脱碳：工业企业竞争力提升的机遇之路 -赋能未来工业发展 2024.12

<<2练俊曲磊王超朱阳34前言在世界各地，正有越来越多的企业将脱碳带来的挑战变为提高附加值、提升竞争力的强大动力。但是，现有政策还不足以支持工业部门为脱碳做出的努力。针对如何通过减排降碳以提升竞争实力，本文为企业提供了清晰指引，并且展示如何通过完善政策框架，加速脱碳转型。在后续章节中，我们将梳理实现脱碳的纵观历史，工业的诞生与化石燃料的崛起密不可分。实际上，工业部门用能占全球用能的37%，其中约65%的用能直接来自化石燃料1。然而，未来的工业将日新月异。当前，我们迫切需要减排。这对经济增长和竞争力的提升构成了挑战。因此，工业依托化石能源的传统增长范式正在发生改变。如能将这个挑战视若干趋势正在推动这个转变。未来，这些趋势还会进一步增强。第一，能源在工业生产成本中占比很大。在很多地区，不但能源安全越发引人担忧，能源价格的高位震荡也在侵蚀企业竞争力，削弱长期以来被认为稳健的商业模式的韧性。分析显示，到2050年，某些地区的能源价格会比其他地区高出50%。这个趋势会对竞争力构成进一步威胁2,3。在此背景下，通过减少能源浪费以提升企业竞争力，是顺理成章、成效显著的切入点。在能源密集型产业，以及能源价格高企第二，我们有幸正在进入可再生能源的时代。可再生能源的成本近年来迅速下降，它无疑将成为未来能源系统的主力。但是，采用可再生能源发电以来，有些企业没有为以电力为主的能源体系转型做好准备，因各个产业对脱碳技术的需求正在快速增加，催生了巨大商机。分析显示，到2030年，净零技术需求有望每年产生12万亿美元以上的销售额5。脱碳时代的到来正在向企业发出明确信号：要想吸引投资、顺应日益提高的环境标准和监管水平，就要促使企业业务实现您将在后续章节中看到，我们没有故作玄虚的工业脱碳之法，凭借当下已经具备的、既成熟又经济的解决这些技术可能不像碳捕集、能源岛那样吸引眼球，但当前，市面上已经有多种成本效益高、减排效果好的技术可供企业采用，以帮助企业快速减少化石能源消“脱碳是工业部门提高附加值、提升竞争力的强大动力。”行业和生产流程必须紧密耦合，以实现余热等每年都被大量浪费的工业副产品的充分利用。最后，尽可能又是提高能效的有力手段，毕竟在很多场景中，电力虽然社会对减排的商业价值已经有了更深入的认识，决方案是现成可用的，投资回收期可控。那么，我可首先，要努力弥补知识缺陷，摒弃短视的政治操弄。即使是在最具前瞻性的企业，采用新技术都将面临组成效显著的能效技术只需几个小时就可以安装完毕。拒不采用绿色技术的决策往往并非出于善意，而是着眼于组织的短期效益，牺牲长期效益。因此，尽管工在不牺牲当前和未来竞争力的条件下，加快推广能效在政治层面上，有关部门的注意力大多集中于雄心勃勃、长期实施的重大气候项目。即使推出短平快的行动计划，行动也往往因为政治焦点的转移，陷入“停停走走”的状态，让企业难以确定哪些政策能够久久为功，哪些则会就此终止。虽然成熟方案已经具备，但是激励企业推广落地的战略性政策框架受到忽视。就政策而言，经济激励将推动企业投资于绿色转型。我们不但需要减少过度监管，也需要有效监管，从而赋予企业参与全球市场所需的可及性和灵活性。结合经济激励，此举可以构建相对公平的竞争环境，提高企业的竞争力。此外，政策制定者还需要花大力气提升政策的确定性、坚韧性和安全性，确保外交关系和在与气候变化的斗争中，工业部门可以发挥其独特作用，因为关键矿物、电动汽车、可持续建材等众多关键工业产品恰恰是绿色转型的核心支柱。通过拥抱创新方案和现有技术，工业部门就能把最严峻的时代挑6依托实证和可靠信源，《影响力系列白皮书》第六册绘制了可行且经济的工业脱碳路线图，强调了成效显著的节能减排技术。尽管普遍可及、回报在本文中，“工业”一词泛指以生产、制造商品为主要功能的部门，既包括能源需求相对较低的轻工业（如纺织、消费品和电子），也包括全球能特别鸣谢奥尔堡大学可持续发展与规划系RasmusMagniJohannsen博士为本文仅代表丹佛斯公司的观点。其完整性和准确性不应归责于任何外部审7近年来，投资者越来越重视业务的可持续性。能效技术价格不断走低的同时，效率变得越来越高。因此，我们看到了越来分析显示，市场对绿色产品的需求日益增长，预计到2030年，市场需求总量将超过12万亿美元。另外，从应对能源成本变化的角度来说，通过高效且具有成本效益的能效手段，制造业单位能源的总增加值可在2040年前接近实现翻番。同样，v··减少化石能源消耗是必要的，而且也很简单2022年，工业部门的能耗约占全球总能耗的三分之一，预计2030年前每年将按1.4%的幅度增长。但如要实现2050年净零排放的目标，每年工业部门的能耗增长必须不高于0.5%。为实现降低能耗的目标，工业企业需要充分利用简单且行之有效的能效技术。以欧盟为例，工业部门为该区域的所有电机上加装变频器，这一做法每年便可节省95亿到107亿欧元的电费，减少1250万到1410万吨的二氧化碳排放，相当于200万欧洲公民的年碳排放总量。