21世紀(jì)的水泥工廠：綠色互聯(lián)

本文由劉寅、唐紅科、侯文皓、王嘉駿、Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Sebastian Reiter和Patrick Schulze合作撰寫，代表麥肯錫化學(xué)品及農(nóng)業(yè)事業(yè)部觀點(diǎn)。

當(dāng)下正是水泥價值鏈的核心——水泥工廠建立韌性的關(guān)鍵時期。2020年，水泥行業(yè)深受新冠疫情影響，全球需求下降了約7%-8%——但各地區(qū)所受影響不盡相同【1】。在疫后復(fù)蘇較好的中國，水泥行業(yè)也面臨著限產(chǎn)和減排的壓力。盡管工廠只是水泥價值鏈上的一個環(huán)節(jié)，但在引導(dǎo)行業(yè)應(yīng)對顛覆性趨勢、推動企業(yè)取得未來成功方面卻是至關(guān)重要。

前方的道路非常清晰：擁抱數(shù)字化和可持續(xù)發(fā)展。將這兩個趨勢置于未來規(guī)劃的首位，關(guān)鍵在于要一邊建立高效的數(shù)字化工作新模式，一邊提升水泥企業(yè)面對顛覆時的韌性。

未來水泥工廠的運(yùn)營模式將與現(xiàn)在迥然不同。在本文中，我們將描繪有韌性、敏捷、綠色、高效的未來工廠愿景，探討其商業(yè)價值，以及高層在確立發(fā)展路線時應(yīng)考量的戰(zhàn)略要素。

未來的水泥工廠將通過優(yōu)化能效、配方和產(chǎn)能來降低運(yùn)營成本，提升資產(chǎn)價值，借助更具針對性的有效維護(hù)延長設(shè)備的運(yùn)行周期。每家工廠的環(huán)境足跡都降至最低，以確保在其運(yùn)營的地區(qū)都能獲得經(jīng)營許可。工廠根據(jù)實(shí)時客戶數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)和物流，以滿足客戶所需。無附加值的工作實(shí)現(xiàn)自動化，員工可以將工作熱情傾注于增值活動中。各層級管理者遠(yuǎn)程即可獲取實(shí)時信息，以更好地制定決策。

未來已來。我們的分析顯示，數(shù)字化和可持續(xù)抓手將是水泥工廠大幅提高產(chǎn)能和效率的關(guān)鍵舉措（圖1）。它們可以將每噸水泥的利潤提升3-6美元【2】，讓工廠的成本曲線升至同等技術(shù)裝備工廠中排名前25%的水平。（詳見“今天的水泥工廠”）

實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型所需的資金數(shù)額取決于所采取的舉措。例如，為回轉(zhuǎn)窯設(shè)置先進(jìn)分析試點(diǎn)【3】需要專家工作2-3個月，以收集并分析歷史數(shù)據(jù)，建模和訓(xùn)練系統(tǒng)；投資替代燃料裝置需要高達(dá)數(shù)百萬乃至上千萬美元的資金，以及長達(dá)一年的試運(yùn)行時間；更為激進(jìn)創(chuàng)新的方案則需要更多的資金和時間。除此之外，業(yè)內(nèi)常見的卓越運(yùn)營或合規(guī)性要求，以及其他一些規(guī)定也都需要資金投入。

運(yùn)營領(lǐng)跑者：賦能數(shù)字化及先進(jìn)分析 

和其他行業(yè)相比，水泥行業(yè)尚處于全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型的初級階段。在54家被認(rèn)為是“燈塔”（即應(yīng)用工業(yè)4.0技術(shù)的領(lǐng)先者）的制造工廠中，沒有一家是水泥工廠（詳見“制造4.0：世界經(jīng)濟(jì)論壇定義的燈塔工廠”）。然而，監(jiān)管趨嚴(yán)、需求降低，以及建筑生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的廣泛變化，使得水泥行業(yè)迫切需要應(yīng)用工業(yè)4.0技術(shù)以確保競爭力。

