《1、 引言》

1、 引言

为实现碳中和目标，推动社会可持续发展，我国亟需在现代能源、工商业和社会经济等领域进行广泛而深刻的系统性变革。据统计[1‒2]，中国近90%的二氧化碳排放来自能源部门，主要排放源为电力（48%）、工业（36%）、交通（8%）和建筑（5%）部门[1]。因此，可再生能源替代化石能源将成为社会发展的必然选择。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的80%以上[图1（a）][1]。随着可再生能源的装机量不断提高和发电价格的下降，（直接或间接）基于可再生能源的电气化革命（即“绿电化”）将成为各行各业脱碳的重要手段[图1（b）][1,3‒4]。这也有助于缓解可再生能源间歇性和波动性带来的并网挑战[5‒7]。

《图1》

图1 从化石能源到可再生能源的清洁能源转型。（a）中国的发电结构；CCUS代表二氧化碳捕集、利用与封存。（b）中国的电力需求结构。经许可转自文献[1]。

以化学工业为例，碳排放量约占社会总排放量的6%~10% [8‒9]，其中原材料生产和炼制过程的直接碳排放占比42%，用电碳排放占比35%，用热碳排放占比23% [8]。我国由于“富煤贫油少气”的资源禀赋，化学工业用电和用热的间接碳排放份额更高。因此，通过在供电、供热和高排放化工过程（如氢、氨、甲醇、烯烃和芳烃的生产）中逐步降低化石燃料的使用，推动化学工业的绿电化（以下简称为“绿电化工”），可为深度减排做出贡献。近年来，绿电化工已在国际上受到关注，不断提出了以Power-to-X [5, 10]、e-refinery [11‒12]和e-chemistry [13]为代表的新概念。然而，由于发展目标和路线图不明确、技术成熟度低、规模有限和成本偏高，绿电化工的研究和示范进展缓慢。本文尝试分析绿电化工面临的主要挑战和机遇，提出助力我国化工和能源行业绿色、低碳、高质量发展的技术路线图。

《2、 绿电化工的发展路线图》

2、 绿电化工的发展路线图

综合评估各种技术的产业地位、技术成熟度和潜在减排贡献，本文提出了绿电化工发展的五类策略（图2）：“绿电”“绿热”“绿氢”“绿燃”和“绿化”。其中“绿”代表“绿电化”，强调了可再生能源绿色电力的关键作用及其带来的技术特征。

《图2》

图2 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。

短期（2022—2030年）内，通过促进可再生能源与化工用能相结合，提高能源利用效率，可以发展出“绿电”和“绿热”，即化工用电和用热的绿电化。从中期（2030—2045年）来看，可再生能源电解水制氢可作为长周期储能载体和难减排行业脱碳利器，助力发展“绿氢”和“绿燃”，即氢能和液体燃料的绿电化。从长期（2045—2060年）发展来考虑，通过可再生能源驱动的新型催化过程，有望给高附加值化学品的绿色制造带来颠覆性的变革，发展出“绿化”技术，即化学品制造的绿电化。

《2.1 “绿电”》

2.1 “绿电”

目前，化学工业是典型的电力密集型产业（如氯碱工业、电解铝、锌冶炼、碳酸钙生产、己二腈制造和电解电镀行业），采用大量高能耗设备（如电渗析、电动泵、搅拌器、离心机和压缩机），2019年直接用电的过程占比约26% [6,14]。通过低碳电网或分布式可再生能源对现有火电的替代，有望降低化工行业35%的碳排放量[8]。然而，“绿电”的技术发展面临可再生能源波动性、间歇性与化工过程连续、稳定运行之间的矛盾，由此带来了很多技术瓶颈和配套储能的额外成本。

针对“绿电”的发展，有以下几方面的研发重点：

（1）揭示动态电力工况对化工过程运行状态和性能的影响，进一步优化材料、装置和工艺，最大程度地拓宽运行区间并降低性能影响。

（2）通过增加备用组件、改进设备、优化运行模式，提高设备运行的本征柔性，从而拓宽波动工况下的操作窗口，大幅降低平衡电力波动所需的设备投资。

（3）“虚拟电厂”或“源-网-荷-储”等综合能源运营模式是实现现有用电过程绿电化的便捷高效手段。通过智能调度、工艺优化、容量配置、峰谷价差、低成本储能技术等方面的进步，可以提高此类系统的能源利用效率和技术经济性。

《2.2 “绿热”》

2.2 “绿热”

不同温度的工业用热，包括干燥、蒸馏和固化（低于200 ℃），石油炼制、蒸汽裂解、分离和反应（400~1000 ℃），焙烧和熔炼（900~2000 ℃）等过程[6,15]，在当代化学工业扮演着重要的角色。尽管使用化石燃料供热方便廉价，但其使用过程中碳排放较多，能效较低，造成大量的能源浪费。实际上，通过不同的电加热方式（如热泵、电阻加热、电磁加热和电弧加热等）可以获得各种温度的热量。相比于化石燃料供热，“绿热”技术更加高效、精确和便捷[5,15]，但也在规模拓展性、材料兼容性、经济可行性、电力波动性等方面面临诸多挑战。

