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9月7日，美国能源部（DOE）发布《工业脱碳路线图》（Industrial Decarbonization Roadmap），提出了到2050年实现工业净零排放解决方案所需的5个关键子行业（化工制造业、石油精炼、钢铁、食品和饮料、水泥）的脱碳路径要点，确定了减少美国工业排放的4个关键支柱，并为政府及行业行动提出相关建议。

1 关键子行业脱碳路径要点

2020年，美国工业领域能源相关CO₂排放量为13.6亿吨，占能源相关CO₂排放量的30%。路线图重点关注了对工业CO₂排放影响最大的5个子行业，即化工制造业（占工业排放的24%）、石油精炼（占15%）、钢铁（占5%）、食品和饮料（占5%）以及水泥（占1%）行业。这些行业合计占美国工业部门能源相关CO₂排放量的51%，占美国经济范围内CO₂总排放量的15%。关键子行业脱碳路径要点如下：

（1）化工制造业。2010年以来，美国化工制造业的多样化得到了快速发展。具体脱碳措施包括：①开发低热预算工艺的加热解决方案并提高热能利用的有效性，以提高整个系统的能源效率；②扩展先进的反映、催化剂与反应器系统，以提高反应性能，同时减少碳排放和提高能源效率；③提高电气化水平并使用氢气、生物质或废物作为制造燃料与原料；④提高材料利用效率，增加材料循环利用。

（2）石油精炼行业。大多数美国炼油厂的CO₂排放来自5种大型能源消耗过程，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。具体脱碳措施包括：①提高工艺、现场蒸汽与发电的能源效率；②通过引入核供热、核电力、清洁电力、清洁氢、生物燃料等低碳化石能源或低化石碳源，降低能源与原料的碳足迹；③捕集CO₂以供长期封存或利用。

（3）钢铁行业。在近零排放情景下，到2050年美国钢铁行业的温室气体排放量可以降至近零，而钢铁产量将增加12%。具体脱碳措施包括：①扩大工业电气化，向低碳与无碳燃料过渡；②氢钢生产、铁矿石电解以及碳捕集、利用与封存（CCUS）等变革性技术的试点示范；③提高材料利用率，增加材料循环利用。

（4）食品与饮料行业。食品与饮料行业是美国经济的重要组成部分，也是美国最大的能源消耗和温室气体排放行业之一。具体脱碳措施包括：①通过推进过程加热、蒸发和杀菌过程的电气化来提高能源效率；②通过生命周期评估中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通过替代包装和减少包装废物来提高再循环和材料利用效率。

（5）水泥行业。在美国水泥行业中，煅烧过程中与过程相关的CO₂排放量约占行业CO₂总排放量的58%，与能源相关的CO₂排放量占行业总排放量的42%。在近零排放情景下，到2050年美国水泥行业的温室气体排放量可以降至近零，而水泥产量将增加46%。具体脱碳措施包括：①改进现有工艺以减少浪费，包括混凝土建筑的循环利用经济方法；②通过部署突破性技术和创新化学解决方案提高材料和能源效率；③扩大CCUS技术的使用；④增加使用低碳粘合材料和天然辅助胶凝材料，以降低用于制造水泥的熟料和固体材料的碳强度。

2 减少美国工业排放的4个关键技术支柱

路线图确定了4个关键技术支柱，以显著减少上述5个子行业的碳排放。工业脱碳的4个关键技术支柱包括提高能效、工业电气化、低碳燃料/原料与能源、CCUS。这些支柱适用于所有工业子行业，并且随着电网温室气体排放强度的降低、技术的发展和难以减排的来源得到解决，能够实现近期和未来的减排。

（1）提高能效。提高能效是一项基本的跨领域的脱碳战略，大多数情况下不需要对工业流程进行重大改变，可以带来即时的减排量。具体实施路径包括：①提高系统效率、工艺产量和热能回收；②来自制造过程加热、锅炉和热电联产的热能系统管理和优化；③加强实施旨在减少能源消耗的智能制造战略。

（2）工业电气化。利用电网和当地可再生能源在低碳电力方面的进步对于脱碳工作至关重要。脱碳路径包括：①使用辐射加热或先进的热泵对过程热进行电气化；②钢铁、水泥等高温过程热的电气化；③用电化学过程代替热驱动过程。

（3）低碳燃料、原料与能源（Low-Carbon Fuels, Feedstocks, and Energy Sources, LCFFES）。替代型的低碳/无碳燃料与原料可减少工业过程的燃烧相关碳排放。脱碳路径包括：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生物质燃料和生物原料的使用。

（4）CCUS。碳利用和碳封存对于实现最终的碳减排至关重要，特别是针对通过其他脱碳技术与战略无法实现的碳减排。脱碳路径包括：①CO₂的燃烧后化学吸收；②先进CO₂捕集材料的开发和制造优化，可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。

3 政府及行业的行动建议

要实现工业脱碳目标，需要迅速部署最先进的技术，开发新的低碳/无碳技术解决方案，同时必须克服政策及其他障碍。路线图为政府及行业行动提出如下建议：

（1）推进早期研发。需要在整个领域部署技术成熟度高的技术，并同时推进技术成熟度较低的基础科学与技术的相关理论及应用研发。未来几十年，所有脱碳支柱的早期技术都需要取得重大进展，才能在2050年实现净零排放。

（2）投资多种工艺策略。继续推行电气化、能源效率、低碳燃料、CCUS和替代方法的并行路径，以确保工业脱碳路径的可行性。这些投资可以使美国成为工业现代化的全球领导者。

（3）通过示范加速技术扩张并降低部署风险。为了加快部署，需要利用测试平台与示范项目来吸引私营部门投资并降低投资风险。应采取低成本方法，最大限度地提高能源、材料与系统的效率，加快先进技术的采用。

（4）解决子行业共同面临的过程加热效率与减排问题。在向电气化和低碳燃料与能源过渡的同时，需要最大限度地提高与热能级联相关的效率及资源利用率。

（5）使电力来源脱碳。电气化途径在工业部门脱碳方面的有效性及速度将取决于美国电网的脱碳速度。同时，在工业设施附近发展低碳发电能力可以刺激工业活动集群中心附近的电气化。

（6）整合解决方案。关注新技术的同时，还需要将其纳入过程系统和供应链。需要开展研究，预测向低碳经济过渡所带来的供应链与价值链的变化，并更好地理解工业基础设施、技术与服务如何共同满足未来需求，同时最大限度地提高供应链的灵活性和韧性。

（7）进行建模分析和系统分析。采用先进的综合分析方法，包括扩大使用生命周期评估、技术经济分析和相关的系统级技术开展经济与环境评估，以确保低碳解决方案具有预期的积极影响和商业可行性。

（8）培养蓬勃的劳动力队伍。脱碳所需的劳动力需要一系列新技能，以支持成功实施脱碳技术和改善碳核算。促进州、地方、部落社区以及其他利益相关者的参与，特别是关注弱势社区，对于确保公平分工业脱碳的利益与影响至关重要。