再生铝保级利用、铝灰渣无害化处理,利用多种手段综合布局。


绿色铝涵盖的生命周期范围最广,指标最全,不局限于碳排放指标,绿电铝也可直接认定为绿色铝。绿色铝是绿电铝的延续,可以理解为全部或部分使用绿电铝及回收铝生产的变形铝及铝合金圆铸锭、变形铝及铝合金扁铸锭、铝及铝合金铸轧带、铸造铝合金锭、电工圆铝杆、铝合金铸件等铸造类产品或连铸连轧类产品,以及后续通过各类加工工艺生产的铝加工产品,即铝材。


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4.绿电铝


绿电铝作为一个全新概念,是由中国有色金属绿色产品评价中心根据铝行业低碳发展战略要求及现阶段市场需求,在团体标准《绿电铝评价及交易导则》中首次提出并给予具体解释,即使用绿色电力(利用风能、太阳能、水能、地热能、海洋能、生物质能等能源转化的电力)生产的电解铝产品,包括电解原铝液、重熔用铝锭。铝产业链包含了原铝生产(铝土矿开采、氧化铝生产、阳极生产、电解铝生产)、再生铝及铝加工及产品制造等环节,杜心[6]等人对我国铝行业碳达峰碳中和路径研究表明,原铝生产二氧化碳排放量约占铝行业二氧化碳排放量的94.85%,其中能源消耗排放的二氧化碳占比较大,达到77.5%,因此冶炼环节能源结构的优化是目前铝行业实现低碳发展急需解决的首要问题。


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绿色电力近些年在我国实现了跨越式发展,2021年装机占比达到26%(其中云南省和青海省的绿色电力装机占比均已达到90%),2021年发电量占比达到12%。《工业领域碳达峰实施方案》更是要求,到2030年,电解铝使用可再生能源比例提至30%以上。《有色金属行业碳达峰实施方案》中明确指出,到2025年有色行业力争率先实现碳达峰,2040年力争实现减碳40%。


绿电铝的定义清晰,评价方法明确,与现阶段铝行业绿色发展更匹配,有很强的适用性。根据“双碳”战略的实施目标,铝行业绿电比例需要逐渐增加,火电比例在2060年要降低到30%以下,绿电铝的评价工作是顺应并助力国家工业能源转型,引导吸纳国家能源结构转型过程中绿电增额优先向铝行业倾斜。


绿电铝评价可促进绿电铝价值链的传递,助力实现有色金属行业“双碳”目标,推动建立绿色电力核算体系,正面应对欧盟碳边境调节机制对我国铝产品出口造成的困境。据不完全统计,截至2021年年底,我国水电铝占比约达21%左右[7]。在2040年电解铝产量达到4500万吨的峰值时,绿电铝产量需达到总共产量的58.93%,约2652万吨时,减碳量较2021相比可达40%,可实现15890tCO₂减碳量。绿电铝的评价及交易工作是《工业领域碳达峰实施方案》和《有色金属行业碳达峰实施方案》中相关要求的具体落实。


三、四个概念的关系辨析


绿电铝从所使用的电能属性角度进行考量,即使用绿色电力生产的铝产品。其主要针对原铝产品,由于电解环节使用了绿电,间接碳排放数值极低,可以忽略不计,只需考虑阳极消耗产生的CO₂和全氟化碳(PFC)折合的当量CO₂,就铝电解环节来说,绿电铝概念等同于低碳铝和绿色铝。绿电铝是实现低碳铝和绿色铝的最有效方式之一。


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绿色铝是绿电铝的延续,不仅仅限于原铝产品,而是延伸到产品的全生命周期。从对环境和生态的影响角度进行考量,即对环境或生态友好,则可以定义为绿色铝,反之,则不属于绿色铝。通常来说,生产铝产品所使用的能源是否为可再生能源,仍然是判断其是否为“绿色”的最直接原因。再生铝由于对环境和生态影响较小,因此,全部或部分使用绿电铝及回收铝生产也可被认为是绿色铝。