当下，风能和太阳能已经是我们常见的发电形式。为了打造、适应并融入以可再生能源为基础的未来能源系统，工业企业必须率先实现其设备的电气化。据估，通过现有的技术可以实现当下78%的工业用能，而正在开发的能效技术可以将这一比例提升到99%。然而，在目前全球工业用能总量中，工业仅占到了23%。大规模的工业电气化将减少近80%的温室气体排放，并帮相关行业有效降低几乎所有与能源相关的排放。高效且有较高经济性的电气化解决方案有效降低了能耗和能源成本，释放到2030年，全球高达53%的能源将作为多余热量被浪费，余热将成为世界上最大的未开发能源形式。但通过战略性地打通行业、实现耦合，这些余热就可以在工厂被用来供热和提供生活用水，或通过工业微电网服务其他消费者，甚至售卖给区域能源网络，为周边提供低排放的供热和生活用水服务。余热再利用实际上就是二次利用我们已经付8工业部门占全球终端用能的30%。工业生产支撑着实现绿色转型所需的众多技术，一直以来发挥着重要作用。但是，工业也是脱碳难度最大的部门之一。2021年，工业部门排放了127亿吨二氧化碳，占全球燃料燃烧排放总量的38%14。工业用能占全球终端用能的30%15。其中，直接利用化石能源的比然而，从1990年到2020年，全球能源强度降低了署预计，随着电气化的推广和能效标准的提高，这一高能效，我们就能在保持经济增长态势的同时，实现工业一般划分为轻工业和重工业。在工业排放中，只有8%来自纺织、食品、饮料、机械制造等轻工业18。绝大多数则来自重工业，仅钢铁、水泥、化工就占到整个工业部门都面临减排降碳的迫切挑战。尽管工业脱碳三原则――提高能效、电气化、行业耦合――普遍适用于工业部门，但是技术的具体实现路径各不相同。从技术角度看，轻工业实现脱碳的难度最小。脱碳所需技术多数已经具备。目前的挑战在于在点多面脱碳的行业。虽然能效提升和电气化实施有一定减排关于工业高效脱碳的关键要素，专家们达成了普遍共专家，他们都认可大致相同的减排路径：降低能耗、尽力实现电气化、利用氢能等替代化石燃料、针对难以减排的行业使用CCS等技术。后续章节将做阐述，采用现有的成熟技术，就已经可以完成大部分工业脱碳工作。下文将概述全面推广部署这些技术的总体经为了以具备经济性的方式实现这一目标，我们可以通过投资能效技术，实现大幅的节能减排。实际上，即使按照保守的投资回报预测，能效技术投资也常能节约成本。如果各个产业能够推广能效技术、普及电气化、科学利用氢能，到2050年，这些转型能够降低37%的工业用能，节约64%的生物质能，并在节能的仅仅增加20亿欧元投资，到2050年，就能让欧盟和英国的工业部门节约20%的年度燃料总成本和投资，相比于忽视能效提升和电气化的情景，每年降本430亿欧元。鉴于欧洲能源价格高于世界其他地区，此举更中美等其他工业大国，情况也很类似。在中国，工业排放占到排放总量的27%26。如果到2050年，终端用能的电气化率达64%，通过能效措施降低能耗40%，并采在美国，工业部门占到一次能源用量的33%、排放总量的30%。美国能源部将能效提升、电气化、采用氢为了释放这些潜力，工业部门必须系统性地部署现有能效技术，并全面推广电气化。在后续章节中，我们将介绍有哪些具体的方案和技术，今天就可以为企业所用，加快绿色转型、提升自身韧性，并从根本上增必须认识到，减少使用化石能源是工业脱碳的第一支柱。这不仅是工业脱碳的需要，同时也是因为控制高企的油价也是各国政治议程中的重要内容29。既能保持经济产出又能提高能效的解决方案已经具备。减少使用化石燃料，企业不仅可以降本，还能加快可再生能源转型。目前，全球能源需求远超可再生能源供给。然而，如能减少需求，就能扩大可再生能源占比，提高其经济性和丰富性。因此，降低能耗是工业脱碳的关键第一步。迈出这一步，电气化、行业耦合、可再工业能效措施多种多样，既有简易的低科技，又有先进的高科技。这些都有助于既显著降低能耗、节约成本，又能避免影响生产效率。总体而言，所有工业企业都能受益于系统化的能效提升，但这需要各家企业整体性地审视所有高耗能作业和流程。从全球层面来看，要降低工业能耗，有三大重点领域：电机、水务和空压。在工业部门，电机占工业用电量的三分之二以上30。与此类似，工业用水占全球淡水消耗量的以低廉的成本即可实施的能效措施，以及变速电机和高效的能源管理等简便易行的解决方案。在本章末尾，我们将介绍在以可再生能源为主的未来能源系统中，哪些领域可以采用数字化技术，让能效水平再创摘取“低垂的果实”有些最有效的节能方案来自供热、制冷、机械化生产等领域的前沿创新成果，但也有些并非如此。事实上，采用常识思维，改造传统作业或经营方式，也能大幅提升能效。我们将这些解决方案称为“低垂的果低能耗，同时留出空间，面向节能生产、谋划长期投资。关于摘取“低垂的果实”和大幅降低化石燃料消在很多工业企业，通行的做法是让大型设备在闲时处于待机状态。其理由是，当设备重新开动时，生产效率可以更高。