近日，美国能源部（DOE）发布《脱碳工业路线图》，提出了美国工业脱碳的4个关键途径，其中包括低碳燃料、原料和能源替代，该途径主要包括灵活燃料工艺、清洁氢燃料和原料、生物燃料和生物原料、核能、聚光太阳热能和地热能。
研发与示范优先事项：从传统的氨、甲醇和乙烯生产路线转变为使用以低碳能源和/或CCUS+甲烷蒸汽重整（SMR）制取的氢气为原料的工艺；探索生物质和废物用作化学品生产原料和为化工生产过程提供热量和能源的技术；增加使用生物质并与CCUS相结合以降低排放；开发利用低净碳原料（如CO2和清洁氢、生物质和其他废物流）生产低净碳排放液体运输燃料的技术，其规模与当前炼油厂相当。
《脱碳工业路线图》确定了减少美国制造业工业排放的四个关键途径及其研发和示范需求，针对5个碳密集型重点行业（钢铁、化工、食品、炼油和水泥）提出了到2050年实现净零排放的关键要点以及研发和示范行动计划，并为研发示范资助和政府及行业行动提出了6项行动建议。根据该路线图，DOE在同日发布了10.5亿美元的资助公告以支持工业减排技术研发，重点关注6个领域：化工脱碳；钢铁脱碳；粮食和饮料产品脱碳；水泥和混凝土脱碳；造纸与林木产品脱碳；交叉领域脱碳技术。关键要点如下：
一、工业脱碳关键路径
DOE《工业脱碳路线图》提出了美国工业脱碳的4个关键途径：
（1）提高能效。该途径为短期脱碳解决方案的实施提供了最好的机遇，无需对工业过程进行重大改变，能够立即减少排放。关键目标包括：①提高系统效率、工艺产量和热能回收；②扩大能源管理；③加大部署智能制造以降低能耗。
（2）工业电气化。制造业用能中超过50%用于热处理，而其中只有不到5%实现了电气化。工业电气化包括过程热电气化或过程用氢电气化，关键目标包括：①提高现有电气技术或混合系统的能源效率；②创新的电气系统或混合系统；③克服在基于化石燃料的现有工艺系统中实施电气化技术的经济障碍和技术障碍。
（3）低碳燃料、原料和能源替代。该途径主要包括灵活燃料工艺、清洁氢燃料和原料、生物燃料和生物原料、核能、聚光太阳热能和地热能。
（4）碳捕集、利用和封存（CCUS）。前三个关键途径可先于CCUS部署，三者共可贡献约40%的目标碳减排。CCUS可作为实现长期减排的最有力途径，其重点在于提高效率、经济可行性和安全性，催化剂和工艺设计改进对于提高效率、降低成本和减少材料消耗或废物产量至关重要。
通过上述关键途径，到2050年共可使5个重点行业的碳排放减少87%，要实现净零排放还需使用替代方法及负排放技术，主要包括：①土地利用生态系统管理活动，如造林/再造林、使用生物炭、进行土壤碳管理等；②结合CCS的生物能源技术（BECCS）、从空气中捕集CO2（直接空气碳捕集）等。
图1 美国5个碳密集型重点行业到2050年实现净零排放的关键途径及各途径的减排贡献（单位：百万吨CO2/年）
2、研发及示范需求
上述4个关键途径需同时进行短、中、长期研发和示范投资，以实现工业脱碳所需的转型，从而实现净零排放目标。分阶段的研发和示范需求如图2所示。
图2 促进部门转型以实现工业脱碳的分阶段研发及示范需求
二、工业部门碳密集型重要行业实现净零排放的脱碳路径
1、实现净零排放的脱碳路径关键要点
路线图提出了钢铁、化工、食品、炼油和水泥这5个碳密集型行业到2050年实现净零排放的关键要点，如表1所示。
表1 工业部门碳密集型重要行业到2050年实现净零排放的脱碳路径关键要点
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碳密集型行业
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关键要点
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钢铁
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·在近零温室气体排放情景下，美国钢铁行业的温室气体排放量在2050年可减少到几乎为零的水平，而钢铁产量可增加12%
·能效提高、向低碳和无碳燃料转型以及电气化可贡献超过三分之二的温室气体减排量
·对于氢冶金、铁矿石电解和CCUS等变革性技术，需要进行积极的研发及示范
·到2050年，炼钢过程对清洁氢和低碳电力的需求将大幅增加。需致力于研发与验证，提高电解槽效率
