化學(xué)工程在低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵作用探討
——從物質(zhì)資源利用與碳排放關(guān)聯(lián)的視角

朱兵，陳定江，蔣萌，任鈺成，曹煜恒，周文戟，胡山鷹，金涌

（1清華大學(xué)化學(xué)工程系，北京 100084；2清華大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100084；3清華大學(xué)國家治理與全球治理研究院，北京 100084；4中國人民大學(xué)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100086）

引 言

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在聯(lián)合國大會(huì)上莊嚴(yán)承諾，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值、努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出、推進(jìn)和實(shí)施，將推動(dòng)全球和中國經(jīng)濟(jì)、政治、文化和社會(huì)發(fā)生深刻變化。從現(xiàn)在開始到完全達(dá)成碳中和目標(biāo)的這段時(shí)期，可被界定為低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型期。在低碳轉(zhuǎn)型期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和消費(fèi)從高碳模式向低碳模式的過渡，需要不同領(lǐng)域、行業(yè)，不同利益相關(guān)主體，在技術(shù)、模式、制度等方面進(jìn)行變革［1-8］。

物質(zhì)資源（包括化石資源、金屬資源、非金屬資源、生物質(zhì)資源等）作為自然界的基本要素，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴的物質(zhì)資源利用模式主要以“高碳”為特征，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一，能源利用主要通過化石資源燃燒提供能量，例如電力、燃料等，具有高碳特征。另一方面，水泥、鋼鐵、金屬、化學(xué)品等物質(zhì)利用包括直接（工藝過程、碳基材料）和間接的（使用高碳能源）碳排放，也同樣具有“高碳”特征。因此，當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)資源利用與碳排放存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

將物質(zhì)資源規(guī)?；?、高效率并且以環(huán)境友好的方式轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品，是石油與化工、冶金、建材、輕工等流程工業(yè)的核心任務(wù)?；瘜W(xué)工程學(xué)科為流程工業(yè)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，不斷提升工藝過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品功能性、資源能源效率和環(huán)境友好性。當(dāng)碳排放正成為流程工業(yè)新的剛性約束，化學(xué)工程的科研人員以及流程工業(yè)領(lǐng)域的利益相關(guān)者，有必要以宏觀系統(tǒng)視角重新審視物質(zhì)資源利用與碳排放的復(fù)雜關(guān)系，思考在低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型期如何打破物質(zhì)資源利用與碳排放的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

本文將從以下方面分析物質(zhì)資源利用與碳排放的復(fù)雜關(guān)系：第1節(jié)闡述資源利用與碳排放的內(nèi)在聯(lián)系，分析提升資源效率對(duì)低碳轉(zhuǎn)型的正向協(xié)同效應(yīng)。第2節(jié)闡述社會(huì)低碳轉(zhuǎn)型過程將不可避免地在某些領(lǐng)域提升物質(zhì)資源使用強(qiáng)度，反而會(huì)加強(qiáng)物質(zhì)資源利用與碳排放的關(guān)聯(lián)，重點(diǎn)分析提升資源效率、發(fā)展循環(huán)型產(chǎn)業(yè)對(duì)沖低碳轉(zhuǎn)型對(duì)物質(zhì)資源消耗的潛在反彈效應(yīng)。第3節(jié)討論氣候目標(biāo)下的能源系統(tǒng)和資源代謝變革，特別強(qiáng)調(diào)資源代謝變革，凸顯低碳時(shí)代化石資源的“材料”價(jià)值。

1 低碳轉(zhuǎn)型中提升資源效率與碳減排的正向協(xié)同

1.1 物質(zhì)資源利用與碳排放的強(qiáng)關(guān)聯(lián)

物質(zhì)資源（例如化石資源、金屬資源、非金屬資源和生物質(zhì)資源等）是支撐人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。工業(yè)革命以來，人類實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)資源的規(guī)?；?，極大地促進(jìn)了社會(huì)發(fā)展，但同時(shí)也帶來溫室氣體排放、生物多樣性喪失、水資源短缺等諸多問題[9]。近年來全球資源開采量迅速增長。1970―2017年間，世界人口從37億增長至76億，增長為原來的兩倍。而全球資源開采量從1970年的270億噸（約7噸/人）上升到2017年的920億噸[9]（約12噸/人），全球年資源開采量增加了兩倍多。

