工业脱碳的五大路径

根据国际能源署（IEA）的数据，工业部门在2022年占全球直接能源系统排放量的四分之一。若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，以确保长期平均气温升幅控制在工业化前（1850-1900年）水平的1.5°C以内。IEA指出，为实现2050年排放目标，工业排放量必须在2030年前较2019年水平减少43%，并在此后持续下降。

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随着太阳能电池板和电池等脱碳技术日趋成熟，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，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。我们分析了全球最大的人工标引科学信息库CAS Content Collection^TM，发现自2019年以来，与脱碳相关的出版物数量激增（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，尽管商业化可能还需要几年时间。钢铁和水泥等重工业的脱碳极具挑战性，因为这些生产过程需要利用化石燃料产生的高温来驱动各种生产工艺和反应。在技术和经济上，替代化石燃料工艺在很大程度上仍不可行。

然而，随着全球持续打破气温纪录（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，我们已没有时间可以浪费。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

1. 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存在巨大空间。然而，要实现减排的实质性进展，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。

2. 能源效率：工业能效提升主要侧重于采购更高效的设备，但设计基于能效的集成系统可带来高达90%的节能效果。主要考虑因素包括蒸汽系统和热回收，因为它们占用了大量的工业能源。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二氧化碳的浓度，从而在排放到大气之前将其捕集。₂。

3. 碳捕集与封存：水泥生产等工业流程需要高温，而化石燃料能以低廉的成本轻松实现这一需求。目前很难通过脱碳能源达到同样的高温并匹配现有工艺。在必须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，将捕集的二氧化碳₂液化并深埋于地下进行地质封存。在某些情况下，捕集的二氧化碳₂还可作为化工生产的原料。

The global capture rate is predicted to reach between 2-12 GtCO₂/year with most of this amount captured by industries. Interest in CCS has been growing recently with over 700 projects in various stages of development around the world, but this strategy will need to be accelerated and scaled up to meet net zero goals.

4. 绿色燃料：转向无排放燃料对于工业脱碳至关重要。这包括氢能，它作为化石燃料的替代品在燃烧时不会产生排放，但以可持续方式生产氢能仍面临挑战。

目前，大部分氢气是通过甲烷蒸汽重整生产的，但这是一种高排放工艺。为实现脱碳，工业界可以采用 CCS 技术或转向绿氢。绿氢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后用，既可作为燃料，也可作为生产绿色氨的原料。

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。

5. 回收利用：预计回收利用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、铝和塑料行业。金属回收率通常达到 50% 以上，但据估计，2022 年全球塑料回收率仅为 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与使用范围。

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，三大高排放行业分别是钢铁/铁、化工/塑料和水泥。这些行业均可受益于各种脱碳路径，随着相关技术实现商业化，其经济可行性也将随之提高。尽管铝行业的排放量目前较低，但由于轻量化材料对提高能源效率的需求，其使用量有望增长（参考）。

1. 钢铁/铁：电气化、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）或碱性氧气转炉（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进一步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 1.8-2.8 吨。高炉/转炉中使用的煤炭燃烧、用于还原的焦炭以及渗碳过程是 CO₂ 排放的主要来源。

国际能源署（IEA）估计，为在 2050 年实现净零排放，钢铁行业的 CO₂ 排放量必须降至每吨钢 600 公斤。实现这一目标的策略包括：将高炉的使用比例从目前的 70% 降至 30%，将用于废钢回收的电弧炉（EAF）使用量翻倍，应用碳捕集技术，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 CCS 还是绿氢）为高炉/转炉提供动力也是一种可行的策略。

2. 化工/塑料：电气化、能源效率、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 CO₂ 排放量的 18%。化工生产中超过 85% 的排放是在燃料燃烧以提供热量或蒸汽时产生的，因为许多生产过程需要高温。其他主要的排放源包括：为化学合成而从化石燃料中制氢、从化石燃料生产化工原料，以及蒸馏和过滤步骤所需的能源。

为实现净零目标，该行业必须在现有水平上减排 30-45%。在所需的总减排量中，工艺优化和能效提升（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。

3. Cement: Energy efficiency, CCS, and green fuels. The cement industry releases 8-9% of global total of GHG emissions, consumes 2-3% of global energy demand, and accounts for 9% of industrial water withdrawals. The production of 1 kg of ordinary Portland cement releases about 0.86 kg of CO₂ on average. Cement is the most-used material in the world, so even though the CO₂ emitted per kg of cement production is lower than other materials, its high production volumes make cement a vital industry to decarbonize.  

水泥生产涉及一种称为煅烧的过程，需要高温（约 1500 °C）来生产基础材料“熟料”，熟料与水反应形成混凝土。水泥制造过程中 CO₂ 排放的两个主要原因是：燃烧燃料以达到煅烧过程所需高温产生的排放，以及 CaCO₃（石灰石）分解为 CaO（生石灰）这一熟料关键成分时产生的 CO₂ 排放。减少该过程所需的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 排放并转向绿色燃料是必要的。

新专利可推动脱碳创新

尽管期刊出版物在 CAS 内容合集中增长最快，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）绘制了专利全景图，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领域——化学/冶金和操作/运输。操作领域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/冶金领域则包含与钢铁、水泥、氢能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）。各国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，最主要的是合适的技术要么尚未出现，要么不具备经济性。然而，过去几年研究的增加正在改变这一局面，例如大规模绿氢设施的建设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，工业流程已准备好逐步降低排放。