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美国《工业脱碳路线图》解读及启示

期号

2022年9期

选题时间

2022-09-20

摘要

9月7日，美国能源部（DOE）发布《工业脱碳路线图》，确定了美国制造业碳减排的四个关键路径，针对CO2排放量占比较高的五大行业部门——炼油、化工、钢铁、水泥以及食品和饮料，量化了不同情景下四个关键路径的贡献，阐述了各行业脱碳障碍、机遇、优先方法以及拟议的研发和示范行动计划。同时发布了1.04亿美元的近期工业脱碳研发项目资助指南。本文梳理和分析了美国工业脱碳路线图的主要内容和近期研发部署，对我国完善工业碳减排政策和研发布局提出启示建议。1、美国工业部门碳排放现状路线图回顾和总结了美国当前工业碳排放现状。2020年，美国工业领域的一次能源相关CO2排放量为13.6亿吨，约占全经济部门30%。炼油、化工、钢铁、水泥以及食品和饮料五大行业碳排放约占美国工业部门与能源相关的CO2排放量的51%，占美国经济范围内CO2总排放量的15%。2、美国实现工业脱碳的四个关键路径路线图确定了美国实现工业脱碳的四个关键路径，即能源效率，工业电气化、碳捕集、利用和封存（CCUS）及低碳燃料、原料和能源（LCFFES），并通过情景分析预测了四个关键路径未来的碳减排潜力（图1）。到2030年，通过四种路径可实现29%的碳减排，重点路径是提高能效；到2040年实现58%的碳减排，重点路径是提高能效和CCUS；到2050年，上述四个关键路径将实现87%的碳减排，剩余13%的难减排量将由替代方法例如负碳技术来实现。路线图强调这四个支柱并非独立，需要发挥协同作用并寻找跨部门的投资机会。图2展示了面向2050净零排放目标工业部门的减排路线，以及相应的研究、开发与示范需求和机遇。能源效率：能源效率是一项基本的、跨领域的脱碳方案，是近期温室气体减排最具成本效益的选择。实施路径包括：①系统级优化工业过程性能的战略能源管理方法；②制造过程加热、锅炉和热电联产（CHP）的热能系统管理和优化；③智能制造和先进的数据分析。工业电气化：实施路径包括：①使用感应、辐射加热或先进的热泵对过程热进行电气化；②工业高温过程的电气化；③用电化学过程代替热驱动过程。碳捕集、利用和封存：实施路径包括：①燃烧后CO2的化学吸收；②开发先进CO2捕集材料以提高效率并降低捕集成本；③开发利用捕集的CO2制造新材料的工艺。低碳燃料、原料和能源：低碳和无碳燃料、原料的替代可减少工业过程的燃烧相关碳排放。实施路径包括：①开发灵活的燃料工艺；②将氢燃料和原料整合到工业应用中；③使用生物燃料和生物原料。3、重点行业碳减排技术优先事项及研发和示范需求根据路线图的研究结果，四个关键路径均适用于钢铁、化工、水泥、炼油及食品等五大重点行业，只是不同发展情景下四个关键路径的减排贡献以及行业影响有差异。除此以外，行业内也存在特定的减排技术机会。本文梳理路线图提出的钢铁、化工、水泥、炼油四个行业实现2050年净零排放近期、中期和长期技术需求（图3）以及脱碳优先事项。（1）钢铁行业目前美国约67%的钢铁是通过电气化工艺路线电弧炉（EAF）生产的。在净零排放的情景下，到2050年，美国钢铁产量将增加12%。其中大部分钢将采用废钢电弧炉生产，仅不到10%通过高炉转炉（BF-BOF）工艺生产，还有一小部分采用氢基直接还原铁-电弧炉工艺和铁矿石电解工艺。钢铁行业脱碳的优先事项包括：①需要积极研发、试点示范和规模测试氢基钢铁生产、铁矿石电解、CCUS等变革性技术；②研发高效电解槽以满足使用大规模用氢和低碳电力的需求；③提高材料利用效率和循环利用率，并加强技术经济性分析；④为行业战略能源管理系统提供技术援助。（2）化工制造业美国化工制造业拥有超过7万种产品。路线图研究了几种主要化学产品（氨、甲醇、乙烯和BTX（苯、甲苯和二甲苯））的潜在温室气体减排量，电气化和低碳燃料、原料两个途径对CO2减排贡献最大。