如何利用当今技术使 85% 的工业去碳化？

在发表于《焦耳》（Joule）杂志上的一项新研究中，研究人员对一系列不同的工业领域进行了研究，考察了现有的脱碳方案、其减排潜力以及技术就绪水平（TRL），TRL 是衡量特定技术距离大规模普及还有多远的标准。

他们发现，即使只采用中成熟度和高成熟度方案（TRL 6-9）--主要涉及碳捕集与封存（CCS）和/或将燃料转换为氢或生物质--大多数工业部门已经能够平均减少 85% 的排放量。

以下是他们评估的领域、已准备就绪的技术以及仍有差距的地方的简要总结。

钢铁

大多数钢铁生产过程都需要使用化石燃料的高炉和鼓风氧气炉来达到高温，并使用焦炭（烘烤煤）作为还原剂，因此每生产一吨钢就会排放约两吨二氧化碳。

你可以用绿色氢气代替焦炭，并用同样的氢气为电弧炉提供动力，生产绿色钢铁--事实上，已经有绿色钢铁厂在运行，其中一家已经在为沃尔沃供货。

但研究发现，即使钢铁制造商想保留现有的熔炉资产，CCS也能封存86%的炼钢排放物，但代价是能耗增加17%。此外，还有其他技术选择，如电解法。

化学品生产

化工行业是一个比较棘手的行业，因为涉及到许多不同的产品、工艺、投入和反应。但有些高排放工艺，如合成氨，已有成熟的绿色替代品。

用于生产乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔和芳香族化合物等重要化学成分的蒸汽裂解则稍显困难；据研究小组估计，电动和氢气蒸汽裂解装置的TRL仅为5，略低于临界值。不过，仅使用二氧化碳捕集与封存技术，就可以封存目前排放量的约 90%，尽管需要多消耗约 25% 的能源。

在用于生产甲醇和氢气的蒸汽转化过程中，电解器已得到广泛应用，并可完全消除碳排放--但这需要耗费大量电力，与现有方法相比，能耗增加了 743%。在这里，碳捕获与封存的效果较差，只能捕获现有生产工艺中 52-88% 的排放量，并且需要增加约 10% 的能源消耗。

行业如果已经有减排替代品，则显示为深紫色，如果处于早期开发阶段，则逐渐变为灰色 图表/利兹大学

水泥和石灰

水泥和石灰的大部分碳排放都是"过程排放"，如果我们要继续使用这些化合物，这些排放似乎是不可避免的。这意味着该行业的大量减排潜力将来自二氧化碳捕集与封存（CCS），其代价是"大量"增加 62-166% 的能源投入。

另一方面，将石灰窑和水泥窑转换为使用氢气、生物质或电力的窑，可减少高达 40% 的行业总排放量，而对能源需求不会产生太大影响。

铝生产

目前，铝生产过程中的大部分排放物（约占三分之二）都来自电解过程中使用的普通脏电，因此，使用绿色能源很容易获得成功。剩下的一些排放物则来自生产过程；通过在电解槽中使用惰性阳极而不是碳阳极，只需减少 20% 的能耗就能解决这些问题。

其余 13-16%的排放量可以通过在氧化铝精炼过程中改用电或氢燃料锅炉和煅烧炉来消除，尽管这些设备仍需要大量开发。

到目前为止，目前最清洁、最简单的铝生产方式是通过成熟的二次生产途径回收铝，据研究人员估计，这样可以减少约 95% 的排放量。

纸浆和纸张

纸浆和纸张没有任何工艺排放问题；热电联产（CHP）系统和锅炉的去碳化是关键所在，同时还需要采取一系列提高效率的措施来降低总耗电量。研究还强调了一些不同的纸张干燥方法，这些方法正处于不同的发展阶段。

玻璃

正如您所想象的那样，窑炉热量是玻璃制造过程中最大的排放源。只需改用电炉或生物燃料炉，就能减少约 80% 的总排放量--就电炉而言，与传统方法相比，您实际上减少了 15-25% 的能源消耗。

除此以外，使用额外的焙烧秆和煅烧输入材料可额外减少 5%的排放量，而不会显著增加材料或能源成本。

食品和饮料

虽然这和化工生产一样，是一个相当多样化的领域，但所涉及的大部分排放都来自加热和干燥过程中蒸汽的使用，以及热电联产过程中化石燃料的直接燃烧。有各种电力、生物燃料、氢气、微波、超声波、太阳能、地热和紫外线工艺可供使用。

去碳化的工业障碍

现在，情况已经相当明朗：工业排放的绝大部分来自热能和电力使用（其中绝大部分可以电气化或转换为清洁燃料），以及工艺排放（其中绝大部分可以捕获和储存）。要实现绝对零碳排放还有一些技术差距，特别是在陶瓷等需要极高热量的领域，但利用现有的机器和技术，减少 85% 的工业排放是可以实现的。

不过，问题也不少。首先，我们可以随心所欲地实现电气化，但在电网去碳化之前都只是在向上游排放废气。在全球范围内，向清洁、可再生能源电网转变所面临的挑战会更加严峻，因为所有的电气化都会对电网产生更多的需求。因此，能源公司不仅要替换现有的发电能力，还必须生产比以往生产的脏电更多的清洁电力。

同样，需要氢气的工艺将要求在全球范围内大量增加绿色氢气的生产--这需要更多的清洁能源，以及将氢气安全运输和储存所需的基础设施和物流。

即使是在工业领域，由于化石燃料在许多市场上仍然比电力便宜得多，实现这些低碳目标的电气化可能会带来 200% 到 300% 的运营成本溢价。同样，碳捕集与封存的成本也很高，每处理一吨碳就会增加 10-250 美元的成本，具体取决于所使用的技术和脱碳工艺。此外，如果用电量很大，还需要对电力基础设施进行数百万美元的升级；一些工业企业的电气化可能需要千兆瓦级的电网连接。

研究人员估计，其结果可能是全球钢铁生产成本增加 15%，烯烃和芳烃成本增加 50-220%，混凝土成本增加 30%。

另一方面，如果这些额外成本通过价格上涨转嫁给消费者，情况可能并没有那么糟糕；一项以英国为重点的案例研究发现，"符合 2050 年净零目标的工业去碳化可以在消费者价格总增幅低于 1%的情况下实现"。

虽然清洁能源目前可能面临巨大挑战，但太阳能和风能的经济性很强，两者在成本上已经极具竞争力，而超深钻探方面的一些关键性突破，几乎可以在地球上的任何地方释放出数量惊人的地热能源，更不用说先进的模块化核电--可以在现场进行工业规模的发电。

因此，尽管这并不容易，但肯定是有可能实现的。有了政府的适当引导，再加上精明的商业思维和不断加快的技术发展步伐，希望还是很大的。

该研究已在《焦耳》杂志上公开发表。