21世紀的水泥工廠：綠色互聯
未來的水泥工廠将擁抱數字化和可持續趨勢，打造競争優勢，建立韌性。
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，代表麥肯錫化學品及農業事業部觀點。
當下正是水泥價值鍊的核心——水泥工廠建立韌性的關鍵時期。2020年，水泥行業深受新冠疫情影響，全球需求下降了約7%-8%——但各地區所受影響不盡相同【1】。在疫後複蘇較好的中國，水泥行業也面臨着限産和減排的壓力。盡管工廠隻是水泥價值鍊上的一個環節，但在引導行業應對颠覆性趨勢、推動企業取得未來成功方面卻是至關重要。
前方的道路非常清晰：擁抱數字化和可持續發展。将這兩個趨勢置于未來規劃的首位，關鍵在于要一邊建立高效的數字化工作新模式，一邊提升水泥企業面對颠覆時的韌性。
未來水泥工廠的運營模式将與現在迥然不同。在本文中，我們将描繪有韌性、敏捷、綠色、高效的未來工廠願景，探讨其商業價值，以及高層在确立發展路線時應考量的戰略要素。
願景：2030年的領先水泥工廠
未來的水泥工廠将通過優化能效、配方和産能來降低運營成本，提升資産價值，借助更具針對性的有效維護延長設備的運行周期。每家工廠的環境足迹都降至最低，以确保在其運營的地區都能獲得經營許可。工廠根據實時客戶數據動态調整生産和物流，以滿足客戶所需。無附加值的工作實現自動化，員工可以将工作熱情傾注于增值活動中。各層級管理者遠程即可獲取實時信息，以更好地制定決策。
未來已來。我們的分析顯示，數字化和可持續抓手将是水泥工廠大幅提高産能和效率的關鍵舉措（圖1）。它們可以将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裝備工廠中排名前25%的水平。（詳見“今天的水泥工廠”）
實現轉型所需的資金數額取決于所采取的舉措。例如，為回轉窯設置先進分析試點【3】需要專家工作2-3個月，以收集并分析曆史數據，建模和訓練系統；投資替代燃料裝置需要高達數百萬乃至上千萬美元的資金，以及長達一年的試運行時間；更為激進創新的方案則需要更多的資金和時間。除此之外，業内常見的卓越運營或合規性要求，以及其他一些規定也都需要資金投入。
今天的水泥工廠
在想象未來的水泥工廠時，首先需要了解今天典型的水泥工廠。我們參考的工廠使用六級預熱器-預分解爐，包括輥壓式生料磨和兩個水泥磨，年産熟料200萬噸，能夠生産多種類型的産品。工廠設備的平均利用率為90%，最多可以用15%的替代燃料。
近期，工廠使用先進流程控制工具來管理回轉窯、生料及水泥磨。工廠設有中控室全面監督運營，作業員每天集中檢視數字屏上的班次結果。設備部門将每日檢查日志記錄到可靠性管理工具中，确保下次設備檢查時點檢員能夠了解情況。在這樣一家工廠，每噸水泥的成本在35-40美元之間。
運營領跑者：賦能數字化及先進分析
和其他行業相比，水泥行業尚處于全面數字化轉型的初級階段。在54家被認為是“燈塔”（即應用工業4.0技術的領先者）的制造工廠中，沒有一家是水泥工廠（詳見“制造4.0：世界經濟論壇定義的燈塔工廠”）。然而，監管趨嚴、需求降低，以及建築生态系統發生的廣泛變化，使得水泥行業迫切需要應用工業4.0技術以确保競争力。
在未來的水泥工廠中，價值（而不見得是産量）至關重要。基于數據實時進行決策将是常态，工廠會通過持續的調整适應生态系統的變化。産品組合增至現有規模的5-10倍，通過動态的約束條件和目标尋優來管理運營，并同步調整相應的生産參數。數字孿生（Digital twins）模拟并優化了外部變化對運營的整體影響，将從燃燒等複雜工藝到維護等更結構化的活動都囊括在内。
必須留在工作現場的員工進一步減少，互動式線上儀表盤讓管理者可以通過遠程合作解決問題，他們能夠根據全面的信息與團隊一起快速決策。設備工程師會被及時告知設備故障或即時維護工單，并在增強現實的幫助下，按照操作指南一步步進行修複。
強大的技術基礎将推動水泥價值鍊全面整合，包括不同職能之間的融合。先進分析算法改善了物耗、産量、質量、能效以及熟料摻加量【4】。通過對設備綜合利用率（OEE）損失的自動追蹤以及先進分析賦能軟件，可以定制設備管理策略，提升設備可靠性并延長使用壽命（圖2）。
制造4.0：世界經濟論壇定義的燈塔工廠
自2018年起，世界經濟論壇與麥肯錫合作研究先進的制造領軍企業（或稱“燈塔”）不同于業内其他企業的特質。世界經濟論壇将“燈塔”定義為有能力應用第四次工業革命（工業4.0）技術，通過工廠、價值鍊和業務模式的轉型來實現财務和運營影響的制造企業。燈塔的概念并不局限于工廠本身，也代表了各種工廠模式的可複制性以及價值鍊整合程度。
截至2020年9月，世界經濟論壇燈塔網絡囊括了工業4.0中的54家領先工廠。新的端到端燈塔利用數字互聯來推廣工廠内的數字化運營，同時為價值鍊中的各職能消除阻礙。此外，端到端燈塔也持續推動技術擴展邊界，超越工廠屬性，迅速提升效益并重塑客戶旅程【1】。
