制造業的材料效率與可持續創新

一、研究背景

隨著全球人口的增長和工業化消費水平的提升，消費者對物質資源的需求不斷上升。其中，鋼鐵、水泥、塑料等產業原材料的需求持續增加。全球范圍內天然資源的使用隨之大幅上升。在天然資源的使用、加工、消費和報廢過程中，會產生大量的溫室氣體和環境污染，社會費用也在逐步增加。全球溫室氣體排放量呈現出與資源使用量相似的增長趨勢。如果產品生產和原材料消費未能實現減少，環境污染和環境影響的問題將難以從根本上解決。Allwood在2011年的論文中提出，通過提高材料效率可以減少溫室氣體的排放。他引入了“物質效率”這一概念，指的是在生產過程中盡可能減少物質或原材料的投入。在今天的討論中，我們將“物質”特指為“原材料”，并用“材料效率”這一術語進行解釋。我們可以通過提高原材料的耐久性設計、重新使用和可再生使用等方式，提升材料效率。國際能源署（IEA）在2019年的報告中指出，通過提升材料效率可以減少溫室氣體排放。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2022年也從需求管理的角度強調了材料效率的重要性。這些觀點和報告都強調了在產業領域提高材料效率對于減少環境污染和溫室氣體排放的重要作用。

二、研究設計

本研究提出了一種新的減排戰略，旨在擺脫傳統側重于供應側的方法，轉而從需求側著手，特別是通過提高材料效率來制定新的戰略。研究以鋼鐵和水泥產業為重點，這兩個產業是溫室氣體排放的主要來源，并進行了排放因素的分解分析。研究采用了定量分析方法，使用Kaya恒等式這一在定量分析溫室氣體排放中常用的模型。Kaya恒等式通過人均GDP、能源強度、溫室氣體強度等因素來解釋溫室氣體的排放。分析方法還包括了對數平均迪維西亞指數分解方法，這是Kaya恒等式在能源消耗或排放因素分解中最常用的方法論，因其計算簡便且誤差較小。在產業能源消費方面，研究進一步將其分解為生活活動變化、產業結構變化、能源單位變化等，進行了細致的分析。此外，研究還引入了溫室氣體排量的原單位，以更全面地理解排放情況。2022年發布的IPCC第六次評估報告指出，有必要在Kaya恒等式中加入材料效率變量，其中最關鍵的變量包括MPR（首次使用的原材料）、MSE（使用可再生材料生產的產品）、Mstock（社會累計的消費量）。Mstock指的是社會累積消費的總量，如鋼鐵生產并用于汽車、建筑等所有鋼鐵的總量，包括未來潛在可循環使用的鋼鐵。MPR是作為首次原材料使用的材料，例如鐵礦石生產的鋼鐵，而MSE是使用可再生材料生產的產品。為了實現產業去碳化，需要減少Mstock并維持MPR+MSE的水平，其中提高MSE的比重尤為關鍵。通過Kaya恒等式分析了溫室氣體排放的因素分解。在數據方面，研究考察了韓國鋼鐵和水泥產業的溫室氣體排放因素分解分析。數據顯示，韓國的實際產值和生產量直到2019年都呈上升趨勢，2020年疫情暴發后有所下降。生產結構和累計量非常重要，鋼鐵轉爐鋼代表MPR，而使用廢鐵的電爐鋼和混合水泥代表MSE。盡管生產量在增加，但使用可再生材料的MSE并沒有增加。研究得出結論，盡管廢鐵使用增加可能緩解鋼鐵累計量的增加，但實際情況并非如此。鋼鐵和水泥產業的能源消費量和溫室氣體排量總體上顯示出增加的趨勢。盡管2018年增速非常快，2019年有所下滑，2020年疫情影響導致下滑幅度更大，但2020年的能源消費和溫室氣體排放仍比2017年要高。

三、研究結果分析

分析結果顯示，使用傳統的Kaya恒等式來分析鋼鐵產業的能源消費和溫室氣體排放時，可以觀察到以下趨勢。第一，鋼鐵產業能源消費。2013年相比于2011年有所緩解，但之后又呈現上升趨勢。能源強度效果的正值意味著能源原單位持續惡化，即盡管能源效率有所改善，但由于鋼鐵產業的能源投入比產值更高，能源的原單位仍在上升。第二，生產活動與能源使用。隨著生產活動的增加，主原材料如煤炭的能源使用比重依舊非常高。為了實現鋼鐵產業的減排，必須降低煤炭的消費。第三，水泥產業能源效率。與鋼鐵產業不同，水泥產業顯示出負值的能源強度效果，表明實現了能源效率的改善。在溫室氣體排放分解分析中，也得到了負值的能源組合效果。這表明水泥產業在一定程度上擺脫了對煤炭能源的依賴，轉而使用煤氣、熱以及其他燃料。第四，材料效率變量。根據IPCC第六次報告的建議，在Kaya恒等式中加入了材料效率變量重新計算后，人口和人均GDP對溫室氣體排量的增加有正貢獻。能源消耗單位的直接或間接排量也呈現正值。而與原材料需求相關的原材料累計強度效果同樣呈現正值，說明國內鋼鐵累計量在GDP中的比例持續增加。第五，材料效率效果。在鋼鐵產業中，材料效率效果呈現負值，這表明原材料效率對排量的減少有一定貢獻度。但分析認為，由于鋼鐵累計量的增幅比生產量的增速快，導致材料生產效率實際上并未改善。第六，水泥產業的材料效率。與鋼鐵產業類似，水泥產業的原材料效率也沒有得到改善。綜上，鋼鐵產業對化石燃料的依賴度非常高，迫切需要從高碳能源轉向低碳能源。而水泥產業已經在一定程度上從高碳能源轉向其他能源。對于鋼鐵產業和水泥產業而言，材料效率尚未得到改善，原因在于累計使用量一直在增加。即使不考慮累計使用量，僅用當年的使用量來計算，也得出了類似的結論：兩大產業的原材料效率尚未得到改善。

四、政策建議

產業部門的減排戰略傳統上集中在能源轉化和能源效率等方面。然而，許多專家現在認為，在能源領域實現減排存在技術局限性。因此，我的研究強調需要從需求側著手考慮減排手段，特別是通過提高原材料效率來實現減排。目前，政府尚未制定關于提高原材料效率的相關政策。未來，政府需要在這一領域投入更多的研發資金，以改善效率。原材料效率的改善涉及許多先行研究，包括產品設計時需要考慮的輕量化、耐久性和可再使用性等因素。此外，在消費階段，除了產品所有權外，還需要通過租賃、轉租和共享等方式提高產品的使用效率，這同樣需要具體的政策支持。產業方面需要認識到低碳產品帶來的收益，而消費者也應該積極選擇低碳產品。為此，產品的分解方式、配件管理等方面也需要進行相應的開發。中韓兩國作為全球制造業比重較高的國家，制造業的綠色發展對兩國都是一大挑戰。為了實現綠色轉型，兩國需要建立多種合作體系。例如，在鋼鐵行業中，兩國可以共同研發氫還原制鐵等核心技術，以期早日實現商業化。為了產業減排，政府需要進行投入和共同研發。此外，低碳產品的國際標準主要由歐盟牽頭開發。在原材料效率改善方面，如再生原材料使用比例等標準，是制造業的重要議題。中韓兩國可以在這一領域進行合作，共同引領標準的制定。作為生產核心原材料的國家，中韓兩國有必要考慮建立信息共享平臺，以實現穩定的材料供應鏈。