但是，丹佛斯集团斯洛文尼亚公司近期的试点调查显示，80%的设备闲时可以关机，且丝毫斯洛文尼亚Trata工厂的设备――从空气处理和压缩系统，到暖通空调系统――闲时单班耗电约2320千瓦时。实施“闲时关机”之后，降至1600千瓦时，节能30%。在丹佛斯集团波兰公司的Grodzisk和Tuchom这两个试点，分别发掘每日的节能潜力为4607千瓦时和三处试点取得成功之后，丹佛斯集团计划将此举措推广到全部101座工厂，2024年先行覆盖45座工厂。丹后，预计每年节电8000万千瓦时，占丹佛斯集团用能总量的8%-10%，约合300-500万欧元。在丹佛斯有史以来开展的所有项目中，这都是节能减排成效最突出的一个，让我们朝着2030年实现工厂碳中和的目标迈80%30%丹佛斯丹麦总部通过实施“减量化、复用化、资源丹佛斯在25万平方米的总部杜绝了“永远开机”的状态，自2007年以来大幅节能。通过能源供需匹配，实现能源的高效智能使用。采用监控技术，根据用能需求变化，管理制冷、供热和照明。通风系统优化成效尤其显著，降低79%的制造过程和楼宇的供热需求节通过采取初步节能措施，将厂区热网温度从145℃大幅降至67℃。降低温度不但有利于减少输送损耗，还可以将供应厂区商超、数据中心和制造流程中产生的大量余热得以回收复用。例如，厂区数据中心服务器产生的热量经过回收，用于建筑冬季的采暖，让数据中降低能耗、充分高效复用余热后，丹佛斯总部利用可再生能源重新转化为资源以满足剩余需求。资源转化的实现需要综合采用多项配套措施：在制造流程和数据中心部署热能回收、区域绿色供热、本地化制备生物气、利用电锅炉进行网络平衡。其余电力需求主要通过太阳能板以及与碳中和能源供应商签署购电协议如能恰当依次推进，脱碳“三步法”可以为工业脱碳在规划具有成本效益、竞争力强的工业实现脱碳路径时，如果过于聚焦少数技术和方案，会导致企业忽视关键的节能方案。因此，企业亟须采取整体性的能源管理方式，整体统筹工业供应链。除了电力和天然气，水和空气压缩共同构成了制造业中最重要的配套从供热制冷到驱动生产设备和机器人，气液压缩都是关键生产流程，对系统整体能效影响很大。应用高效的加压方案，有助于生产流程整体脱碳的实现。泵和压缩机作用重大，制造企业开发新设备时，往往会优空压机约占工业用能的10%，由此成为工业部门能源强度最高的设备之一35,36。而且，在空压系统的总持有成本中，购置和维护成本比例仅为25%，能源成本却除了空气，水也是工业的关键配套。从冲洗、冷却，到蒸汽生成、垃圾处理，几乎所有工业产品都在某个制造环节中需要用水。工业不但对水的纯度有很高要求，而且工业用水量占全球淡水用量的20%（当然，这个比例因地区而异）37。国家工业化程度越高，工业用水占比就更大，有时高达80%。工业用水的排放消耗常被忽视，我们可以提高系统整体能效、降低能在气动、HVAC等系统中，空气压缩是很多产业的关键工艺。压缩空气广泛地运用于工业生产，乃至被称为水电气之外的第四大生产要素。正因压缩空气在工业中无处不在，提升空压机效率成为用能需求的关键空压机提效的一项简单措施是为空压机配装变频器，根据具体需求优化性能。效率提升可能来自多种系统的变更，例如选用无油压缩机，降低系统整体的油液降解，提高机器的总体性能和耐久性。同样，应用磁悬浮的压缩机可以确保其内转子几乎没有磨损，即使经过长期使用，性能下降也有限。此外，智能监控等数字化解决方案可以发现漏液征兆，确保在发生重大故障之前更换关键部件。在整个工业系统中计划推广这些增效措施，可以实现减排降本，使其针对特定行生产一升汽水需要几百升水，生产一条牛仔裤需要几千升水，生产一辆汽车需要几十万升水。淡水资源量不足以既保障工业用水，又供应饮用水。因此，必须在全球范围内大量制备淡水。克服水资源短缺、降低高耗能制水工艺的成本，这对确保淡水制备效率而言为了满足不断增长的淡水需求，海水淡化产量越来越大。得益于对海水的高效淡化，反渗透技术已广泛应用，占全球淡化产能的69%38、欧洲淡化产能海水淡化是能源密集型产业。采用恰当的淡水制备技术，可以降低运行成本，实现节能减排。高压泵是反渗透过程的关键组件。由于用电量大，高压泵成为海水淡化厂能耗最大的组件之一。选用合适的高压泵，可以大幅提升能效。取决于反渗透淡化厂的产能，传统反渗透技术的能效可达75%-82%。但是，搭配能源回收装置的先进技术可以达到92%的能效水平40。通过搭配能源回收装置、加改装高压泵，让蕴含在淡化高淡水消耗量大的行业，可以通过高效供水，降低其用水量和碳足迹。除了节能减排，通过合适的水泵也能降低运行成本。有些泵的加改装投资回报期不到两装配变频器的压力传感器可以优化精准控制水压，提空气压缩约占工业用能的10%工业用水量占全球淡水用量的20%在一些工业化程度高的国家则高达80%在工业部门，电机驱动着风扇、泵、压缩机、传送带等关键设备，可以说，生产现场中林林总总的各类应用离开了电机，我们的世界就无法运行。然而，现代电机无处不在，却有一个重大问题――既消耗并浪费大量电力。