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化工
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·化工脱碳需要多种途径相结合，包括：过程热；分离；使用氢、生物质和废物作为燃料或原料；CCUS；热能和电能存储；材料循环和提升材料利用效率
·与工艺相关的脱碳途径包括非接触式能量传输（如热声学等声能传输和等离子体能量传输）、电力传输和电化学过程
·以有效且经济的方式推进波动性能源（如太阳能和风能）的使用，从现有能源转型到低碳能源是一个早期机遇
·需提高电解槽效率，推进电化学过程
·系统效率和智能制造研究需扩展到综合化学设施的各个工艺
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食品饮料
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·过程热电气化（尤其是烘箱和炸炉）、电锅炉和混合锅炉以及蒸发和巴氏杀菌过程电气化都需要进行研发与示范
·需支持研究技术变革对最终产品的影响，从而缓解食品饮料制造涉及的安全和质量问题
·为减少废物，需要研发和示范食品饮料工艺和技术，以延长产品的保质期。还需研究如何减少包装废物、增加回收利用机会、提高供应链可见性
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炼油
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·五种能源密集型炼油工艺（加氢裂化、常压蒸馏、催化裂化、蒸汽甲烷重整和再生催化重整）占美国炼油业碳排放的大部分，是降低炼油排放最具成本效益的研发与示范机遇
·炼油厂和交通燃料市场高度整合，美国能源相关碳排放总量的35%来自于炼油厂生产的交通燃料产生的汽车尾气碳排放
·需开发碳密集度较低的新型炼油工艺，以生产低／净温室气体排放的液态烃燃料，有助于交通和化工脱碳
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水泥
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·在温室气体排放接近于零的情景下，美国水泥制造业的温室气体排放到2050年可减少到几乎为零的水平，而水泥产量可增加46%
·CCUS可为2050年达到近零排放贡献约65%的温室气体减排量
·需对CCUS与创新化学组分水泥（主要是水泥生产中用辅助胶凝材料代替熟料）开展积极的研发与示范、试点、部署和采购工作，以实现2050年温室气体净零排放
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（1）钢铁行业。包括：①炉气回收、大规模使用低碳氢用于直接还原炼铁、加热炉电气化、电解炼钢、氢等离子熔炼还原和顶气回收方面取得突破；②为钢铁设施开发成熟的战略能源管理系统提供技术援助，为部署现有低成本能源效率、余热回收（包括余热发电）和其他脱碳技术提供技术援助；③示范并快速采用智能制造和物联网技术，以提高能源生产率；④促进和加速向低碳燃料和过程热解决方案过渡的技术部署活动，包括具有成本竞争力的规模化示范和技术经济性分析（如感应炉、高炉使用清洁氢）；⑤重点投资降低CCS技术成本并提高效率的技术，以促进钢铁生产路线脱碳，例如使用CCS在高炉中回收顶煤气。
（2）化工行业。包括：①从传统的氨、甲醇和乙烯生产路线转变为使用以低碳能源和/或CCUS+甲烷蒸汽重整（SMR）制取的氢气为原料的工艺；②提高低能耗分离方法（如声场和电场低温技术）的效率、成本和耐用性，并开发非平衡技术来驱动反应或避免进行分离（如聚合物的直接合成、高选择性转化技术；③开发更有效的方法来识别、分类和回收材料，同时保持材料的特性；④支持研发、改进化学转化过程的催化剂，通过提高产量减少碳足迹；⑤改进化学回收；⑥探索生物质和废物用作化学品生产原料和为化工生产过程提供热量和能源的技术；⑦增加使用生物质并与CCUS相结合以降低排放；⑧开发利用废气生产生物合成燃料和将CO2转化为高价值产品（如生物聚合物和食品蛋白）的工艺。
