耦合工业系统深度脱碳思考

金　涌　中国碳中和五十人论坛联席主席　中国工程院院士　清华大学化学工程系教授　

胡山鹰　中国碳中和五十人论坛特邀研究员　清华大学化工系生态研究中心主任

张臻烨　清华大学化工系博士生

一、前言

近年来，以二氧化碳为主的温室气体引起了全世界的高度关注。为应对由温室气体排放引发的气候变化与环境问题，实现人类社会的可持续发展，截至2021年12月，全球已有136个国家制定碳中和目标。中国作为全球第一大碳排放国家，也已向国际社会作出“双碳”目标承诺，充分体现了大国担当与共筑人类命运共同体的决心［1］。

推进碳达峰碳中和具有重大的现实意义和深远的历史意义，推进“双碳”目标实现是破解资源环境约束突出问题、实现可持续发展、顺应技术进步趋势、推动经济结构转型升级、促进人与自然和谐共生、推动构建人类命运共同体的迫切需要，各行各业应统一认识、落实行动、多方发力，共同促进我国早日实现“双碳”目标。

碳达峰与碳中和是一个统一的有机整体，碳达峰是碳中和总路线中的阶段性目标。大量研究表明，早日实现碳达峰、以更小的碳排放总量达峰，将大幅降低实现碳中和目标的压力，早日实现碳达峰还将减少未来社会对负排放技术的依赖，也可减少低碳转型带来的社会福利损失［2］。然而，更快地实现更低的碳排放峰值需要大量的技术、资金等投入，尽管对长期减碳有利，却可能增大短期内的社会压力，造成财政难以支撑、技术转型挑战严峻等现象。因此，以怎样的力度与节奏实现碳达峰目标，需综合考虑短期与长期效益，要积极推进，却也不能操之过急。为推动“双碳”工作的高效、有序开展，需明确重点行业及相应减排路径。本文着重考虑工业碳排放，提出以耦合工业系统助力工业深度脱碳，为“双碳”工作建言献策。

二、工业是减碳关键

工业是最大的碳排放来源，根据国际能源署的统计数据，2019年中国53%的碳排放来源于工业，工业减碳在“双碳”目标中至关重要。为助力实现“双碳”目标，平衡发展与减碳的关系，中国加速构建“1+N”政策体系，对“双碳”工作作出系统部署与具体指导，其中“1”代表中国实现“双碳”目标的指导思想和顶层设计，“N”代表重点领域和行业实施方案。构成顶层设计的两个重要文件——《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》及《2030年前碳达峰行动方案》明确指出了我国减碳的重点与难点，其中反复提及并着重突出工业领域在实现“双碳”目标中的关键地位，后续发布的《工业领域碳达峰实施方案》进一步识别重点行业、明晰减排方向与路径。

工业在减碳中的关键地位已被众多学者证实。Yang等利用物质流分析方法，绘制出中国2005—2015年自能源生产到终端消费的能量流与碳元素流，识别工业为最大、最关键的碳排放来源［3］。Zhang等采用概率优化模型，从能源消费的角度分析中国能源相关碳排放，结果表明工业部门减排潜力最高［2］。本团队利用驱动力模型研究表明，工业在全国及代表性省份（四川、福建、青海、海南、云南、上海、河北）碳排放增长中扮演着关键的角色，具有最显著的正向增排效应［4］。推动工业绿色转型，推进产业优化升级，在“双碳”目标背景下具有重要的战略意义。

工业碳排放可分为能源相关碳排放与过程相关碳排放。其中能源相关碳排放可通过优化工艺、提高能效、减少能源消费总量、优化能源结构等方式实现减排，在“零碳电力”蓬勃发展的未来，与能源相关的碳排放也将大幅减少。然而过程相关碳排放往往来源于工艺本身，如水泥生产中的石灰石分解、电解铝的碳负极氧化等，无法简单随能源系统改良而消除，是工业深度减排（尤其是当“双碳”工作进行到后期时）的重难点之一。过程相关碳排放具有排放强度高、二氧化碳浓度高等特点，适合采用CCUS等技术进行资源化利用，故本文基于其排放特点提出耦合工业系统深度脱碳思考。