注釋：
1. Kate Whiting，《這十座新的“燈塔”工廠展示了制造業的未來方向》，世界經濟論壇，2020年9月17日， weforum.org
碳中和下的水泥行業：應對氣候變化的先鋒
2017年，水泥生産為全球貢獻了7%的二氧化碳排放量。持續收緊的排放标準，以及社會和政府的共同脫碳目标都将對行業産生重大影響，可能會颠覆整體價值鍊。水泥制造商需要重新審視其産品、投資組合及合作夥伴，并努力實現碳中和。
根據我們的分析，到2050年，水泥行業的碳排放量将較2017年減少75%。其中，約20%來自運營進步，如能效提升和熟料替代；另10%來自替代燃料——然而，各地區替代燃料的可得性不同，鋼鐵、電力等相關行業在脫碳方面的進展情況也有所不同。天然火山灰、工業副産品【5】等熟料替代品也面臨類似情況。
碳捕集、利用與封存（CCUS）等創新技術的應用将有助于建設更綠色、高效的工廠。在推廣方面，CCUS技術或許是最先進的技術方案。水泥廠家使用該技術捕集排放的二氧化碳，獲取碳固化水泥（一種将二氧化碳鎖定在終端産品中的利用方法），或者将碳存儲在之前的油氣田中。其他的清潔理念，包括電解和細菌産生碳酸鈣都需要大量投資來落地，且先發優勢明顯。最重要的是，工廠與水泥生産的整體價值鍊緊密挂鈎，有助于其以最有效的方式實現碳減排和碳捕集。做實排放追蹤、開展端到端碳核算，以及構建全價值鍊透明度都有利于實現最優情況。
落地：颠覆現有模式
如今，大多數工廠仍然依賴人工或過時技術，采用傳統、非敏捷的運營方式，并在尋找和留用重要崗位上的熟練工人方面挑戰重重。過往兼并的以及大量有待完成的新項目需要投資，使得工廠無心也無力開展徹底變革。此外，盡管在過去20年裡，水泥行業的IT基礎設施和運營技術已經取得了極大進展，但新的“企業-資源-規劃”系統、流程優化工具，甚至預見性維護因遭遇管理變革的挑戰以及不同工廠間的文化差異，以緻效果不夠理想。
水泥企業應着手對其工廠乃至整個價值鍊進行評估，了解在每個市場細分領域的差距和機遇。如此一來，企業不僅能确定實際的數字化和可持續願景，還能推動有關綜合戰略的探讨，并将之融入每座工廠的詳細轉型路線圖。水泥企業可以自上而下地為每座工廠設立目标，也可根據工廠的實際抓手自下而上地确定目标。無論采取哪種方式，他們都能通過專門的能力學院來同步建設數字化能力。做好能力建設之後，工廠應志存高遠，聚焦于能夠為企業和客戶創造最大利潤的活動。
成功的道路不止一條，每家工廠都應根據自身情況、目标、集中化意願、現有内部能力等因素選擇适合自己的路徑。啟程之前，亟待水泥企業思考的問題都與價值創造相關——哪些應用和技術能夠最大幅度地提升價值？效率最高和産能最大，究竟哪個才能帶來整體價值最大化？實現全整合的生産流程能否産生更高利潤？
疫情讓水泥企業意識到開啟數字化轉型旅程宜早不宜遲。數字化、可持續的未來願景更能幫助工廠在産能、效率和韌性上獲得長期優勢，這一認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營模式，包括對組織架構、能力、基礎設施、流程和合作夥伴進行調整。領導者需要獲得授權以引領團隊達成目标，保持開放透明、以客戶為中心，并樹立團隊的責任感。工廠不能隻聚焦成本，在以精益方式開展日常運營的同時，還要關注能夠創造更高價值的各項舉措。穩定的組織架構能夠确保組織有共同的目标、标準、平台、文化和價值，從而實現開放、簡單的知識分享。更具效率、更可持續的發展隻是未來願景的一部分，在接下來十年中，水泥企業必須在價值鍊各環節開展行動，确保水泥生産兼具經濟性和生态可持續性。
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】 不考慮創新設備對減排的影響
【3】 Eleftherios Charalambous、Robert Feldmann、Gérard Richter和Christoph Schmitz，《AI生産：重資産制造商的變局要素》，2019年3月7日，McKinsey.com
【4】 Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Robert Feldmann和Patrick Schulze，《AI促進核心資産》，國際水泥評論，2019年2月，cemnet.com；Charalambous、Feldmann、Richter和Schmitz，《AI生産：重資産制造商的變局要素》
【5】 Thomas Czigler、Sebastian Reiter、Patrick Schulze和Ken Somers，《為零碳水泥打下基礎》，2020年5月， McKinsey.com
