Executive Summary
- 工业部门约占全球直接能源排放量的四分之一。国际能源署估计，为确保全球在2050年实现净零排放，工业排放量必须在2030年前（与2019年相比）减少43%。鉴于工业设施的平均使用寿命约为20年，2030年及以后安装的工厂必须从投产之日起就实现零排放。
- 五条路径正成为工业脱碳的核心工具包：利用可再生能源进行电气化、综合能源效率提升、碳捕集与封存（CCS）、氢能和生物燃料等绿色燃料，以及扩大金属和塑料的回收利用以减少对原材料的需求。
- 三个行业占据了全球工业排放的主导地位，需要采取最积极的脱碳措施。水泥行业位居首位，占全球温室气体排放量的8-9%；其次是钢铁行业，约占7%；化学品和塑料行业紧随其后，约占5%（占工业二氧化碳排放量的18%2）。每个行业都需要不同的解决方案组合，包括钢铁行业的氢直接还原、石油化工行业的电裂解，以及水泥行业中熟料含量较低的配方。
- 自2019年以来，脱碳领域的专利和期刊活动急剧加速。大多数专利属于化学/冶金和操作/运输分类，重点关注碳捕集吸附剂以及更清洁的钢铁、水泥、氢能和替代燃料的制造。商业部署虽滞后于研究，但势头明显正在增强。
根据国际能源署（IEA）的数据，工业部门 占 2022年全球直接能源系统排放量的四分之一。如果世界要限制全球变暖并实现净零目标，减少这些排放刻不容缓。最重要的是，根据《巴黎协定》，各国同意限制温室气体排放，以将长期平均气温升幅限制在工业化前（1850-1900年）水平的1.5°C以内。国际能源署指出，为实现2050年排放目标，工业排放量必须在2030年前（与2019年排放量相比）减少43%，并在此后持续 下降 。
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随着脱碳技术（如 太阳能电池板 ）和 电池 技术已趋于成熟，科学家们正将目光转向工业脱碳。由于工业设施的平均寿命为 20 年，因此 2030 年及以后安装的设施必须实现零排放，这意味着工业界现在就需要技术解决方案。我们分析了 CAS Content CollectionTMTM（全球最大的人工收录科学信息库），发现自 2019 年以来，与脱碳相关的出版物数量急剧增加（见图 1）。
期刊出版物的增长十分显著，这表明相关研究正蓬勃发展，而商业化应用可能还需数年时间。钢铁和水泥生产等重工业的脱碳已被证明极具挑战性，因为这些工艺需要利用化石燃料产生的高温来推动各种生产流程和反应。在技术和经济层面，替代化石燃料工艺在很大程度上一直不可行。
然而，随着全球不断 刷新气温纪录（包括 2024 年首次突破 1.5°C），以及风暴、干旱和野火等极端天气日益严重，我们已刻不容缓。为助力可持续发展，我们研究了五条主要的工业脱碳路径，这些路径目前正受益于更先进的技术和更广泛的应用。
实现工业脱碳的 5 条路径
- 电气化： 直接燃料燃烧 占 全球工业能源消耗的 73%，而电力仅占 27%。正如交通和供暖领域日益普及电气化一样，工业流程的电气化也拥有广阔的空间。然而，要切实推进减排，工业流程所使用的电力来源必须是风能和太阳能等可再生能源。
- 能源效率： 工业能源效率主要侧重于采购更高效的设备，但设计集成系统 基于 能源效率可实现高达 90% 的节能效果。主要考虑因素包括蒸汽系统和热回收，因为这些在工业能源使用中占比较大。例如，使用富氧空气与燃料反应可以确保完全燃烧，并提高废气中 CO2 的浓度，从而在排放到大气之前将其捕获。
- 碳捕集与封存： 水泥生产等工业流程需要高温，而使用化石燃料可以轻松且廉价地达到这一温度。目前很难利用脱碳能源达到这些温度并匹配现有方法。在只能使用化石燃料的情况下，工业界可以采用碳捕集与封存（CCS）技术，将捕获的 CO2 液化并封存在地下深处的地质构造中。在某些情况下，捕获的 CO2 可用作化学品生产的原料。
全球捕集率 预计 将达到每年 2-12 GtCO2，其中大部分由工业部门捕获。近期，人们对 CCS 的兴趣日益 增长 ，全球有超过 700 个项目处于不同的开发阶段，但要实现净零排放目标，必须加速并扩大这一战略的规模。
- 绿色燃料： 转向零排放燃料对于工业脱碳至关重要。这些燃料包括氢气，作为化石燃料的替代品，氢气在燃烧时不会产生排放，但以可持续方式生产氢气可能面临挑战。
目前，大多数 氢气 是通过甲烷蒸汽重整生产的，但这是一种高排放工艺。为了实现脱碳，工业界可以采用碳捕集与封存（CCS）技术或寻求绿色氢能。这是通过利用可再生能源产生的电力将水分子分解为氧气和氢气来实现的。氢气随后可被储存以备将来使用，既可作为燃料，也可作为绿色 氨的原料。
