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Aug 26, 2023

ドイツの化学産業の脱炭素化

L'industria chimica è una delle industrie più grandi al mondo, con un fatturato annuo di

化学品は最大手の一つです1「世界の化学産業 - 統計と事実」、Statista、2023 年 2 月 9 日。さらに、化学産業が生み出す製品は、製造業や製造業などの世界最大のバリュー チェーンに深く組み込まれています。工事。

2021 年の世界の化学産業の CO2 排出量は合計約 9 億 2,500 万トン (MT) でした。2「化学物質」、国際エネルギー機関、2023 年 3 月 15 日アクセス。総排出量の約 2% を占めます。 一方、業界は、低炭素製品に対する消費者の需要の高まり、リサイクルやリサイクル材料の使用に対する消費者の意識の高まりなど、根本的な変化にさらされています。 資源効率の高い生産に対する需要の増大。 そして、材料要件が厳しくなるために規制圧力が高まります。

ヨーロッパで最もエネルギーを大量に消費する産業の 1 つである化学品は、エネルギー システムの再構築と CO2 排出量の削減において特別な役割を果たすことができます。 これを念頭に置いて、私たちはベルギー、フィンランド、フランス、ドイツ、イタリア、オランダ、ノルウェー、スペイン、スウェーデンを含む複数の国にわたる化学業界における 20 以上の脱炭素化プロジェクトを調査しました。 私たちの調査結果は、プレイヤーが蒸気の生成、余熱の利用、電力調達の変更、エネルギー効率の向上を追求することで排出量を削減できることを示しています。

データの規模と入手可能性を考慮して、分析と具体例をドイツの化学産業に焦点を当てることにしました。 ただし、これは脱炭素化の手段が他国に一般的に適用できることを否定するものではありません。

2021 年、ドイツの産業は CO2 総排出量 762 トンのうち 181 トンを占めました。 業界内では、化学物質が CO2 の 40 トンを占めました (図 1)。 現在の脱炭素化目標は、2030 年までに国の全体的な CO2 排出量を約 45 パーセント削減することを目指しており、産業の削減目標は 35 パーセントまたは 63 トンの CO2 です。3「ドイツにおける温室効果ガス排出量」、ドイツ環境庁 (Umweltbundesamt)、3 月 15 日、2022年。

排出量が今日のレベルで続くと仮定すると、私たちの予測では、2030 年までにドイツで最も多くの CO2 を排出するのは化学産業であることが示されています。ただし、エネルギーや輸送などの他の排出量集約型産業とは異なります (これらの産業では、ほぼすべての排出量が燃焼によって引き起こされます)化石燃料の排出）、化学産業における排出量を削減するのはより困難であると考えられています。 化学プロセスの原料およびプロセスガスとして使用される化石燃料には、リサイクル材料、回収炭素、代替還元剤の使用などの技術革新が必要です。 化石燃料を燃焼させて蒸気、電気、熱を発生させる場合は通電することができますが、反応によっては電気装置ではまだ効率的に達成できない温度が必要となる場合があります。 したがって、化学物質の脱炭素化は、これらの課題に特有のソリューションに依存する必要があります。

化学企業の脱炭素化への取り組みをより深く理解するために、私たちは排出量を大幅に削減するための「ケミカルパーク」とも呼ばれる産業クラスターの計画を複数の国にわたって分析しました。 （さまざまなケミカルパークのレバー別の排出削減目標の範囲は、図表 2 に示されています。）ケミカルパークは、単一企業または複数の企業が所有する化学生産プラントの複合体であり、電力供給や電力供給などのインフラを共有しています。サイトサービス。

この分析に基づくと、脱炭素化には通常、蒸気生成、熱統合、電力調達、エネルギー効率という 4 つの手段が最も大きな効果をもたらします。

蒸気生成は脱炭素化の最大の手段ですが、石炭がまだ使用されている場合は石炭を段階的に廃止し、カーボンフリーの蒸気生成能力を増強する必要があります。 この点に関して、バイオマス、太陽熱、水素、バイオガス、蓄熱、ヒートポンプ、電子ボイラーという 7 つのカーボンフリー熱源技術があり、それぞれ商業化のレベルが異なります (図 3)。

