21世纪的水泥工厂：绿色互联
未来的水泥工厂将拥抱数字化和可持续趋势，打造竞争优势，建立韧性。
本文由刘寅、唐红科、侯文皓、王嘉骏、Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Sebastian Reiter和Patrick Schulze合作撰写，代表麦肯锡化学品及农业事业部观点。
当下正是水泥价值链的核心——水泥工厂建立韧性的关键时期。2020年，水泥行业深受新冠疫情影响，全球需求下降了约7%-8%——但各地区所受影响不尽相同【1】。在疫后复苏较好的中国，水泥行业也面临着限产和减排的压力。尽管工厂只是水泥价值链上的一个环节，但在引导行业应对颠覆性趋势、推动企业取得未来成功方面却是至关重要。
前方的道路非常清晰：拥抱数字化和可持续发展。将这两个趋势置于未来规划的首位，关键在于要一边建立高效的数字化工作新模式，一边提升水泥企业面对颠覆时的韧性。
未来水泥工厂的运营模式将与现在迥然不同。在本文中，我们将描绘有韧性、敏捷、绿色、高效的未来工厂愿景，探讨其商业价值，以及高层在确立发展路线时应考量的战略要素。
愿景：2030年的领先水泥工厂
未来的水泥工厂将通过优化能效、配方和产能来降低运营成本，提升资产价值，借助更具针对性的有效维护延长设备的运行周期。每家工厂的环境足迹都降至最低，以确保在其运营的地区都能获得经营许可。工厂根据实时客户数据动态调整生产和物流，以满足客户所需。无附加值的工作实现自动化，员工可以将工作热情倾注于增值活动中。各层级管理者远程即可获取实时信息，以更好地制定决策。
未来已来。我们的分析显示，数字化和可持续抓手将是水泥工厂大幅提高产能和效率的关键举措（图1）。它们可以将每吨水泥的利润提升3-6美元【2】，让工厂的成本曲线升至同等技术装备工厂中排名前25%的水平。（详见“今天的水泥工厂”）
实现转型所需的资金数额取决于所采取的举措。例如，为回转窑设置先进分析试点【3】需要专家工作2-3个月，以收集并分析历史数据，建模和训练系统；投资替代燃料装置需要高达数百万乃至上千万美元的资金，以及长达一年的试运行时间；更为激进创新的方案则需要更多的资金和时间。除此之外，业内常见的卓越运营或合规性要求，以及其他一些规定也都需要资金投入。
今天的水泥工厂
在想象未来的水泥工厂时，首先需要了解今天典型的水泥工厂。我们参考的工厂使用六级预热器-预分解炉，包括辊压式生料磨和两个水泥磨，年产熟料200万吨，能够生产多种类型的产品。工厂设备的平均利用率为90%，最多可以用15%的替代燃料。
近期，工厂使用先进流程控制工具来管理回转窑、生料及水泥磨。工厂设有中控室全面监督运营，作业员每天集中检视数字屏上的班次结果。设备部门将每日检查日志记录到可靠性管理工具中，确保下次设备检查时点检员能够了解情况。在这样一家工厂，每吨水泥的成本在35-40美元之间。
运营领跑者：赋能数字化及先进分析
和其他行业相比，水泥行业尚处于全面数字化转型的初级阶段。在54家被认为是“灯塔”（即应用工业4.0技术的领先者）的制造工厂中，没有一家是水泥工厂（详见“制造4.0：世界经济论坛定义的灯塔工厂”）。然而，监管趋严、需求降低，以及建筑生态系统发生的广泛变化，使得水泥行业迫切需要应用工业4.0技术以确保竞争力。
在未来的水泥工厂中，价值（而不见得是产量）至关重要。基于数据实时进行决策将是常态，工厂会通过持续的调整适应生态系统的变化。产品组合增至现有规模的5-10倍，通过动态的约束条件和目标寻优来管理运营，并同步调整相应的生产参数。数字孪生（Digital twins）模拟并优化了外部变化对运营的整体影响，将从燃烧等复杂工艺到维护等更结构化的活动都囊括在内。
必须留在工作现场的员工进一步减少，互动式线上仪表盘让管理者可以通过远程合作解决问题，他们能够根据全面的信息与团队一起快速决策。设备工程师会被及时告知设备故障或即时维护工单，并在增强现实的帮助下，按照操作指南一步步进行修复。
强大的技术基础将推动水泥价值链全面整合，包括不同职能之间的融合。先进分析算法改善了物耗、产量、质量、能效以及熟料掺加量【4】。通过对设备综合利用率（OEE）损失的自动追踪以及先进分析赋能软件，可以定制设备管理策略，提升设备可靠性并延长使用寿命（图2）。
制造4.0：世界经济论坛定义的灯塔工厂
自2018年起，世界经济论坛与麦肯锡合作研究先进的制造领军企业（或称“灯塔”）不同于业内其他企业的特质。世界经济论坛将“灯塔”定义为有能力应用第四次工业革命（工业4.0）技术，通过工厂、价值链和业务模式的转型来实现财务和运营影响的制造企业。灯塔的概念并不局限于工厂本身，也代表了各种工厂模式的可复制性以及价值链整合程度。