对铝产业链各生命周期环节的碳足迹进行分析,低碳铝生产环节的碳排放值达到一个较低值,可在冶炼环节使用绿电、加工环节使用再生铝、再生铝保级应用、铝灰渣无害化处理或多种降碳手段共同使用,达到低碳排放指标。LES EDWARDS等人提出评价范围考虑预焙阳极阳极效应直接排放、电力间接排放以及上游原辅材料生产和企业运输等带来的间接排放时,单位产品碳排放量低于4tCO₂e/tAl时可认定为是低碳铝[8],若想达到此指标,必须在冶炼环节使用绿电,因此大部分的低碳铝是绿电铝。


零碳铝的生产环节的碳排放值等于使用回收环节产生的环境效益带来的碳效益值,当固碳能力提高时,各生产环节碳排放不需达到最低值,但目前关于我国生态系统固碳能力以及碳汇的功能与速率研究较少,需全生命周期每个环节碳排放都达到最小时,尤其是碳排放量最高的冶炼环节,才可满足零碳铝的应用场景,因此零碳铝一定是绿电铝。


根据标准评定的绿电铝由于其纯绿电属性和较低的碳排放因子,可认定为是绿色铝和低碳铝,但低碳铝产品和绿色产品中,有一部分是未使用绿电铝,但通过使用再生铝或进行了其他降碳手段生产的碳排放较低的铝产品,因此不一定是绿电铝产品。


四个概念之间的关系如图1所示。


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图1 零碳铝、低碳铝、绿电铝、绿色铝关系辨析示意图


从铝产业链看,铝产品实现低碳发展,需要在原铝阶段使用绿电,生产绿电铝,此阶段的产品也必然是低碳或零碳铝,在原铝合金化和加工阶段,使用绿色电力、添加无污染元素、使用回收铝,则可以被认为是绿色铝。


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除了原铝生产阶段以外,合金化、加工和回收环节,都需要核算其碳排放量,才能认定是否为低碳铝或零碳铝。事实上,对于低碳铝或零碳铝来说,进行评价的意义不大,重要的是核算出具体的碳排放量,因为碳排放量对应碳交易。


可见,绿电铝主要考虑生产用电的属性,低碳铝或零碳铝主要考虑生产过程碳的排放,绿色铝主要考虑生产过程对环境和生态是否友好,四个概念的侧重点完全不同。


四、四个概念的应用场景和中国铝行业碳减排前景展望


根据我国的碳排放现状,以及我国能源结构比例的发展趋势,丁仲礼院士提出我国碳中和的路线规划范可分为四个阶段[9]:控碳阶段、减碳阶段、低碳阶段和中和阶段。结合丁仲礼院士、杜心、严刚等对铝行业碳达峰碳中和路径研究[9-10],笔者也结合铝行业发展特点,及电解铝行业大幅消纳绿色电力的总趋势,试着将铝行业的碳减排规划分为以下四个阶段,供各界参考。


现阶段即为第一阶段。由于节能和提高能源利用效率对我国实现2030年前碳排放达峰目标的贡献在70%以上,可再生能源和核电的贡献接近30%[6]。因此现阶段铝行业降碳路径应优先考虑能源结构优化,铝冶炼企业即可考虑先选用低碳化的火电+部分绿电的“混合型”能源结构,也可考虑绿电一步取代到位。此阶段绿电铝的概念更适用于行业发展现状,同时绿电铝的评价和交易的推广,可打造以水电、光伏发电、核电等为主的典型绿电铝示范产业链,是铝行业“双碳”路线启航的推进剂。