三、耦合工业系统助力深度脱碳

耦合工业系统可助力工业领域深度脱碳，尤其是促进过程相关碳排放的减少。大量学者研究表明，集约化是未来社会增效减排的重要导向，以能源、物质串联形成耦合工业系统将提升资源利用率，构建良性工业循环［5］。本文提出将清洁能源、氢气、二氧化碳相连接的耦合工业系统（见图1），助力工业深度脱碳。

清洁能源为耦合工业系统提供充足的能量，支撑创新性的耦合生产路线。清洁能源包括风能、光能、水能、核能等，可使能源消耗与碳排放脱钩，并解决化石能源总量有限的问题，使得工业发展无需为能耗所限制。氢气为耦合工业系统提供充足的还原剂，而且，由清洁能源电解水制备的绿氢，不会造成生命周期碳排放增加等问题。可利用的二氧化碳主要来自过程相关碳排放，其主要来源为以钢铁、水泥、化工、电解铝、玻璃等为代表的高碳排放过程工业，具有排放量大、排放强度高、二氧化碳纯度高等特点。利用清洁能源与绿氢，可将二氧化碳还原为甲醇、乙醇等化学品，此外，利用电石渣、废水泥等碱性固废，亦可将二氧化碳固化生成亚微米粉体［6］，将废弃的、不可储存的碳转化为有价值的碳，不仅避免了该部分过程相关碳排放进入大气加剧温室效应，还实现了碳的资源化利用，提供了优良的生产方式，在化石逐渐退出原料投入的未来，可替代化石投入生产，支撑社会发展、保障生活质量。

耦合工业系统的主要挑战为技术与成本。其中，清洁能源在“双碳”背景下发展迅速，在技术与经济上已具备了替代化石能源的可能。为进一步实现清洁能源的大规模、高占比应用，需大力发展发电、规模储能、智能电网等前沿技术。此外，电解水制氢、碳捕集、碳利用等技术也面临着效率低、能耗大、成本高等技术瓶颈，其产业化依然任重道远。耦合工业系统的构建及发展需依靠学科交叉与产业融合，跨界协作是创新的根本途径。未来应着重关注相关技术的突破，研发低成本、高效能的温和条件下的高新技术，同时注重系统优化，构建技术-环境-经济综合效益最佳的耦合工业系统。

四、总结

“双碳”目标对我国而言既是挑战也是机遇，我国应把握绿色低碳转型的历史契机，推动传统产业与新兴产业协同创新、融合发展，开展绿色低碳技术研发攻关，推动产业链向中高端迈进，真正实现社会变革。耦合工业系统的构建便是助力深度脱碳的一种创新性举措，未来社会各行各业不可能孤立发展，跨界合作、行业耦合发展是消纳二氧化碳、实现资源化利用的优良路径，也是提升资源能源利用率、构建良性循环的必然选择。实现“双碳”目标不可一蹴而就，需平衡好发展与减碳的关系，以前瞻性的视角，以变革、优化、合作的方式，促进低碳社会的建成［7］。

参考文献

［1］张臻烨，胡山鹰，金涌.2060中国碳中和：化石能源转向化石资源时代［J］.现代化工，2021，41（6）：1-5.

［2］ZHANG S，CHEN W Y.Assessing the energy transition in China towards carbon neutrality with a probabilistic framework［J］.Nature Communications，2022，13（1）：87-97.

［3］YANG H H，MA L W，LIZ.A method for analyzing energy-related carbon emissions and the structural changes：a case study of China from 2005 to 2015［J］.Energies，2020，13（8）：2076-2086.

［4］ZHANG Z Y，HU S Y，LUO Z M.Systematic investigation of China's CO2 emissions with driving force model：historical evolution and future trends［J］.ACS Sustainable Chemistry ＆ Engineering，2022，10（33）：11050-11056.

［5］STEVEN J D，NATHAN S L，MATTHEW S，et al.Net-zero emissions energy systems［J］.Science，2018，360（6396）：9793-9802.

［6］MA M J，GUO R，BING L F，et al.Quantitative analysis of CO2 uptake by alkaline solid wastes in China［J］.Journal of Cleaner Production，2022，363（1）：54-64.

［7］胡山鹰，金涌.碳中和蓝图如何实现［N］.中国科学报，2021-03-01（3）.