（3）食品饮料行业。包括：①在可能的情况下，转向电热烘箱、炸炉、锅炉和其他电气化技术；②通过生命周期评估确定的方法和制造商之间的合作，减少整个供应链中的食物浪费；③增加热泵研发，以回收和供应食品和饮料制造过程中的工艺热；④通过替代包装和减少包装废物等方法促进回收和材料效率；⑤投资研发变革性技术，如深冷分离、防结冰先进涂层、高级酶和低产乙醇酵母。
（4）炼油行业。包括：①研发可提升能源、材料、系统效率的技术，以及创新的蒸馏和分离技术以降低成本；②将无组织甲烷排放量降至接近零；③通过吸附剂、氧化脱硫和电化学脱硫的研发，实现零氢脱硫工艺；④为持续推动提高工艺能效、消除浪费和降低产品含碳量提供研发支持；⑤开发利用低净碳原料（如CO2和清洁氢、生物质和其他废物流）生产低净碳排放液体运输燃料的技术，其规模与当前炼油厂相当；⑥开发将过剩釜馏气转化为化学原料的技术；⑦开发集中式碳捕集技术；开发使用氢燃烧提供高温工艺热的技术。
（5）水泥行业。包括：①利用低成本解决方案，如能效、能量管理和减少余热或余热回收技术；②探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、再循环和翻新，以及低能源消耗和碳排放的新型水泥；③扩大基础设施、集成能力和知识，以尽可能捕集、运输和再利用CO2；④减少浪费的先进方法，包括混凝土施工中使用循环经济方法；⑤增加低碳胶结材料和天然辅助胶凝材料的使用；⑥开发利用CO2的其他途径，包括全面部署新型碳捕集技术。
短期（2020-2025年）：①支持资金成本相对较低的解决方案，如能效、能量管理和减少余热/余热回收解决方案；②实现向低碳燃料和工艺热解决方案的转型，如再热炉和下游炉电气化、清洁氢用于工艺供热、生物燃料；③继续推进CCUS与难以减排的来源整合。
中期（2025-2030年）：①探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、回收利用和翻新；②投资低碳工艺改造路线，如熔融氧化物电解、扩大感应电炉规模、清洁氢直接还原铁电弧炉；③扩展基础设施和整合能力及知识，尽可能以最高效率和最佳经济效益捕集难减碳源的CO2；④探索使用低碳、净零碳或负碳方法生产碳还原剂的创新途径，例如使用清洁电力共电解CO2和水生成合成气用于直接还原铁。
长期（2030-2050年）：①推进模块化制造方法，扩大市场规模和占比；②降低变革性炼钢方法的技术和经济挑战性，加快开发进度；③开发在现场或附近设施利用废气（H2、CO、CO2等）的其他途径，提高气体分离效率，显著降低其能源和资源需求，降低部署门槛。
短期（2020-2025年）：①推动低成本解决方案的研发与验证，如能源/材料/系统效率、分离和干燥技术创新、传热效率、高碳能源向低碳能源转换、智能制造、低温工艺电气化；②推进工艺用热脱碳，低温推进到中温，在适当的情况下以高温过程热为目标；③研究行业如何与合作伙伴一同更有效地利用波动性能源和储能，开发和部署路线，实施能源转换和混合能源解决方案；④开发更有效的制氢电解槽、化学过程、新型能量传输、创新分离技术；⑤在有利的地点（如产业集群）进行试验，降低应用门槛；⑥研究工艺整合，降低CCUS实施成本；⑦推进低碳解决方案有效性、生命周期评估、系统效率和其他分析相关数据的存储、编目和可达性，以支持评估技术在减少能源使用、温室气体排放和产品碳含量方面的有效性；⑧进行碳基化学品的生物制造，使用生物催化剂以显著减少工艺用热需求，并开发多种化学转化的集成工艺以减少反应容器；⑨使用生物质和废物原料生产碳基化学品，降低石油投入，生产净排放或负排放化学品。
中期（2025-2030年）：①支持使用低碳氢（如电解）生产氨、甲醇和塑料的研发与示范；②支持利用电气化和低碳能源进行工艺和原料改造以及CO2利用技术的研发与示范；③启动示范与投资，支持变革性工艺技术（如复合膜）；④开发通过氢燃烧提供高温过程热的技术；⑤研究快速扩大变革性技术规模的改进途径；⑤支持研发与验证，持续推动提高工艺能源效率、消除浪费并降低产品碳含量；⑥开发新型途径和反应器设计，扩展能够利用生物途径生产化学品的种类。