截至2020年9月，世界经济论坛灯塔网络囊括了工业4.0中的54家领先工厂。新的端到端灯塔利用数字互联来推广工厂内的数字化运营，同时为价值链中的各职能消除阻碍。此外，端到端灯塔也持续推动技术扩展边界，超越工厂属性，迅速提升效益并重塑客户旅程【1】。
注释：
1. Kate Whiting，《这十座新的“灯塔”工厂展示了制造业的未来方向》，世界经济论坛，2020年9月17日， weforum.org
碳中和下的水泥行业：应对气候变化的先锋
2017年，水泥生产为全球贡献了7%的二氧化碳排放量。持续收紧的排放标准，以及社会和政府的共同脱碳目标都将对行业产生重大影响，可能会颠覆整体价值链。水泥制造商需要重新审视其产品、投资组合及合作伙伴，并努力实现碳中和。
根据我们的分析，到2050年，水泥行业的碳排放量将较2017年减少75%。其中，约20%来自运营进步，如能效提升和熟料替代；另10%来自替代燃料——然而，各地区替代燃料的可得性不同，钢铁、电力等相关行业在脱碳方面的进展情况也有所不同。天然火山灰、工业副产品【5】等熟料替代品也面临类似情况。
碳捕集、利用与封存（CCUS）等创新技术的应用将有助于建设更绿色、高效的工厂。在推广方面，CCUS技术或许是最先进的技术方案。水泥厂家使用该技术捕集排放的二氧化碳，获取碳固化水泥（一种将二氧化碳锁定在终端产品中的利用方法），或者将碳存储在之前的油气田中。其他的清洁理念，包括电解和细菌产生碳酸钙都需要大量投资来落地，且先发优势明显。最重要的是，工厂与水泥生产的整体价值链紧密挂钩，有助于其以最有效的方式实现碳减排和碳捕集。做实排放追踪、开展端到端碳核算，以及构建全价值链透明度都有利于实现最优情况。
落地：颠覆现有模式
如今，大多数工厂仍然依赖人工或过时技术，采用传统、非敏捷的运营方式，并在寻找和留用重要岗位上的熟练工人方面挑战重重。过往兼并的以及大量有待完成的新项目需要投资，使得工厂无心也无力开展彻底变革。此外，尽管在过去20年里，水泥行业的IT基础设施和运营技术已经取得了极大进展，但新的“企业-资源-规划”系统、流程优化工具，甚至预见性维护因遭遇管理变革的挑战以及不同工厂间的文化差异，以致效果不够理想。
水泥企业应着手对其工厂乃至整个价值链进行评估，了解在每个市场细分领域的差距和机遇。如此一来，企业不仅能确定实际的数字化和可持续愿景，还能推动有关综合战略的探讨，并将之融入每座工厂的详细转型路线图。水泥企业可以自上而下地为每座工厂设立目标，也可根据工厂的实际抓手自下而上地确定目标。无论采取哪种方式，他们都能通过专门的能力学院来同步建设数字化能力。做好能力建设之后，工厂应志存高远，聚焦于能够为企业和客户创造最大利润的活动。
成功的道路不止一条，每家工厂都应根据自身情况、目标、集中化意愿、现有内部能力等因素选择适合自己的路径。启程之前，亟待水泥企业思考的问题都与价值创造相关——哪些应用和技术能够最大幅度地提升价值？效率最高和产能最大，究竟哪个才能带来整体价值最大化？实现全整合的生产流程能否产生更高利润？
疫情让水泥企业意识到开启数字化转型旅程宜早不宜迟。数字化、可持续的未来愿景更能帮助工厂在产能、效率和韧性上获得长期优势，这一认知要比获取外部投资更为可贵。
每座工厂都需要建立敏捷运营模式，包括对组织架构、能力、基础设施、流程和合作伙伴进行调整。领导者需要获得授权以引领团队达成目标，保持开放透明、以客户为中心，并树立团队的责任感。工厂不能只聚焦成本，在以精益方式开展日常运营的同时，还要关注能够创造更高价值的各项举措。稳定的组织架构能够确保组织有共同的目标、标准、平台、文化和价值，从而实现开放、简单的知识分享。更具效率、更可持续的发展只是未来愿景的一部分，在接下来十年中，水泥企业必须在价值链各环节开展行动，确保水泥生产兼具经济性和生态可持续性。
注释：
【1】 Paul Roger，《新冠疫情对全球水泥市场的影响》，全球水泥市场，2020年6月，cemnet.com
【2】 不考虑创新设备对减排的影响
【3】 Eleftherios Charalambous、Robert Feldmann、Gérard Richter和Christoph Schmitz，《AI生产：重资产制造商的变局要素》，2019年3月7日，McKinsey.com
【4】 Eleftherios Charalambous、Thomas Czigler、Robert Feldmann和Patrick Schulze，《AI促进核心资产》，国际水泥评论，2019年2月，cemnet.com；Charalambous、Feldmann、Richter和Schmitz，《AI生产：重资产制造商的变局要素》
【5】 Thomas Czigler、Sebastian Reiter、Patrick Schulze和Ken Somers，《为零碳水泥打下基础》，2020年5月， McKinsey.com