化工行业脱碳优先事项包括：①提高可替代的低能量分离方法的效率；②开发低碳能源和/或带有CCUS的蒸汽甲烷重整器（SMR）制氢工艺；③开发更有效的方法来识别、分类和回收材料，改进化学回收；④探索将生物质和废物用作化学品原料的机会。（3）石油精炼行业大多数美国炼油厂的CO2排放来自五个主要能源消耗过程，即加氢裂解、常压蒸馏、催化裂化、蒸汽甲烷重整和再生催化重整。这些过程代表了炼油厂减少CO2排放的最具成本效益的研发方向。炼油行业脱碳优先事项包括：①生产低碳排放的液态碳氢化合物燃料；②炼油脱碳应与更广泛的脱碳研发、示范相协调，需要⼀个强大的、基于整体生命周期的“从油井到车轮”新型治理结构。（4）水泥行业美国水泥行业煅烧过程相关的CO2排放量占总排放量的58%，因此，水泥行业的脱碳重点依赖CCUS部署和创新化学技术实现。在净零情景中，到2050年水泥产量将增加46%。约有65%的碳减排量来自CCUS的使用。脱碳优先事项包括：①利用资本相对较低的解决方案（能源效率、废热减少/回收解决方案（WHP））；②探索继续提高材料效率和灵活性的途径，例如循环利用，开发具有低排放和良好性能的新型水泥；③探索碳利用的更多途径，包括部署创新捕集方法，例如钙循环和CO2膜分离等；④增加使用低碳粘合材料和天然辅助胶凝材料，降低产品碳强度。4、近期工业碳减排研发项目指南在发布《工业脱碳路线图》的同时，美国能源部发布了一项用于推进工业脱碳技术1.04亿美元的融资征集。要求申请人与行业伙伴合作，在碳目标约束下努力将当前基线技术水平提升至中试或商业化规模，其中在钢铁、化工和水泥行业重点关注如下技术方向。钢铁行业须达到碳排放减少40%以上的目标。重点关注：①过程脱碳的创新技术，例如新的炼铁或炼钢技术、焦炭替代、增加废钢使用和热回收等；②电气化和清洁燃料。化工行业须达到碳排放减少50%以上和能源强度降低30%以上的目标。重点关注：①先进分离；②先进反应和反应器系统；③替代生产方法和过程加热技术。水泥行业须达到碳排放减少50%以上的目标，重点关注先进技术的中试规模验证：①下一代水泥/混凝土成分和生产路线，例如新型水泥或混凝土成分、熟料/原料替代；②低碳燃料氢或生物质等工业过程中的应用；③低成本、低能耗碳捕集技术。跨行业脱碳技术，侧重热能利用、回收和管理，重点关注：①高效高温热存储（400 ℃及以上，超过10小时存储）；②新型高效低温余热发电技术；③工业热泵技术。5、启示与建议作为美国工业脱碳战略的顶层设计文件，路线图为工业和重点行业碳减排研发与示范提供了近期、中期和长期指引。我国工业碳排放占全经济部门比重高达68%（含直接排放和间接排放），远高于美国、英国等发达国家，主要原因在于低碳工业技术水平不高、应用经济性不足以及煤为主的电力。以经济方式实现工业脱碳面临更大的挑战。基于对美国工业脱碳路线图的内容解读，针对我国工业碳减排政策和研发提出以下建议：（1）尽快完善工业碳减排顶层设计。我国已制定《工业领域碳达峰实施方案》，需尽快针对重点行业研究制定碳减排路线图，明确未来分阶段的行业碳减排目标和研发需求，以指导国家相关领域攻关项目部署和相关企业开展技术研发。（2）加强先进技术早期研发和基础科学研究。既要重视成熟度较高碳减排技术的规模化部署，也要重视未来变革性技术的早期研究，基础科学研究和技术成熟度较低的技术必须同步推进。（3）组合推进多种碳减排工艺策略。工业部门的脱碳不仅需要特定技术的创新，例如低碳燃料和原料替代、CCUS等，还需要系统层面的变革。需要协同推进电气化、核能、可再生能源、氢以及储能技术的研发及低成本应用。（4）加强产学研深度合作攻关，并通过示范扩大部署。为加快新兴技术尽快成熟和部署，需要产学研紧密合作开展研究，并通过试验和示范项目来促进规模化应用和降低投资风险。（5）重视技术评估和预测研究。积极开展系统的技术生命周期和技术经济性建模和分析，确保低碳解决方案具有预期的积极影响并具有商业可行性。政策动态

选题方向

深度分析

选题发起人

赵佳敏 ; 孙玉玲 ; 岳芳