针对“绿热”的发展，有以下几方面的研发重点：

（1）优先开发和示范可规模化与现有工艺设备结合的热泵和电加热蒸汽裂解炉等“绿热”技术。此类技术的推广应用有望使相关环节的能耗减半[5]，使碳排放量降低90% [16]。

（2）系统研究电加热对于热催化反应机理的影响。这一新型供热形式便于快速调节温度、建立局部温度梯度、实现动态操作[17]，从而有望对反应速率、选择性和稳定性进行精准调控。

（3）针对“绿热”的技术特征，重新设计已有工艺过程，开发下一代催化剂和反应器[6,17]，充分利用电加热的优势，最大程度地提高能效、降低排放和提高技术经济性。

《2.3 “绿氢”》

2.3 “绿氢”

由可再生能源或低碳电网供电驱动电解水制氢，即“绿氢”，有望在能源转型和工业脱碳中发挥关键作用。作为一种高能量密度的无碳能源载体，氢可以实现可再生能源的长周期存储，并作为重型或长途运输的动力供应；同时，氢作为一种重要的工业原料，“绿氢”也是高耗能高排放行业（如钢铁、水泥和化学品制造）脱碳的关键途径[1,18]。国际能源署预测，到2060年，中国的电解槽装机容量将达到750 GW（占全球40%），电力消耗将达到3300 TW·h [1]。然而，“绿氢”的产业推广也面临多重挑战，特别是相比于煤炭或天然气制氢路线，电解水制氢的成本偏高，氢气储存和运输技术不成熟，缺乏终端用氢过程的集成验证。

针对“绿氢”的发展，有以下几方面的研发重点：

（1）无论是碱性还是酸性电解水制氢技术，都需要对关键催化材料和组件进行创新，进一步降低过电位，提高能效。面向实用化工况开发能源催化材料，关注高电流密度、低过电位和长周期耐久性的性能需求，形成低成本、可规模化、高一致性的电极制备技术。

（2）系统研究在实际工况和波动运行条件下催化剂、膜和电解槽的性能衰减与失效机制，提出相应的性能强化和延寿策略，实现工业化技术需求，特别是长达80 000 h的运行寿命、低于2.1 mV/kh的性能衰减率和20%~110%的功率范围（以碱性电解槽为例）[19]。

（3）通过氢能产业链的整体发展以及工艺柔性集成和控制技术的进步，优先推动难减排行业的分布式制氢-用氢示范，充分发挥“绿氢”在石油炼制、富氢冶炼、煤制烯烃、合成氨和重卡交通等领域的独特优势。

《2.4 “绿燃”》

2.4 “绿燃”

近年来，电动汽车的大规模普及和氢燃料电池汽车的快速发展，促进了交通领域的电气化和低碳化转型。然而，远距离航空、航运和长途重型公路运输等领域的脱碳仍然面临巨大挑战，仍将长期依赖便携的、高能量密度的液体燃料[20‒21]。通过与捕集的二氧化碳反应（生产低碳甲醇、甲酸、二甲醚、航空煤油等）或与Haber-Bosch工艺结合（合成氨），将“绿氢”转化为低碳排放的液体燃料（即“绿燃”），有望在高度兼容现有基础设施的基础上实现相关交通部门的脱碳。作为化石资源衍生燃料的替代品，“绿燃”不仅可以用于交通运输部门，也可以用于化工行业和长周期储能[18,20‒23]。然而，“绿燃”的发展目前受限于其高制造成本、低全生命周期效率和不成熟的工艺集成[20,23]。

针对“绿燃”的发展，有以下几方面的研发重点：

（1）通过全面评估技术成熟度、技术经济性和全生命周期碳排放及能效，优先考虑既难减排又不适合直接电气化的领域，确定最有价值的“绿燃”路线和终端场景[20]。

（2）深入理解相关反应机理，开发新型催化剂，关注实际二氧化碳来源中的杂质对催化转化活性和耐久性的影响，提高氢气转化率、降低反应温度和调控产物分布[21]。

（3）研究协同控制技术和系统仿真模拟，优化不同工况和特性的电解水制氢与热催化模块系统集成，加快中试验证。绿色甲醇和绿氨有望成为最早实现工业示范和推广的“绿燃”。

《2.5 “绿化”》

2.5 “绿化”

鉴于电解水制氢在基础研究和产业推广上的新进展，发现了如将氧气还原成过氧化氢、二氧化碳还原为含氧化合物和碳氢化合物、氮气还原合成氨、碳氮偶联合成含氮化合物、生物质衍生物的电催化转化等通过直接电催化合成高附加值化学品的新过程[11,13,24]。除了直接电气化，“绿化”的技术路线可以直接使用可再生原料（如二氧化碳、水、空气和生物质）、模块化和分布式反应器进行现场按需操作。采用串联堆叠反应器的集成也更容易实现工业放大和技术迭代。尽管已有不少的研究报道，但化学品的直接电催化合成仍处于初期阶段，就技术成熟度、经济可行性和市场规模而言，其在未来化工行业中的作用和地位尚不明确，有赖于产学研在基础理论、高效材料、新型反应器等方面的创新和突破。