在未來的水泥工廠中，價值（而不見得是產(chǎn)量）至關(guān)重要。基于數(shù)據(jù)實(shí)時進(jìn)行決策將是常態(tài)，工廠會通過持續(xù)的調(diào)整適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的變化。產(chǎn)品組合增至現(xiàn)有規(guī)模的5-10倍，通過動態(tài)的約束條件和目標(biāo)尋優(yōu)來管理運(yùn)營，并同步調(diào)整相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)。數(shù)字孿生（Digital twins）模擬并優(yōu)化了外部變化對運(yùn)營的整體影響，將從燃燒等復(fù)雜工藝到維護(hù)等更結(jié)構(gòu)化的活動都囊括在內(nèi)。

必須留在工作現(xiàn)場的員工進(jìn)一步減少，互動式線上儀表盤讓管理者可以通過遠(yuǎn)程合作解決問題，他們能夠根據(jù)全面的信息與團(tuán)隊一起快速決策。設(shè)備工程師會被及時告知設(shè)備故障或即時維護(hù)工單，并在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的幫助下，按照操作指南一步步進(jìn)行修復(fù)。

強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)將推動水泥價值鏈全面整合，包括不同職能之間的融合。先進(jìn)分析算法改善了物耗、產(chǎn)量、質(zhì)量、能效以及熟料摻加量【4】。通過對設(shè)備綜合利用率（OEE）損失的自動追蹤以及先進(jìn)分析賦能軟件，可以定制設(shè)備管理策略，提升設(shè)備可靠性并延長使用壽命（圖2）。

碳中和下的水泥行業(yè)：應(yīng)對氣候變化的先鋒

2017年，水泥生產(chǎn)為全球貢獻(xiàn)了7%的二氧化碳排放量。持續(xù)收緊的排放標(biāo)準(zhǔn)，以及社會和政府的共同脫碳目標(biāo)都將對行業(yè)產(chǎn)生重大影響，可能會顛覆整體價值鏈。水泥制造商需要重新審視其產(chǎn)品、投資組合及合作伙伴，并努力實(shí)現(xiàn)碳中和。

根據(jù)我們的分析，到2050年，水泥行業(yè)的碳排放量將較2017年減少75%。其中，約20%來自運(yùn)營進(jìn)步，如能效提升和熟料替代；另10%來自替代燃料——然而，各地區(qū)替代燃料的可得性不同，鋼鐵、電力等相關(guān)行業(yè)在脫碳方面的進(jìn)展情況也有所不同。天然火山灰、工業(yè)副產(chǎn)品【5】等熟料替代品也面臨類似情況。

碳捕集、利用與封存（CCUS）等創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用將有助于建設(shè)更綠色、高效的工廠。在推廣方面，CCUS技術(shù)或許是最先進(jìn)的技術(shù)方案。水泥廠家使用該技術(shù)捕集排放的二氧化碳，獲取碳固化水泥（一種將二氧化碳鎖定在終端產(chǎn)品中的利用方法），或者將碳存儲在之前的油氣田中。其他的清潔理念，包括電解和細(xì)菌產(chǎn)生碳酸鈣都需要大量投資來落地，且先發(fā)優(yōu)勢明顯。最重要的是，工廠與水泥生產(chǎn)的整體價值鏈緊密掛鉤，有助于其以最有效的方式實(shí)現(xiàn)碳減排和碳捕集。做實(shí)排放追蹤、開展端到端碳核算，以及構(gòu)建全價值鏈透明度都有利于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)情況。

如今，大多數(shù)工廠仍然依賴人工或過時技術(shù)，采用傳統(tǒng)、非敏捷的運(yùn)營方式，并在尋找和留用重要崗位上的熟練工人方面挑戰(zhàn)重重。過往兼并的以及大量有待完成的新項(xiàng)目需要投資，使得工廠無心也無力開展徹底變革。此外，盡管在過去20年里，水泥行業(yè)的IT基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營技術(shù)已經(jīng)取得了極大進(jìn)展，但新的“企業(yè)-資源-規(guī)劃”系統(tǒng)、流程優(yōu)化工具，甚至預(yù)見性維護(hù)因遭遇管理變革的挑戰(zhàn)以及不同工廠間的文化差異，以致效果不夠理想。