电机每年用电10,700TWh42，超过全球用电经具备的变频器技术，可以大幅降低电机用电量和运无论电机是何用途，电机功率的定速运行已不能达到现代电机的能效标准，造成耗电量超过其用途所需。相比无视实际工况需求，始终让电机定速运行，变频器技术（VSD）可以实现电机的变速运行，从而将电机降速，匹配实际需求（为简化解释，请见第17页）。这样既可以大大降低能源消耗，还不会对生产产生负面影响。鉴于电机负荷高低不定，且电机功率经常过在全球范围内，变频器的节能减排降本潜力都非常可观。例如，欧盟现有电机达到80亿台，消耗了近50%电机的年用电量就达到650-729TWh，保守估计，其中约有三分之一的电机可以借助变频器实现大幅节能。值得一提的是，这还没有包括已经配装变频器的电机。这种潜力每年可达47-53TWh，相当于欧盟发电量最多的德国年发电量的9%。即使保守估计，也可以节约95-107亿欧元电力成本，同时减排1250-1410千万吨――这相当于200万欧洲居民的年度碳排放（请见附如将变频器技术用于欧盟的工业部门，节电量可达欧能发电量的24%51。由此节约下来的可再生能源可以用于减少化石能源发电产生的能耗，而不是驱动低效电机运行。在全球电机用电总量中，欧盟约占10%52。保守估计，同比口径下，变频器技术全球节能潜力可以超过500TWh，达到全球工业用电量5%53。上述估算仅限于工业部门。鉴于电机几乎用在所有行业，节能减纵观电机的整个生命周期，成本多数来自能耗。实际上，在总持有成本中，95%是电机运行的能源成本，只有5%是购置成本。因此，既然企业能够大幅度节能降本，为什么变频器尚未全面普及呢？答案有两个：第一，企业对电机的购置和运行成本缺乏了解；第二，企业中，采购电机和承担电机运行成本的部门往往不是同一个。前者希望节约购机成本，后者想在能源利用上省钱。因此，由于内部利益冲突，公司往往默认情况下，电机要么全速运行，要么关闭不动，就像老式电灯泡，不是亮是灭。通常情况下，降低电机转速是有必要的，即传送带或者风扇的减速运行。降速的常见降法是给系统施加制动。但这就意味着，系统能耗水平和全速运行时并无二致，就像人在床上读书时不去调暗灯光而是戴上墨镜――不降能耗，只降输出。采用变频器，就不必通过制动降低电机转速，而是调节电机运行速度，实际情况需要转多快就转多变频器可以为所有工业部门节能降碳，应用场景之多无以计数。虽然所有部门都可能受益于变频器，但有些应用的节能潜力尤其显著。例如，在全球化工行业中，优化电机系统能效被认为是实现脱碳目标的最大抓手。仅是通过提升电机系统能效，化工行业就能减统能效的举措之中，变频器的效果首屈一指（请见第液压系统在工业用电中占有很大比例，如2017年液压系统在德国工业用电需求中占11%56，在世界其他地区，情况也大体类似。液压系统广泛应用于重工业，如注塑工艺。为液压系统配装变频器，可以大幅提升纵观美国各个工业部门，变频器可以节电44TWh，降本37亿美元，减排3100万吨58。不过，这些节能减排效果的三分之二来自六个部门（参见图1在其所有能效措施中，变频器的效果数一数二。在初级金属、食品、塑料和橡胶领域，超越性能要求的先进电机技术的潜力更大，但其前期成本不菲。在化工、炼油和造纸领域，变频器的脱碳潜力无出其右。在美国，仅化工行业就可以实现变频器节能减排潜力的近四分之一59。 塑料和橡胶 初级金属初级金属 其气候目标的重要支柱。到2030年，取决于《进度，欧盟工业部门有望通过变频器节能21-52TWh。1.8%-4.4%的节能目标（请见附录）。由于回报期最短最有效的途径之一。美国工业电动机耗能巨大，用电量达到547TWh，占到美国总用电量的13%、工业用电量的69%。在美国工业部门，功率超过0.75千瓦（即1马力）的电动机效低下61，不少电动机十分老旧、需要维修62，大马拉小车，或者全生命周期运行负荷大小不定63的情况司空见惯。这意味着，如能定向优化电动机能效，就可大幅节电，从而实现减排降本。优化电机系统不能一刀切，而要对症下药、多措并举。在美国工业部门，三种解决方案成效尤其显著：1）用能效更高的新电机替换老旧电机；2）优化配电网络；3）给可变负荷电机配装变频器。变频器通常以节能15%-40%64，对于可变负荷电机，节能幅度甚至可达60%65。在美国工业部门，变频器展现了巨大脱碳潜力。虽然有45%的电机负荷可变，但其中只有16%配装了变频器进行优化66。如能为其他可变负荷电机配装变频器，可以节电44TWh，降本37亿美元，减排3,100万吨二氧化碳67。这相当于美国工业用电机能耗、电费和排放量的8%。相比之下，优化配电系统可以实现三分之一的节约。更换达不到时下性能要求的电机可以节省一半的变频器。采用超过时下性能要求的电机，尤其是配装变频器，节能降本减排的效益还将进一步提高，但初始投案之间做取舍。如能综合采用，效益还能更大69。当然，优化电机系统需要一定投入，但这种投资往往非实际上，按照目前的变频器成本，74%的节能减排潜力可以在节约成本和满足行业投资要求的同时实现。这相当于降本28亿美元，节电33TWh，减排2,300万吨二氧化碳70。