针对“绿化”的发展，有以下几方面的研发重点：

（1）在材料方面，发展有别于热催化的新机理，通过结合理论研究、原子尺度的材料设计、原位谱学研究和界面工程，开发高活性、高选择性和高耐久性的电催化剂[11,24]。

（2）在反应器方面，以流动电解槽为代表，研究电化学反应器的设计和放大、电解液优化、水和气的传质强化、膜组件设计优化和器件稳定性增强技术，通过全面的结构创新和工程设计满足实际应用需求[24]。

（3）在系统集成方面，需要定制开发分布式的现制现用场景，以最大程度地发挥“绿化”路线的独特性、竞争力和影响力。一些新型的电气化方式，如等离子体催化和电催化-热催化串联反应等也值得深入研究[6,11,23]。

《3、 总结与展望》

3、 总结与展望

通过“绿电”和“绿热”的直接能源替代途径或“绿氢”“绿燃”和“绿化”的间接化学品替代途径，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。值得注意的是，不同途径之间高度融合与互补（图2）。绿电化带来的供能变化和运行模式变化，有望减少化工过程的碳排放，提高能源利用效率，推动难脱碳行业的减排，降低环境污染，并作为灵活性工业负荷推动社会可持续发展。

绿电化工作为一个新兴发展方向，旨在大幅减少化学工业的碳足迹并提高技术和经济竞争力，存在以下几个关键特征：①具有高比例可再生能源的低碳电力输入，②匹配波动性可再生电力的动态或间歇式操作模式，③基于电加热、快速响应和短流程实现的高能效，④高度联动融合的能量流、物质流和信息流促进过程脱碳，⑤分布式和模块化的工厂方案便于规模放大或现场按需应用，⑥智能化的电网-负荷互动以提高经济性和运营效益。然而，这些新型特征也使得材料、技术、投资和市场的发展面临新的风险和挑战。有鉴于此，本文提出如下建议以推动绿电化工的研发、示范和推广，助力碳中和目标的实现。

在国家层面，加快制定绿电化工发展的远景规划和行动方案。尽管可再生能源、工业电气化和氢能产业的发展已经得到全社会的重视，但现有政策不足以鼓励和支撑绿电化工相关技术的创新、示范和实施。需要制定相应的法规、激励措施和支持政策，吸引并保障研究人员、工业界、投资者和市场在短期内尚无经济性优势的现状下开发下一代颠覆性技术。加强风险管理和整体规划，进行有序规范的工业化验证和示范，确保过程安全、供应链安全、人民福祉和气候效益。

在行业层面，应加快制定关键细分领域的技术路线图和发展目标，在短期内推动较成熟技术的应用，如“绿电”在氯碱工业和电解铝、锌冶炼的应用，“绿热”在蒸汽裂解炉的应用。支持长远方向的颠覆性技术创新，如“绿化”在过氧化氢、肥料和生物质转化等方面的应用。同时，需要加快建设各行业各部门能源消耗、碳排放量、市场规模和技术状态的数据库，实现全面、可靠、透明和准确的评估分析。需要联合化工行业、能源和电力部门、设备制造商、终端用户、政府部门、投资者和科学家，建立绿电化工的产业创新联盟，定期更新完善发展路线图，确定优先发展方向，并制定大规模示范应用战略。

在学术层面，建议成立绿电化工学术专业委员会和学术团体，促进该新兴领域的学术交流、合作和创新。除了上述各个方向的研发重点，该领域还存在一些亟需解决的关键科学问题和共性技术难题：

（1）需要进行全生命周期碳排放和技术经济性的综合评估，以准确分析和预测未来绿电化工的发展重点和技术与经济可行性。与此同时，需积极关注其他并行发展的替代技术。

（2）通过储能技术进行调频调峰，以缓解波动性可再生电力的影响，对于绿电化工的发展具有重要意义。同时，仍需进一步发展先进储能技术，以降低成本、延长寿命、减少损耗、扩大温区，推动绿电化工的高质量发展。

（3）发展基于人工智能、物联网和大数据的智能化工和系统工程，包括预测或实时的天气状况、电力供应、负荷需求、电价变化、碳税政策等因素对于绿电化工系统调度的决策影响，提高绿电化的效率，赋能绿电化过程经济性。

（4）需要针对绿电化工的典型新特征，包括动态或间歇操作、现场按需应用、更快和更精确的操控等需求，创新关键材料和设备。这需要基于原子尺度和工况条件下电化学反应原理的探索，集成新型催化机制的科技创新（如反应催化[13,17,23]）。

（5）既要学习和借鉴现有电化学工业（如氯碱工业、制氢电解槽）的知识和技术，也需要在催化电极、反应器、电解液、过程工艺和系统集成等方面进行原理创新和颠覆性设计，加快推进绿电化工的技术创新与产业化。