各熱源技術は、原料の入手可能性、規制の適用性、負荷プロファイルの適用性に基づいて実現可能性を評価できます（再生可能エネルギー源は負荷変動の影響を受け、化学生産には一貫した基本負荷が必要です）。 たとえば、太陽熱エネルギーは太陽光の割合が高い気候と地域に依存しますが、バイオマスはトウモロコシなどの専用エネルギー作物に依存します。 場合によっては、2030 年までに低排出で費用対効果の高い蒸気発生を実現するための最良の解決策は、従来の発電能力を水素対応のガス火力発電機と電気蒸気発生器の柔軟な組み合わせに置き換えることであると判断した場合もあります。

テクノロジーの組み合わせを採用し、相対的な価格に応じて燃料切り替えの柔軟性を可能にすることは多くの場合有益ですが、そのためには追加の予備容量の設置と維持が必要になります。 場合によっては、最も経済的なテクノロジーに燃料を切り替える価値が、予備容量のための追加の運用および資本支出を上回ります。 ただし、これはケースバイケースで判断する必要があります。

歴史的に、化学産業は大量の残留エネルギーを「オフヒート」、つまり処分のために積極的に冷却される熱の形で無駄にしてきました。 これは主に、蒸気生成のコストが低いことと、低エネルギーの残留熱をリサイクルするヒートポンプなどの技術の欠如が原因でした。 しかし、私たちが調査したケミカルパークでは、デジタルツインとヒートポンプを活用してヒートシンクとヒートソースを接続し、余熱を効率的に利用できることが判明しました。

ガス不足の需要により、いくつかの熱統合ソリューションが利用可能になったのはつい最近です。 これらの技術ソリューションの中には、高温ヒートポンプ、蒸気機械的蒸気再圧縮、熱分離などがあります (図表 4)。

ヒートシンクとヒートソースを直接接続するか、ヒートポンプを使用して残留エネルギーを必要な温度レベルまでアップサイクルすることで、主に生成される熱の利用率を大幅に高めることができます。 次に、廃熱をアップサイクルして、蒸気または温水グリッドに供給したり、適切な取水口に直接接続したりできます。 さらに、私たちの調査では、正味現在価値がプラスのケースで消費者を最適化および再設計することで、現場で消費されるエネルギーを最小限に抑えることで、企業はエネルギー需要を 20 ～ 40 パーセントも削減できる可能性があることが示唆されています。

最後に、熱の統合により、冷却水の大幅な節約が可能になりました (したがって、ポンプ動作に必要な電力も削減されました)。 また、ヒートシンクとヒートソースのデジタルツインにより、熱利用の動的な最適化とヒートポンプの最適な配置が可能になりました。 可能性を最大限に高めるには、企業の境界や資産を超えて熱源を接続する方法を再設計する必要があります。 デジタル機能を活用することで、さまざまなオプションを経済的にシミュレートし、実現可能性を評価するためのモデルが作成されます。

電力調達は、再生可能エネルギー源を調達するための適切な戦略を選択する必要があるものの、ケミカルパークにおける脱炭素化のための蒸気生成と同じくらい重要である可能性があります。 たとえば、再生可能電力生産者との電力購入契約 (PPA) は、仮想的または物理的にサイトに電力を供給するのに役立ちます。 また、一般電力 (化石燃料から生成される) を再生可能エネルギーから生成される電力に置き換えることはすぐに成功する可能性がありますが、適切な長期的なエネルギー調達戦略を選択する必要があります。

これを念頭に置いて、再生可能エネルギーは、ヨーロッパにおける再生可能エネルギー原産地保証などの証明書を購入することで調達できます4。詳細については、「再生可能エネルギー原産地保証 (REGO)」、ガス・電力市場局 (Ofgem)、3 月 15 日アクセスを参照してください。 、2023年。 PPA; またはオフサイト資産への投資（図表 5）。 さらに、電力網の容量を拡張して、電化を可能にし、必要に応じて追加のグリーン電力を購入することもできます。

ケミカルパークは、多くの異なるプラントや消費者からの生産能力を集約してバンドルできる可能性があるため、特別な立場にあります。 このようにして、規模のメリットにより、ますます競争力のある価格に対応できるようになります。 また、消費者需要の異なるピーク間のバランスをとることで、需要の変動性を減らすこともできます。 したがって、コンバインドサイクルプラントがケミカルパークによって運営されている場合、グリーンベースロードを自社で生産することができ、需要のピークのみを PPA を使用して外部から調達する必要があります。