按照现行价格，只有16%的电机更换具备良好经济性71。推广变频器的经济效益显而易见，技术也经过验证，堪称工业脱碳最有力的抓手之一。无论是轻工业还是重工业，数字化都是全面提高工业能效水平的全局性趋势。从提高需求侧灵活性，到暖通空调和照明系统的自动化，数字技术在工业生产的各个领域都有减排潜力。在能源、材料和交通这三个碳排放最高的产业中，数字技术可以在全球范围内减排20%72。分析显示，实现上述减排的一个主要措施是利用人工智能、数字孪生等数字技术提升能效。下面介绍一下利用数字技术提升能效的几个领域：数字化是提高电机系统和应用的关键。关于电机和变频器，如前文所述（请见第16页电机在工业部门无处不在。变频器不但本身有很好的节能减排降本效益，还可以助推工业数字化，提供洞见，将能效水平用于优化电机系统的传感器和数据分析可以大幅节电，同时带来降低维护和生产成本等诸多收益。例如，到2030年，欧洲每年可以节电50-100TWh，这相当于欧盟电机用电总量的5%-10%73。虽然有些人担心电机系统数字化也会增加与数字化工具相关的能源消耗和运营成本，但EMSA（国际能源署下属的电机效率研究机构――电机系统平台）的一项研究发现，在五个实际案例中，电机系统数字化的能源支出从未超能源远超数字化过程所增加的能耗”74。需求侧灵活性措施需求侧灵活性指的是在可再生能源充足时使用可再生能源，并在尖峰时段降低需求。其目的在于平衡能耗，避免高负荷和低供给同时发生。在大比例利用可再生能源的能源系统中，这是对于电网稳定和能源价格的重大担忧。削峰填谷等需求侧灵活性措施是主要对策。这两种方法都是要减少峰荷需求，要么通过将用能需求移出峰荷时段，要么通过降低某项配套工艺能耗避免峰荷产生。在峰荷时段，可以关机或者调低设备运行速度，选择其他时段运行。尽管此举在某些情况下可能增加能耗，但是问题不大――错峰用电有时更加经济和环保――因为非高峰时段电价更低。这既能为电网减负，又能为用户省钱。很多当下常见的变频器内置微处理器，可以作为传感器收集并处理电机系统数据。凭借现有技术，可将模拟电机接入云端，监测各个部件以及整体系统能效。简而言之，通过收集振动、压力、温度信息，利用人工智能在云端处理信息，变频器可以实现厂区系统整体数字化，让企业洞悉如何优化运营。国际能源署的关联组织EMSA（电机系统平台）发布了案例集，介绍了采用变频器等数字技术提升工业电机系统能效的各种案例75。例如，大型医疗仪器制造商瑞士哈美顿博纳图斯股份公司（HamiltonBonaduzAG）在空压系统中全面部署变频器和传感器，获取关于系统优化方式的洞见，在产气量不变的情况下，实除了数字化变频器的能力，EMSA案例集还重点介绍了软件和数控等有助于进一步优化电机系统的数字化工具。例如，瑞典的宜家公司结合先进的控制与在线性能监测，优化压缩机和冷却器的负载转移，节省了20%的电力。在奥地利，宝马公司建立了综合性数据收集系统，监测电力和压缩空气消耗情况，其中包括将产线用电状态可视化。此外，在2016-2019年间，公司为各条产线设定了非生产时段基荷目标，相比初始基荷水平，节约电量52%、压缩空气量14%。在EMSA列举的案例中，数字化解决方案应用于泵系统、通风系统、空压机、冷却器和生产线中的电机，均能实现大幅节约。这些案例有力地论证了数字化解通过数字技术控制机器设备的使用方式和时间，负载转移和削峰填谷都可以实现自动化。这主要是通过实施被称为模型预测控制的数字化工具做到的。以建筑为例，利用人工智能驱动的技术，结合建筑、天气和用户数据，预测供热和通风需求，能够为建筑节约20%的能源成本。采用这些控件的建筑可以在高峰时段之前预热，或者在阳光照射建筑立面之前减少供热，从而节约能源。在芬兰等地对十万户公寓的观察同时，通过将用能转移到最经济的时段，在不牺牲居民舒适度的前提下，可以降低高达20%的建筑能源成本77。虽然这些技术目前主要面向民用，但也在工业部门迅速推广应用。根据丹佛斯试点项目的初步估算，相关技术有望为工厂供热节能5%。随着技术越来越适应工能源管理系统当前，工业部门快速变化。工厂布局和工业生产涉及高度复杂的人员、设备和系统网络。随着设备和系统日益复杂，管控难度也在增大。如果系统运转不良，工厂能耗就可能超乎所需，导致维修频发，生产效率降低设备计划外停机，造成高昂损失。因此，掌握实时数据、洞悉能源使用的时间地点和方式，对企业及时作出明智决策、找到效率提升潜力最大的环节，具传统的工业能源管理系统（EMS）是笨重的平台，需要工程技术人员大量参与安装、升级和分析的工作，造成反馈时间长、运行成本高的问题。而且，虽然系统中安装的部件单个效率高，但是运行它们的系统未必按照有利于整体效率的思路设计，影响了系统中各个部件的协作配合。采用某些数字化解决方案，开发者在开发阶段不需要松动任何一颗螺栓，就可以创建最高效的系统，用数字化的方式，让工艺流程的效率、性能和投资回报都得到最大化。随着人工智能和智能电表在工业环境中不断推广，EMS变得更加实用、灵活并满足用户友好设施的需求。