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第二阶段。随着绿电铝产品评价和交易的推广,行业能源结构已达到最优,电解铝火电产能很可能大幅收缩。行业同步采取巩固和化解电解铝过剩产能、推广绿色技术、提高铝水直接合金化比例、大幅度提高再生铝生产能力和再生铝比例等主要措施,鼓励企业进行技术工艺改进、研发和购置先进设备设施、进一步优化能源结构,已将能源、资源消耗以及污染物排放降低到最小值。此阶段铝行业已完善绿色制造体系的建设,打造绿色低碳供应链,通过典型示范带动铝行业生产模式绿色转型。形成一批可复制、可推广的碳达峰优秀典型经验和案例。绿色铝产品的概念更适用于此发展阶段。


第三阶段为铝行业碳达峰阶段,我国铝行业预计于2025年实现碳达峰,此阶段绿电铝产量应达到电解铝总产量30%以上,此时铝行业已整体大幅度降低了碳排放值。本阶段工作目标是对碳减排潜力较大的环节进行针对性改进,如对电解槽本身作出节能化改造、研发绿色材料取代电解槽中的碳素阳极、对铝废金属作回收再生利用,研发低温余热回收、无废冶金等关键降碳技术。此时低碳产品评价技术规范和低碳指标值均已确定,可实现低碳铝产品的规模化生产和评价。


最后是碳中和阶段,由于二氧化碳捕获和封存技术对我国2030年前实现碳达峰目标很难做出实质性贡献[6],因此二氧化碳捕集利用等零碳、负碳核心技术的储备应在这个阶段完成。零碳铝概念的应用需要铝行业改造发展可再生能源,提高行业绿电使用量,以及进行碳捕集、利用与封存。通过生态系统固碳、人为地将二氧化碳转化成化工产品或封存到地下等方式来消除后,达到碳中和目标时可实现零碳铝的生产。


本文成文期间正是我国绿电铝概念的形成阶段,相关评价工作也正在紧锣密鼓的筹划。笔者认为绿电铝评价工作具有鲜明的新时代特色,可以在促进绿电铝价值链的传递的同时,引导吸纳国家能源结构转型过程中绿电增额优先向铝行业倾斜,推动建立绿色电力核算体系,正面应对欧盟碳边境调节机制对我国铝产品出口造成的困境,助力实现有色金属行业“双碳”目标,是践行“双碳”战略的具体举措。


本文是我国铝行业首次对绿色铝、绿电铝、低碳铝、零碳铝四个相似概念进行辨析,由于笔者水平所限,一定有很多不足之处,还请同行不吝指正。


作者:葛青 任孝旻 李志刚 张雅楠


作者单位:中国有色金属绿色产品评价中心


参考文献


[1]李相白,李建春.碳足迹下云南绿色铝产业发展研究[J].云南科技管理,2022,35(02):10-12.DOI:10.19774/j.cnki.53-1085.2022.02.010.


[2]王刚,孙一苇,祝伟忠,王祝堂.铝循环利用在发展低碳铝工业中的作用[J].轻合金加工技术,2010(11):4.


[3]佚名.海德鲁使用100%消费后废料成功生产出近零碳铝[J].铝加工,2022(3):1.


[4]王旋,许立松.电解铝行业碳排放现状和趋势分析[J].有色冶金节能,2022,38(04):1-6.DOI:10.19610/j.cnki.cn11-4011/tf.2022.04.001


[5]丁宁,高峰,王志宏,等.原铝与再生铝生产的能耗和温室气体排放对比[J].中国有色金属学报,2012,22(10):2908-15


[6]杜心,谢文俊,王世兴.我国铝行业碳达峰碳中和路径研究[J].有色冶金节能,2021,37(04):1-4.DOI:10.19610/j.cnki.cn11-4011/tf.2021.04.001


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[9]丁仲礼.深入理解碳中和的基本逻辑和技术需求[J].党委中心学习.


[10]严刚,郑逸璇,王雪松,李冰,何捷,邵朱强,李永亮,吴立新,丁焰,徐伟,李新,蔡博峰,陈潇君,宋晓晖,王倩,雷宇,王金南.基于重点行业/领域的我国碳排放达峰路径研究[J].环境科学研究,2022,35(02):309-319.DOI:10.13198/j.issn.1001-6929.2021.11.13.

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