生物燃料也可用于替代化石燃料，例如作为 航空燃料，或作为各种化学品的原料。这些燃料通常源自生物质，主要是农业废弃物、木材和其他有机废物。
- 回收： 回收预计将在降低全球原材料需求方面发挥重要作用，特别是在钢铁、铝和塑料工业中。金属回收率通常 达到 50% 以上，但据 估计 ，2022 年全球塑料的回收率仅为 9%。目前迫切需要技术创新来改进塑料回收工艺，并扩大回收材料的收集和使用范围。
三大高排放行业的脱碳
并非所有行业产生的温室气体（GHG）排放量都相同。如图 2 所示，三大高排放行业是钢铁/铁、化学品/塑料和水泥。这些行业中的每一个都可以从各种脱碳路径中受益，随着技术变得可商业化，它们也将更具经济可行性。尽管铝的排放量目前较低，但由于对提高能源效率的轻量化材料的需求，其使用量有望增长（参考文献）。
- 钢铁：电气化、碳捕集与封存 (CCS)、绿色燃料。 钢铁行业占全球温室气体排放量的 7%。目前最常用的炼钢方法是高炉 (BF) 或转炉 (BOF)。铁矿石通过在高炉中与焦炭（精制煤）加热进行还原。随后在转炉中对碳含量进行调整并进行合金化处理。转炉中还会添加高达 30% 的回收废钢（二次钢），以减少对原生铁矿石的需求。高炉/转炉工艺的平均排放量为每吨钢 1.8 至 2.8 吨。 煤炭燃烧 用于高炉/转炉的煤炭、用于还原的焦炭以及渗碳是二氧化碳的主要来源2 排放。
国际能源署 (IEA) 估计 到 2050 年实现净零排放，钢铁行业的二氧化碳2 排放量必须降至每吨钢 600 公斤。实现这一目标的策略包括：将高炉的使用率从目前的 70% 降至 30%，将用于废钢回收的电弧炉 (EAF) 使用率提高一倍，采用碳捕集技术，以及使用氢气作为清洁燃料。目前正在探索其他工艺以减少钢铁行业的排放，例如用电弧炉替代转炉，以及采用 HIsarna 工艺以消除生产过程中的高排放环节。使用生物燃料或氢气（无论是通过 CCS 还是绿色氢气）为高炉/转炉提供动力也是一种可行的策略：
- 化学品/塑料：电气化、能源效率、碳捕集与封存 (CCS)、绿色燃料和回收利用。 石油化工行业占全球温室气体排放量的 5%，占工业二氧化碳2 排放量的 18%。化学品生产中超过 85% 的排放源于 排放 当燃料燃烧以提供热量或蒸汽时，因为许多生产过程需要高温。其他主要的排放源包括从化石燃料中制取用于化学合成的氢气、从化石燃料中生产化学原料，以及蒸馏和过滤步骤所需的能源。
为实现净零排放目标，该行业必须在当前水平上减少 30-45% 的排放量。在总 减排量 中，工艺优化和能源效率的提升（例如改进分离方法和热管理）预计将贡献 25%。以天然气或电力替代煤炭可再贡献 25%。塑料回收和碳捕集预计将分别贡献 15% 和 35% 的减排量。
- 水泥：能源效率、CCS 和绿色燃料。 水泥 行业 排放了全球 8-9% 的温室气体，消耗了全球 2-3% 的能源需求，并占工业用水量的 9%。生产 1 公斤普通硅酸盐水泥平均会释放约 0.86 公斤的 CO2 。水泥是世界上使用最广泛的材料，因此尽管每公斤水泥生产所排放的 CO2 低于其他材料，但其巨大的产量使水泥行业成为脱碳的关键领域。
水泥生产涉及一种称为煅烧的过程，该过程需要高温（约 1500 °C）来生产基础材料“熟料”，熟料与水反应后形成混凝土。水泥制造过程中 CO2 排放的两个主要来源是：为达到煅烧过程所需高温而燃烧燃料产生的排放，以及 CaCO2 分解为 CaO（石灰，熟料的关键成分）时产生的 CO3 排放。减少该过程所需的加热量对于减排至关重要，因此提高能源效率、捕集不可避免的 CO2 排放，转向绿色燃料将是必要的。
新专利可以推动脱碳创新
尽管期刊出版物在 CAS Content CollectionTM 中的增长幅度最大，但许多重要的专利进展也可能将关键创新推向商业应用。我们利用国际专利分类代码 (IPC) 开发了专利布局，以进一步分析近期的活动（见图 3）。与脱碳相关的专利属于两个主要部分——化学/冶金和操作/运输。操作部分主要包含与使用化学品和吸附剂进行碳捕集相关的工艺。化学/冶金部分包含与钢铁、水泥、氢气和替代燃料制造相关的专利。
研究人员还探讨了工业脱碳的时间表（见图 4）。不同国家实现这些目标的时间可能早于指定日期，但该框架可作为政策制定者、行业领袖和科学家的通用指南。
重工业脱碳进展缓慢的原因有很多——最显著的原因是合适的技术要么不存在，要么不经济。然而，过去几年研究的增加正在改变这一局面，例如 大规模 绿色氢能设施以及为电气化提供动力的可再生能源的增长。挑战依然巨大，但势头正在增强，工业流程已准备好减少其排放。