在很多方面，EMS的作用类似于数字孪生技术，也是企业能够选择和管理系统中的最佳组件组合，从而以最高效率实现未来，人工智能驱动的EMS平台将能够自动调节能源使用，并向用户提出节能潜力建议。此外，用户将可以在数字仪表板上轻松查看全流程用能状态，及早发如今，许多较新的机器设备已经配装了智能电表，老旧机器设备可能需要用EMS平台的精简功能进行改装。此外，厂内现有机器设备中安装了很多传感器。利用内置传感器、处理能力和存储容量的优势，使企业能够更好地了解电机驱动子系统平台的行为。例如，许多现代变频器可以在信息链中发挥关键作用，随着数字化渗透更多工业场景，智能能源技术将更加企业可以通过识别能源浪费来显著降低能耗。通过全面审视能源密集型产业的操作和流程，可以实现这一点。有些操作和流程需要供热、制冷、设备效率等方面的尖端创新，有些则不需要。事实上，仅靠摘取“低垂的果实”，例如，仅凭设备闲时过给现有电机配装变频器，可以大幅节电降本，通常很快就能收回投资。在全欧洲工业部门全面推广变频器技术，可以降本95-107亿欧元，减排1,250-1,410万吨二氧化碳――这相当于200万欧洲居民的年度碳足迹（详见第16页）。在能源、材料和交通这三个高排放行业，运用数字技术，可以降低全球排放20%80。从提高需求侧灵活性，到暖通空调和照明系统自动化等方方面面，数字化有助于工业生产全方位减排。上述减排效益主要得益于运用人工智能和数字孪生等数字技30%对所有工业过程尽可能电气化，是效果最大的能效措施之一。在很多情况下，要输出和化石能源同样的能量，电力所需的能量输入要少得多，因为燃烧化石能源产生的大量能量是废热。根据牛津大学的一项研究表明，能源系统全面转向电气化，可以降低40%的终工业电气化不只可行，而且势在必行。今天，在很多易于电气化的工业部门，化石燃料仍然是主体能源。要遵循国际能源署的净零路径，实现碳中和、提升竞争力、确保能源安全，工业用电量到2030年必须增加38%，达到4,000TWh，重工业用电量则要增加40%82。所幸，凭借现有技术，可将78%的工业用能电气化；加上在研技术，工业电气化率可达99%。推广电气化，可以让相关产业总体减排近80%，削减几乎所有COP28承诺，到2030年可再生能源装机将提升三倍，如果不能投资电气化，企业将陷入高成本的、过时的基础设施，无法与为基于可再生能源的未来能源系统在工业部门内，一些能耗最高的流程与制热相关。制热能耗约占工业用能总量的三分之二，以及全球用能总量的几乎五分之一84。目前，制热大多依靠燃烧化石燃料实现。因此，工业制热电气化既能大量减少过度的能源需求，又能减少企业碳足迹，并降低能源成本。对于保持未来经济竞争力、应对市场监管和能源由于工业内部对热量的巨大能源需求，本部分探讨了一些最有效的电气化加热方法――既包括更易电气化的低温热，也包括难以电气化的高温过程。对于化工、炼钢等其他难以脱碳的工业流程，也为引入低排世界各地的工业部门都依赖热能进行工艺制热和非工艺制热，如空间和水的加热。燃烧化石燃料产生的热能会投入多种用途，从处理化学品到熔化材料，温度范围从常温到数千度。毫无疑问，燃烧浪费了大量能量。制热过程的电气化，可以实现工业制热既脱碳又情况也是如此。工艺制热的电气化率仅为3%，78%的欧盟2021年净碳排放的22%88。这仅仅是在欧美，不妨想象一下全球的碳排放规模。到2028年，工业制热需求预计增长16%89。因此，如果不能改进工业制热，就对于很多工业过程，可以用热泵、电弧炉、电炉和高炉等电力制热替代燃烧制热。但是，以电供热不一定能达到所有工业过程需要的温度，或者至少效率不久将可以达到200℃。虽然几乎所有温度都能以电供热，但电气化的高温制热情况则比较复杂。例如，用电弧炉可以实现高达近2,000℃的加工金属的温度90，但是很多200℃以上的解决方案短期内还跟不上91,92，绿氢等间接电气化方案的可行性更强（关于氢能用于热泵的能效潜力巨大，搭配可再生电力，可以成为工业脱碳的关键抓手。利用工业热泵，取决于不同输出量93。另一方面，在美国工业部门，以化石能源制热浪费了大约三分之一的能源输入94。有了这样的能效收益，工业部门可以再实现脱碳的同时，降低能源开其中54%的制热量来自化石能源95。如果改用热泵制热，可以减排1.46亿吨96，相当于德国2021年净排放值的22%97。如果欧盟能够利用可再生能源实现电网脱碳，减排效益还会更大。辅之以大力度能效措施，则到2030年，工业热泵将能满足近40%的工业过程制热低温过程共计消耗600亿立方米天然气，可以用工业热泵替代（关于工业余热利用，详见第34页）9和英国，工业热泵有能力为造纸、食品、化工、炼油等行业大幅节能。这些行业合计占到欧盟和英国工业终端用能总量的一半。200℃以下过程的年度供热需求为312TWh，与制热浪费的热能相当。工业热泵可以大具体减排幅度取决于欧盟和英国电力组合脱碳的成效在美国，工业制热电气化是工业脱碳的重大机遇。今与世界很多地区一样，美国推广热泵最大的障碍是天然气低廉的价格。