长期（2030-2050年）：①支持研发与示范，发现能够实现变革性化学工艺的基础科学；②研究变革性技术的连接策略，以便与未来的基础设施无缝连接；③预测前体、原料和材料的市场可用性；④加深对快速扩展技术关键因素的理解，在其他方案不可行的情况下提高改进效率；⑤研究具有性能优势的生物产品，其性能优于石油基产品，可减少材料总用量，大幅减少温室气体排放；⑥开发更高效和强化的生物制造工艺设计，包括无细胞生物制品生产，实现连续生物化学生产工艺。
短期（2020-2025年）：①如有可能，开发电热烘箱、炸炉、锅炉等其他技术，尤其是在电价下降时；②通过生命周期评估确定的方法和制造商之间的合作，减少整个供应链中食品浪费，如废物流再利用、源头减量、供应链可见性、加工和包装的改进等；③投资智能制造战略，如系统优化、热系统整合和制冷优化；④支持将低碳燃料和生物燃料用于食品制造原料的研发与示范，以减少排放；⑤研发和示范将CO2作为原料的技术，减少燃料燃烧和发酵过程中的排放，进一步挖掘CCUS的应用潜力。
中期（2025-2030年）：①研发并示范更好地共享和存储低品位余热的方式，加强废物流再利用，包括废热；②增强研发和示范自动化和模块化技术；③增强对热泵的研发与示范，以回收和供应食品饮料制造过程中的工艺用热；④通过替代包装和减少塑料废物等方法，促进回收和材料效率；⑤推进对深冷分离、防结冰先进涂层、高级酶、低产乙醇酵母等潜在变革性技术的研发与示范；⑥支持研发和示范可再生天然气、利用核能生产合成天然气以及将清洁氢用于中温工艺热。
长期（2030-2050年）：①开发将清洁氢用于食品制造过程的技术；②加深对快速推进变革性技术所需条件的理解；②大规模整合新工艺、新燃料和新技术。
短期（2020-2025年）：①推动低成本解决方案的研发与验证，如能源/材料/系统效率、蒸馏和分离技术创新、传热效率、高碳能源向低碳能源转换、低温过程热电气化；②通过进一步开发供应链数据、支持技术研发和示范部署、开发温室气体核算机制以提高低碳解决方案和供应链系统效率等方式，推进采用低温室气体排放的替代燃料；③研发和示范吸附剂、氧化脱硫和电化学脱硫，以推进零氢脱硫工艺；④将无组织甲烷排放量降至近零水平；⑤研究行业如何与合作伙伴一同更有效地利用波动性能源和储能，开发和部署路线，实施能源转换和混合能源解决方案；⑥开发开发更有效的制氢电解槽、化学过程、新型能量传输、创新分离技术；⑦在有利的地点（如产业集群）进行试验，降低应用门槛；⑧开发热集成技术，降低CCUS实施成本。
中期（2025-2030年）：①支持研发和示范电气化和低碳能源技术，以实现工艺和原料转化；②支持研发和示范可再生能源和核能制氢工艺，以及用于液体燃料原料的碳捕集技术；③开发使用氢燃烧提供高温工艺热的技术；④研究快速扩展变革性技术的改进路线；④支持研发和示范提高工艺能源效率、消除浪费和降低产品碳含量的技术。
长期（2030-2050年）：支持研发与示范，以实现到2050年用新的低碳方式生产液态烃燃料、润滑剂和其他炼油产品，从而实现炼油行业转型，如：①以高能效和高成本效益的方式将CO2还原为可行的原料，以转化为符合现有基础设施和最终产品用途的烃类燃料和产品；②应用先进核反应堆产生的高品位热能；③研究与未来基础设施相符的变革性技术的连接策略，包括现有碳氢化合物管道、未来CO2管道、脱碳电网和清洁氢的可用性；④预测前体、原料和材料的市场可用性；⑤加深对快速扩展技术关键因素的理解，在其他方案不可行的情况下提高效率。
短期（2020-2025年）：①支持利用低成本解决方案，如能效、能量管理和减少余热或余热回收技术；②实现向低碳燃料和工艺热的转型，如使用清洁氢、生物燃料；③继续推进在难减排碳源整合CCUS技术，如在水泥厂进行燃烧后碳捕集的试点。
中期（2025-2030年）：①探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、回收利用和翻新；②投资低碳工艺改造和路线，如预热煅烧炉电气化、太阳能或核能供热，以及大规模使用氢作为燃料；③扩大基础设施、集成能力和知识，以尽可能捕集、运输和再利用CO2。
长期（2030-2050年）：①开发减少浪费的方法，包括混凝土施工中使用循环经济方法、开发低碳胶结材料和天然辅助胶凝材料；②干燥装置全面电气化，使用100%清洁能源，或大规模使用清洁氢作为替代燃料；③开发利用二氧化碳的其他途径，包括全面部署新型碳捕集技术。
来源：先进能源科技战略情报研究中心
图2 促进部门转型以实现工业脱碳的分阶段研发及示范需求
