美国工业降碳路线图——化工篇

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如果考虑原料、热能和电能，化工是美国工业部门最大的能源用户。在 2018 年，天然气占能源消耗的 61%，电力为 13%。

化工行业的碳排放非常集中，主要来源于生产各种有机化学品、石化产品和化肥，如氨、乙烯、丙烯、甲醇、苯、甲苯和二甲苯 (BTX) 和聚乙烯等。这几类化工产品占整个行业 75% 的碳排放。

1. 结论

i.电气化和 LCFFES对化工行业碳减排贡献最大。

ii.可再生能源的使用可以高效和经济地推动化工行业初期转型。

iii.绿氢是化工行业实现碳减排的重要途径之一。

2. 重要发现

2.1 加热工艺

大约 60% 的工艺加热需求处于低温范围（<80°C 和 80–150°C 两个范围），当下的热泵、太阳能加热、核反应堆热都可以对化石燃料进行替代。24% 的工艺加热需求在 550–1,100°C 范围内，可用的高温气体反应堆（HTGR）和超高温反应堆（VHTR），以及熔盐反应堆进行替代。其他能够达到这一范围的技术还包括电解氢和电加热。

2.2 分离工艺

依靠热驱动的分离占 25 种主要化学品（包括乙烯、乙酸、乙醇、甲醇和二甲苯）能耗的 40% 左右。使用替代分离方法（例如，声波、电场、置换和低温）和非平衡技术不仅避免使用化石燃料还可以提高整个系统能源效率。

2.3 氢

氢气是化工行业脱碳的重要途径之一。它不仅可以作为生产世界上两大化学品甲醇和氨的清洁原料，还可以通过燃烧，成为高温热量的供应来源。

3. 建议

3.1 近期（2020-2025 年）RD&D 需求

• 推动应用研发来实现低成本解决方案。主要集中在能源、材料、系统效率；分离和干燥技术；传热效率；智能制造；低温工艺电气化和废热再利用等方面
• 降低工艺加热的碳排放。从低温入手，逐步过渡到中温，在适当的情况下瞄准高温
• 推广高效的电解技术。主要集中在制氢、化学过程、能量转移、分离等方面
• 通过生物质和废物再利用生产碳基化学品
  

3.2 中期（2025-2030 年）RD&D 需求

• 低碳能源制氢
• 二氧化碳捕集利用
• 在高温工艺热中使用氢气作为燃料
• 扩大生物质作为原料生产化学品的种类
  

3.3 远期（2030-2050 年）RD&D 需求

• 低碳产品制造方法的基础研究
• 研发比石油衍生品具有性能优势的生物质产品
• 开发更高效生物制造工艺设计，包括无细胞生物产品生产和实现连续生物化学生产工艺