エネルギー効率を高める目的は、運用時のエネルギー損失を最小限に抑えることです。 多数の小規模なエネルギー効率化対策により、追加の節約の可能性を簡単に実現できます。 実際、私たちが調査したケミカルパークでは、年間の CO2 排出量の大幅な削減の可能性を考慮して、さまざまな脱炭素化アイデアに優先順位が付けられていました。 比較的単純なため、この取り組みは主に既存のサイト チームによって実行され、多額の資本支出や外部サポートの必要はありませんでした。

脱炭素化の 4 つの手段とは別に、確実に成功を収めるためには 3 つの重要な成功要因があります。それは、市場の需要の理解、商業モデルの適応、そして変革としての脱炭素化の管理です。

企業の脱炭素化への取り組みを形作る前に、市場と業界のトレンドと需要の変化を理解することが重要です。 生産の優先順位、潜在的なサードパーティ、サプライヤー、規制当局、その他の利害関係者について最新の情報を把握することも重要です。 世界中の化学企業は、2030 年までに CO2 排出量を 25 ～ 60% 削減するという野心的な目標を設定しています。 これらの目標を達成するために、企業は公共事業の提供やケミカルパークの運営を考慮しながら、排出量に包括的に取り組むことができます。

さらに、市場の発展に関する完全な透明性を得るには、製品カテゴリやサービスの種類ごとに傾向と需要を示すように構築された多次元の市場モデルが必要になる場合があります。 化学工場でのエネルギー効率化対策（食塩電解における酸素減極陰極 [ODC] など）や特定の汎用化学物質の移転（トルエン ジイソシアネートの製造など）により、化学薬品での蒸気生成などのユーティリティの需要全体が減少しています。 [TDI] は中国と北米に移動します)。

とはいえ、生産者はCO2削減目標を達成するためにグリーンで脱炭素化された製品をますます求めるようになり、それが結果的に新たな価値を生み出す機会を生み出すでしょう。 さらに、地域の地域暖房システムへの廃熱の供給やケミカルリサイクルや廃棄物のガス化などの新たな事業もケミカルパークの可能性を秘めています。

市場環境、生産需要、脱炭素化の取り組みの変化は、ケミカルパークのサービスポートフォリオに大きな影響を与える可能性があります。 商業モデルが順に適応しなければ、削減された CO2 コストを、脱炭素化に必要な措置を担った部門に公平に帰属させることができなくなる可能性があります。 これは、公益事業供給サービスを共有する複数の企業が参加するケミカルパークに特に当てはまります。そのためには、公益事業供給者と化学物質の顧客の間で生み出される価値を公平に分配する必要があります。

同時に、脱炭素化は大きな価値創造の可能性をもたらします。 この可能性を捉えるために、ケミカルパークの商用モデルでは次のことが保証されます。

環境への影響に関連する顧客の要求の変化は、製品ポートフォリオ、商業モデル、組織構造に反映される必要があります。 したがって、必要な適応には、企業変革と同様に、明確な実装計画が必要です。5変革の詳細については、マッキンゼー、2023 年 1 月 5 日の「デジタル変革: 最も重要な 5 つの人材要素」を参照してください。

包括的な脱炭素化を推進するには、可能性を最大限に分析して削減の機会を決定することができます。 すべての可能性が透明になれば、設備投資の要件、利用可能なリソースの能力、実装までの時間を考慮し、達成可能な効果と実装の容易さに基づいて対策を特定し、優先順位を付けることができます（図表 6）。

とはいえ、多くの変換は失敗します。 導入を確実に成功させるには、明確な会議構造と透明性のある追跡を備えたフルタイムの変革チームを設立することが重要です。6脱炭素化の機会の詳細については、マッキンゼーの「Decarbonization Transformation」(2023 年 3 月 15 日にアクセス) を参照してください。

化学業界の脱炭素化目標を達成し、他の業界と歩調を合わせるには、緊急の行動が必要です。 リーダーは、機会に優先順位を付け、リソースを特定し、適切なテクノロジーを採用する、賢明で十分な情報に基づいた意思決定を下すことから始めることができます。

ヒント ベングトソンマッキンゼーのハンブルク事務所のアソシエイトパートナーです。サイモン・ナップパートナーです。ピーター・クリスピールズリヨン事務所のパートナーです。ケン・サマーズブリュッセルオフィスのパートナーです。ウルリッヒ・ヴァイヘフランクフルトオフィスのシニアパートナーです。 そしてトーマス・ウェスカンプケルンオフィスのシニアパートナーです。

著者らは、この記事への貢献に対する Jonas Muhlbauer に感謝の意を表します。