只看电价和气价，工业热泵的成本只在部分州里具备竞争力102。但是，热泵不仅能够提37%63%近几十年来，中国经济高速增长。就像世界上所有国家一样，随着中国工业体量扩大，对环境的影响也在加深。在全球能源相关碳排放之中，中国制造业约占化的斗争中处于中心地位。工业化也带来了空气污染的问题。2019年，制造业带来的空气污染导致185万中国制造业的能源组合中，70%直接来自化石能源，只有24%来自电能，其中以电供热的比例近乎为零。此外，在制造业终端用能中，73%用于制热，并以化石能源为主107。但是，以电供热能够大幅提高能效、减少余热产生。再加上用可再生能源发电，就能在提以电供热有多种技术选择。热泵的供热温度可达150℃以上，电阻加热和电弧炉等其他技术可以达到更高的温度。现有的电供热技术最高可以达到1,700℃,满足以电供热的竞争力取决于温度和工艺过程。温度低于100℃的，相对于锅炉和热电联产（CHP）等化石能源供热方式，综合考虑投资、维护、能耗、人工和预计2030年推出的碳价等成本因素，工业热泵拥有很强的165℃的制热成本要比80℃-100℃的高出大约50%，但仅比天然气锅炉和天然气热电联产的成本分别高出术的不断进步，高温热泵有望在绿色转型中成为有竞热不但具备成本竞争力，还能大幅度减排。以中国工业中用能第二多的化工行业为例，超过一半的供热温度需求处于80℃-150℃之间，热泵成为化工行业脱碳采用热电池，可以用具有竞争力的成本，实现高达1,700℃的以电供热。但是，这项技术并不适用于所有生产类型。例如，钢铁冶炼可以用电弧炉实现直接电气化，或者以氢为燃料间接电气化112。其成本竞争力中国提出了雄心勃勃的目标，到2050年让电网不再排放温室气体，以及颗粒物、氮氧化物等常规空气污染物。通过在中国工业部门以电供热，既能提高当地人 > >110%*25%0%-33%75% > >25%(COP=4)图4：加强工业热泵创新、推动工业供热脱碳：采根据deBoer等人（2020）的数据，*在使用化石能源的系统中，需要投入110%的化石燃料，才能制热100%，一想到电气化，就会想到把目前直接采用化石燃料驱动的设备（例如燃气轮机）改造为可以用电（最理想的是可再生能源电力）驱动的设备。这被称为直接电但是也有些终端用户（至少短期内）不能采用直接电气化或混合动力。航空、长途航运、钢铁水泥就是这样的行业。如果对这些行业直接电气化，所需的电池相对于使用场所（例如飞机）会过于庞大，或者发热现电气化，仍是温室气体排放的大户。因此，电气化对于降低排放、实现净零目标能够做出巨大贡献。为间接电气化主要采用电解制氢的方式。以电制氢，可以间接储存电能，或者充当难以电气化过程的燃料。如能采用可再生能源电解制氢（通常称作“绿氢”可以使得用氢过程和行业脱碳。下面的案例展示了如何用绿氢制氨，在这种最常见的工业原料生产过程中，成为间接电气化和脱碳化的核心要素，就是要全面了解绿氢的潜力，详见《影响力系列白皮书第五册-从生产化肥到制冷剂，再到塑料与合成纤维，氨广泛用于各个工业部门，成为众多行业用途多样的关键资源。但是，制氨目前严重依赖化石能源，占到全球碳未来几十年，氨的需求预计将会急剧增加。根据国际会增长40%116。氨的需求猛增，意味着制氨排放也会增加，到2030年预计增幅3%117。因此，制氨脱碳将成为今天的制氨方式是哈伯法制氨――把天然气分解为氢和二氧化碳，再在高温高压的环境下，让氢与大气中的氮结合118。这个过程会将二氧化碳排入大气，从而对所有工业过程尽可能电气化，是效果最大的能效措施之一。转型为全电能源系统，可使终端用能减排高达40%124。凭借现有技术，可将78%的工业用能电气化。运用在研技术，有可能将工业电气化率进一步提高到99%。在这些行业全面推广电气在欧美等工业化地区，工业过程以电供热比例还不到5%（请见第28页）。但是，到2030年，工业热泵可以满足近40%的工业某些工业过程还需要高温供热，不能完全电气化。通过用脱碳电力制备绿氢，可使今天还难以直接电气化的高温过程间接40%78%40%工业消费大量能源，同时产生大量废水、废碳、废热等资源，其中多数被白白浪费。如果规划得当，可以变废为宝，经过捕集后在工业内部或者跨行业进行重复利用，替代或补充一次或者新生资源。深化行业耦一座工厂、一个园区都能实现，甚至利用地区能源网络，可以达到更大规模。通过智能网络对接能源供需各方，城市规划可以释放行业耦合潜能，在基础设施如果工厂等余热生产者邻近可以大量购买使用余热的单位，则可以产生巨大的协同效益。用热单位可以是另一座工厂，或者是温室等需要大量中低温供热的生产设施。也可以将工业余热生产者接入城镇地区热网，为本地居民、企业提供热能和生活用水。在城市规划中统筹能源供需、实现协同增效的做法称为产业集群规划，有助于能源系统脱碳。此外，实践证明，通过行业耦合，可以重复利用大部分形式的工业余热。虽然未必所有余热都能重复利用，但是在改造能源系统、实现工业脱碳的各种举措之中，余热利用的潜力无出其右。