如何利用當今技術使 85% 的工業去碳化？

工業部門的二氧化碳排放量約佔全球排放量的 25%，即每年約 93 億噸，而且還在不斷增加。但利茲大學的一個研究小組表示，我們不需要等待神奇的新技術來清除大部分二氧化碳。已有工具可在 85% 前實現工業去碳化。

在發表於《焦耳》（Joule）雜誌上的一項新研究中，研究人員對一系列不同的工業領域進行了研究，考察了現有的脫碳方案、其減排潛力以及技術就緒水平（TRL），TRL 是衡量特定技術距離大規模普及還有多遠的標準。

他們發現，即使只採用中成熟度和高成熟度方案（TRL 6-9）--主要涉及碳捕集與封存（CCS）和/或將燃料轉換爲氫或生物質--大多數工業部門已經能夠平均減少 85% 的排放量。

以下是他們評估的領域、已準備就緒的技術以及仍有差距的地方的簡要總結。

鋼鐵

大多數鋼鐵生產過程都需要使用化石燃料的高爐和鼓風氧氣爐來達到高溫，並使用焦炭（烘烤煤）作爲還原劑，因此每生產一噸鋼就會排放約兩噸二氧化碳。

你可以用綠色氫氣代替焦炭，並用同樣的氫氣爲電弧爐提供動力，生產綠色鋼鐵--事實上，已經有綠色鋼鐵廠在運行，其中一家已經在爲沃爾沃供貨。

但研究發現，即使鋼鐵製造商想保留現有的熔爐資產，CCS也能封存86%的鍊鋼排放物，但代價是能耗增加17%。此外，還有其他技術選擇，如電解法。

化學品生產

化工行業是一個比較棘手的行業，因爲涉及到許多不同的產品、工藝、投入和反應。但有些高排放工藝，如合成氨，已有成熟的綠色替代品。

用於生產乙烯、丙烯、丁二烯、乙炔和芳香族化合物等重要化學成分的蒸汽裂解則稍顯困難；據研究小組估計，電動和氫氣蒸汽裂解裝置的TRL僅爲5，略低於臨界值。不過，僅使用二氧化碳捕集與封存技術，就可以封存目前排放量的約 90%，儘管需要多消耗約 25% 的能源。

在用於生產甲醇和氫氣的蒸汽轉化過程中，電解器已得到廣泛應用，並可完全消除碳排放--但這需要耗費大量電力，與現有方法相比，能耗增加了 743%。在這裡，碳捕獲與封存的效果較差，只能捕獲現有生產工藝中 52-88% 的排放量，並且需要增加約 10% 的能源消耗。

行業如果已經有減排替代品，則顯示爲深紫色，如果處於早期開發階段，則逐漸變爲灰色 圖表/利茲大學

水泥和石灰

水泥和石灰的大部分碳排放都是"過程排放"，如果我們要繼續使用這些化合物，這些排放似乎是不可避免的。這意味着該行業的大量減排潛力將來自二氧化碳捕集與封存（CCS），其代價是"大量"增加 62-166% 的能源投入。

另一方面，將石灰窯和水泥窯轉換爲使用氫氣、生物質或電力的窯，可減少高達 40% 的行業總排放量，而對能源需求不會產生太大影響。

鋁生產

目前，鋁生產過程中的大部分排放物（約佔三分之二）都來自電解過程中使用的普通髒電，因此，使用綠色能源很容易獲得成功。剩下的一些排放物則來自生產過程；通過在電解槽中使用惰性陽極而不是碳陽極，只需減少 20% 的能耗就能解決這些問題。

其餘 13-16%的排放量可以通過在氧化鋁精煉過程中改用電或氫燃料鍋爐和煅燒爐來消除，儘管這些設備仍需要大量開發。

到目前爲止，目前最清潔、最簡單的鋁生產方式是通過成熟的二次生產途徑回收鋁，據研究人員估計，這樣可以減少約 95% 的排放量。

紙漿和紙張

紙漿和紙張沒有任何工藝排放問題；熱電聯產（CHP）系統和鍋爐的去碳化是關鍵所在，同時還需要採取一系列提高效率的措施來降低總耗電量。研究還強調了一些不同的紙張乾燥方法，這些方法正處於不同的發展階段。

玻璃

正如您所想象的那樣，窯爐熱量是玻璃製造過程中最大的排放源。只需改用電爐或生物燃料爐，就能減少約 80% 的總排放量--就電爐而言，與傳統方法相比，您實際上減少了 15-25% 的能源消耗。

除此以外，使用額外的焙燒稈和煅燒輸入材料可額外減少 5%的排放量，而不會顯著增加材料或能源成本。

食品和飲料

雖然這和化工生產一樣，是一個相當多樣化的領域，但所涉及的大部分排放都來自加熱和乾燥過程中蒸汽的使用，以及熱電聯產過程中化石燃料的直接燃燒。有各種電力、生物燃料、氫氣、微波、超聲波、太陽能、地熱和紫外線工藝可供使用。

去碳化的工業障礙

現在，情況已經相當明朗：工業排放的絕大部分來自熱能和電力使用（其中絕大部分可以電氣化或轉換爲清潔燃料），以及工藝排放（其中絕大部分可以捕獲和儲存）。要實現絕對零碳排放還有一些技術差距，特別是在陶瓷等需要極高熱量的領域，但利用現有的機器和技術，減少 85% 的工業排放是可以實現的。

不過，問題也不少。首先，我們可以隨心所欲地實現電氣化，但在電網去碳化之前都只是在向上遊排放廢氣。在全球範圍內，向清潔、可再生能源電網轉變所面臨的挑戰會更加嚴峻，因爲所有的電氣化都會對電網產生更多的需求。因此，能源公司不僅要替換現有的發電能力，還必須生產比以往生產的髒電更多的清潔電力。

同樣，需要氫氣的工藝將要求在全球範圍內大量增加綠色氫氣的生產--這需要更多的清潔能源，以及將氫氣安全運輸和儲存所需的基礎設施和物流。

即使是在工業領域，由於化石燃料在許多市場上仍然比電力便宜得多，實現這些低碳目標的電氣化可能會帶來 200% 到 300% 的運營成本溢價。同樣，碳捕集與封存的成本也很高，每處理一噸碳就會增加 10-250 美元的成本，具體取決於所使用的技術和脫碳工藝。此外，如果用電量很大，還需要對電力基礎設施進行數百萬美元的升級；一些工業企業的電氣化可能需要千兆瓦級的電網連接。

研究人員估計，其結果可能是全球鋼鐵生產成本增加 15%，烯烴和芳烴成本增加 50-220%，混凝土成本增加 30%。

另一方面，如果這些額外成本通過價格上漲轉嫁給消費者，情況可能並沒有那麼糟糕；一項以英國爲重點的案例研究發現，"符合 2050 年淨零目標的工業去碳化可以在消費者價格總增幅低於 1%的情況下實現"。

雖然清潔能源目前可能面臨巨大挑戰，但太陽能和風能的經濟性很強，兩者在成本上已經極具競爭力，而超深鑽探方面的一些關鍵性突破，幾乎可以在地球上的任何地方釋放出數量驚人的地熱能源，更不用說先進的模塊化核電--可以在現場進行工業規模的發電。

因此，儘管這並不容易，但肯定是有可能實現的。有了政府的適當引導，再加上精明的商業思維和不斷加快的技術發展步伐，希望還是很大的。

該研究已在《焦耳》雜誌上公開發表。