水泥企業(yè)應(yīng)著手對其工廠乃至整個價值鏈進(jìn)行評估，了解在每個市場細(xì)分領(lǐng)域的差距和機(jī)遇。如此一來，企業(yè)不僅能確定實(shí)際的數(shù)字化和可持續(xù)愿景，還能推動有關(guān)綜合戰(zhàn)略的探討，并將之融入每座工廠的詳細(xì)轉(zhuǎn)型路線圖。水泥企業(yè)可以自上而下地為每座工廠設(shè)立目標(biāo)，也可根據(jù)工廠的實(shí)際抓手自下而上地確定目標(biāo)。無論采取哪種方式，他們都能通過專門的能力學(xué)院來同步建設(shè)數(shù)字化能力。做好能力建設(shè)之后，工廠應(yīng)志存高遠(yuǎn)，聚焦于能夠?yàn)槠髽I(yè)和客戶創(chuàng)造最大利潤的活動。

成功的道路不止一條，每家工廠都應(yīng)根據(jù)自身情況、目標(biāo)、集中化意愿、現(xiàn)有內(nèi)部能力等因素選擇適合自己的路徑。啟程之前，亟待水泥企業(yè)思考的問題都與價值創(chuàng)造相關(guān)——哪些應(yīng)用和技術(shù)能夠最大幅度地提升價值？效率最高和產(chǎn)能最大，究竟哪個才能帶來整體價值最大化？實(shí)現(xiàn)全整合的生產(chǎn)流程能否產(chǎn)生更高利潤？

疫情讓水泥企業(yè)意識到開啟數(shù)字化轉(zhuǎn)型旅程宜早不宜遲。數(shù)字化、可持續(xù)的未來愿景更能幫助工廠在產(chǎn)能、效率和韌性上獲得長期優(yōu)勢，這一認(rèn)知要比獲取外部投資更為可貴。

每座工廠都需要建立敏捷運(yùn)營模式，包括對組織架構(gòu)、能力、基礎(chǔ)設(shè)施、流程和合作伙伴進(jìn)行調(diào)整。領(lǐng)導(dǎo)者需要獲得授權(quán)以引領(lǐng)團(tuán)隊達(dá)成目標(biāo)，保持開放透明、以客戶為中心，并樹立團(tuán)隊的責(zé)任感。工廠不能只聚焦成本，在以精益方式開展日常運(yùn)營的同時，還要關(guān)注能夠創(chuàng)造更高價值的各項(xiàng)舉措。穩(wěn)定的組織架構(gòu)能夠確保組織有共同的目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、平臺、文化和價值，從而實(shí)現(xiàn)開放、簡單的知識分享。更具效率、更可持續(xù)的發(fā)展只是未來愿景的一部分，在接下來十年中，水泥企業(yè)必須在價值鏈各環(huán)節(jié)開展行動，確保水泥生產(chǎn)兼具經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)可持續(xù)性。

注釋：

【1】      Paul Roger，《新冠疫情對全球水泥市場的影響》，全球水泥市場，2020年6月，cemnet.com

【2】      不考慮創(chuàng)新設(shè)備對減排的影響

【3】      Eleftherios Charalambous、Robert Feldmann、Gérard Richter和Christoph Schmitz，《AI生產(chǎn)：重資產(chǎn)制造商的變局要素》，2019年3月7日，McKinsey.com

【4】      Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Robert Feldmann和Patrick Schulze，《AI促進(jìn)核心資產(chǎn)》，國際水泥評論，2019年2月，cemnet.com；Charalambous、Feldmann、Richter和Schmitz，《AI生產(chǎn)：重資產(chǎn)制造商的變局要素》

【5】      Thomas Czigler、Sebastian Reiter、Patrick Schulze和Ken Somers，《為零碳水泥打下基礎(chǔ)》，2020年5月， McKinsey.com