您将会看到，余热是世界上最大的待在能源系统中，供热是用能大户之一。在欧洲，供热占到年度终端用能50%以上，而且多数仍然依靠化石能源，其中天然气占比接近一半130。同时，所有欧洲城市都有众多余热资源。在欧盟，每年可以获得约为2,860TWh的余热，其中很大一部分可以重复利用131。这几乎相当于欧盟和英国住宅和服务业建筑供热和生有些国家的余热潜力甚至接近供热总需求133。例如，荷兰的余热总量为每年156TWh134，但全空间供热需求仅为每年152TWh135。在世界其他地方，情况也是类似。中国北方的工业部门仅在采暖季就能本地其他过程。取决于余热来源，温度会有不同。例将相同行业或者供应链上下游的企业或者产业相邻布局，通常会使其受益。供应商、客户、伙伴等比邻而以生活用水的形式通过管道输送到终端用户。今天，能源供热，特别是在中国和俄罗斯137。国际能源署指出，到2030年，区域供热的排放强度要比2022年降低各种余热的温度不同。要让200℃以下的低温余热适用AdamJedrzejczak供热比例占到45%，直接碳排放达到10亿吨。另有53%大力改变电源结构，从化石能源发电，迈向更大比例大城市供热。区域供热是人口密集区最高效的供热方很多行业的用热温度低于150℃,现有的用热泵和余热到2030年，全球能源投入的53%会作为余热被浪费掉146。如能加以回收利用，企业和气候都能受益良多。如果余热理论潜力余热回收再利用，可以提高系统整体能效。工业企业可以就地利用余热，大幅降低能源成本。如果产热企业邻近其他工厂或53%全球能源投入会作为余热被浪费掉10%-19%如果余热理论潜力都得到利用，可以降低全球排放余热每年可在欧盟获得为了实现《巴黎协定》的目标，亟需工业脱碳。本文展现了当前为实现工业脱碳、获取减排降本效益，可以采取的措施⃞提升竞争力、促进增长、减排脱碳、能源安全，这些目标非但互不相斥，反而密切相连、相得国际能源署行业追踪（IndustryTracker）仍将工业部门标为未在通向净零情景的正轨之上148。但是，向前跃进的机遇近在眼前。对于电气化和脱碳化，现行政策的支持力度有限。通过简化繁文缛节、理顺政策框架，工业脱税收优惠可以有力地激励产业绿色转型，通常比补贴制度更便于执行，需要的行政资源也更少。例如，美国的《通胀削减法》（IRA）包含多项税则，降低消费者和产业为绿色转型所承担的成本。通过税收优惠这个简单的杠杆，就可以增加气候友好型技术的吸引力，而不需要牺牲利润。就如IRA，利用税收优惠，可以提高竞争力，在各种脱碳技术中，很多只需要较小的前期投资，但也有一些技术的资本密集度较高。投资成本高昂，加上本地电价波动，导致某些解决方案虽然回报期很短，但无法落地。税收优惠和补贴制度相结合，可以让更多企业将部分收入用于弥补消费者和小企业的电费。欧盟的排放交易制度（ETS）经过长期实践验证，是成熟的减排制度。让企业能够从可持续经营模式中获利、从减排技术中得到回报，对于激励可持续发展而言势在必行。这能公平的竞争环境有利于更多主体投身于绿色转型。打造公平的竞争性市场需要实现机会公平、监管公平，对市场主体的标准把握一视同仁。在出台《能源效率指令》之后，欧盟规范了企业开展能源审计和碳管理的方式。根据能源使用情况和企业规模，企业必须开展能源审计，或实施能源管理系统（EMS）。但是，只有EMS才将节能措施作为义务来执行。要求各级实体开展能源审计、实施EMS，将会推动企业开展短平快举措，摘取“低垂的果实”，大量实现潜在收益。接下来，要对系统整体着眼，充分优化能效。这需要通过共同的框架，对能源审计进行规范和监管，并将能效优化重点放在“系统”而非“局部”之上。例如，ISO50001是关于能源管理的国际标准，规定了制定能源管理系统的框架，用于管理能源绩效和气候影响。此项标准可以提供亟须的整体化能效提升思路。政治雄心是产业追随的方向，是加快进度的方略，是各类主体绿色转型投资意愿的保证。政治决心和方向游移不定，会给业界带来过多风险。市场监管朝令夕改，会降低政策稳定性，让企业无法开展长期规划。因此，需要妥善设定高远目标，克服政策“停停走走”的倾向。政策制定者要聚焦于确定性、坚韧性和安全性，确保外设定工厂系统能效目标，提出相关要求，实现能源绩效透明，如同《最低能效标准》（MinimumEnergyPerformanceStandards），可以为工业绿色转型提出阶段性目标。还需要针对工业电气化制定一体化政策框架，从而充分释放工业过程电气化的潜力。此类目标能够为业界设定清晰可见的目标，让政策制定者在设定更高更欧盟委员会委托编制的报告估算，截止2020年，欧盟工业部门电机的装机量达到3.8亿台，其中4,800万台(13%)配装变频器。这3.8亿台电机年负荷1,117TWh。常，可变负荷电机凭借变频器可以节能15%-40%150。纵观欧盟，在工业部门之外，约有50%-60%的电机负荷（速度/扭矩）可变，但是其中30%-35%并未配装变频足0.75千瓦，超过375千瓦的电机仅占万分之二153。研