论文标题： Green Electrification of the Chemical Industry Toward Carbon Neutrality

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.04.018

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中国工程院院刊《Engineering》发表了清华大学化学工程系、绿色化学反应工程与技术北京市重点实验室唐城、张强撰写的观点述评“Green Electrification of the Chemical Industry Toward Carbon Neutrality”（迈向碳中和的绿电化学工业），文章聚焦化学工业的绿电化发展，探讨了其在实现碳中和目标进程中的关键作用、面临挑战及应对策略。

我国要实现碳中和，推动社会可持续发展，在能源、工商业和社会经济等领域进行系统性变革迫在眉睫。数据显示，中国近 90% 的二氧化碳排放来自能源部门，其中电力、工业、交通和建筑是主要排放源。到 2060 年，以风能和太阳能为主的可再生能源发电将占中国能源消费 80% 以上，“绿电化” 将成为各行各业脱碳的重要手段，化学工业也不例外。

我国化学工业碳排放量占社会总排放量的 6% - 10%，由于 “富煤贫油少气” 的资源禀赋，间接碳排放份额更高。绿电化工虽在国际上受到关注，提出了一些新概念，但因发展目标和路线图不明确、技术成熟度低等问题，研究和示范进展缓慢。

为此，文章提出绿电化工发展的五类策略 ——“绿电”“绿热”“绿氢”“绿燃” 和 “绿化”，并规划了不同阶段的发展重点（图1）。

图1. 绿电化工的发展路线图和关键策略。FT 代表 Fischer-Tropsch；HB 代表 Haber-Bosch。

在短期（2022 - 2030 年），着重发展 “绿电” 和 “绿热”。“绿电” 方面，化学工业是电力密集型产业，通过低碳电网或分布式可再生能源替代火电，有望降低 35% 的碳排放量。但可再生能源的波动性、间歇性与化工过程稳定运行存在矛盾。研发重点包括揭示动态电力工况影响、提高设备运行本征柔性、优化综合能源运营模式等。“绿热” 方面，不同温度的工业用热在化学工业中作用重要，“绿热” 技术虽高效便捷，但在规模拓展、经济可行性等方面面临挑战。研发重点在于开发示范可规模化技术、研究电加热对反应机理的影响、重新设计工艺过程等。

从中期（2030 - 2045 年）来看，“绿氢” 和 “绿燃” 成为关键。“绿氢” 由可再生能源或低碳电网供电电解水制氢，在能源转型和工业脱碳中至关重要，但成本偏高、储存运输技术不成熟等问题亟待解决。研发需聚焦催化材料创新、研究性能衰减与失效机制、推动分布式制氢 - 用氢示范。“绿燃” 将 “绿氢” 转化为低碳液体燃料，能助力交通等部门脱碳，不过目前受限于成本、效率和工艺集成等问题，研发要确定有价值的路线和场景、开发新型催化剂、优化系统集成。

长期（2045 - 2060 年）发展则关注 “绿化”。该技术可利用可再生原料、模块化反应器进行现场按需操作，但仍处于初期阶段。研发重点包括开发新型电催化剂、优化电化学反应器设计、定制分布式应用场景等。

推动化学工业的绿电化是其绿色转型和低碳发展的重要方向，不同途径之间高度融合与互补，能带来诸多积极效益。但这一新兴领域也面临新的风险和挑战。

基于此，文章从国家、行业和学术层面提出建议。国家层面要加快制定远景规划和行动方案，出台法规和支持政策，加强风险管理和整体规划。行业层面需制定细分领域技术路线图和目标，建设数据库，建立产业创新联盟。学术层面应成立专业委员会和学术团体，促进交流合作，解决全生命周期评估、储能技术发展、智能化工建设、材料设备创新以及原理创新等关键科学问题和共性技术难题。

随着我国对碳中和目标的持续推进，绿电化工的发展前景广阔。此次研究为化学工业的绿色转型提供了清晰路径，有望助力我国化工和能源行业实现绿色、低碳、高质量发展。

文章信息：

Cheng Tang, Qiang Zhang. Green Electrification of the Chemical Industry Toward Carbon Neutrality. Engineering, 2023, 29(10): 22–26 https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.04.018

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