人類對(duì)物質(zhì)資源的利用與全球氣候變化存在緊密的聯(lián)系[9]。在物質(zhì)資源的開采和加工過程中，會(huì)排放大量溫室氣體。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署國際資源委員會(huì)（International Resource Panel，IRP）測算，當(dāng)前全球近一半的溫室氣體排放是由自然資源的開采和加工造成的[9]。英國艾倫·麥克阿瑟基金會(huì)（Ellen MacArthur Foundation）得出結(jié)論，45%的溫室氣體都來源于人們的日常生活物品（如汽車、服裝、食物和其他產(chǎn)品）的生產(chǎn)過程[10]。

1.2 提升資源效率促進(jìn)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型

資源效率的提高與低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型具有重要的協(xié)同效應(yīng)。盡管面臨重大挑戰(zhàn)，物質(zhì)資源開采和加工過程仍然具有很大減排潛力，提高物質(zhì)資源的全生命周期效率對(duì)低碳發(fā)展至關(guān)重要。資源效率包括材料效率，還包括水、能源、生物多樣性、土地等其他資源的效率[11]。本文的資源效率主要從物質(zhì)資源的角度出發(fā)，關(guān)注材料效率。

提升資源效率的策略貫穿資源開采、處理、加工、制造、使用、報(bào)廢等全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)。國際上常見的策略包括通過加強(qiáng)設(shè)計(jì)以減少產(chǎn)品的資源消耗，使用環(huán)?；蚩稍偕奶娲牧?，增加產(chǎn)品的使用強(qiáng)度并延長使用壽命，促進(jìn)報(bào)廢材料的回收與再利用等[11]。從總體上看，實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高資源效率對(duì)低碳轉(zhuǎn)型有著重要的促進(jìn)作用。聯(lián)合國環(huán)境署國際資源委員會(huì)的模擬結(jié)果顯示，“可持續(xù)發(fā)展情景”與“歷史延續(xù)”情景相比，資源效率相關(guān)策略實(shí)施將減少19%的溫室氣體排放[9]。瑞典智庫材料經(jīng)濟(jì)學(xué)（Material Economics）的報(bào)告顯示，應(yīng)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)策略可使歐盟2050年重工業(yè)碳排放降低56%[12]。艾倫·麥克阿瑟基金會(huì)認(rèn)為，在水泥、鋁、鋼、塑料等幾大關(guān)鍵領(lǐng)域成功落實(shí)循環(huán)經(jīng)濟(jì)策略能將其2050年全球生產(chǎn)過程碳排放減少40%[10]。聯(lián)合國環(huán)境署國際資源委員會(huì)的報(bào)告指出，從重點(diǎn)產(chǎn)品或行業(yè)方面來看，到2050年，住宅建筑領(lǐng)域的材料利用效率提升策略可在住宅建造、運(yùn)營和拆除各階段為七國集團(tuán)國家（G7）減排35%～40%，汽車領(lǐng)域的材料利用效率提升策略可以將七國集團(tuán)汽車制造、車輛使用和報(bào)廢管理的全過程溫室氣體排放總量減少30%～40%，報(bào)告也認(rèn)為在中國和印度等發(fā)展中國家實(shí)施材料利用提升效率策略可實(shí)現(xiàn)更顯著的減排效果[11]。

在識(shí)別并強(qiáng)化減碳和提升資源效率的協(xié)同過程中，化學(xué)工程學(xué)科將扮演重要角色?；瘜W(xué)工程學(xué)科研究物質(zhì)資源的一系列物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)各種功能化學(xué)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)[13-14]。化工行業(yè)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的核心部門，將原生資源轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)品，為其他行業(yè)提供生產(chǎn)的原材料或最終產(chǎn)品[13-15]。在這個(gè)過程中，化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展可以促進(jìn)關(guān)鍵步驟的資源效率的提升。同時(shí)，由于現(xiàn)階段碳排放的絕大多數(shù)來源都直接或間接地與化石資源相關(guān)[16-17]，而化學(xué)工程（和工業(yè)）是生產(chǎn)、加工和轉(zhuǎn)化化石資源的關(guān)鍵學(xué)科（和產(chǎn)業(yè)），因此化學(xué)工程將會(huì)對(duì)低碳轉(zhuǎn)型過程中通過促進(jìn)資源效率而實(shí)現(xiàn)的碳減排提供重要貢獻(xiàn)。

2 低碳轉(zhuǎn)型過程中碳減排和物質(zhì)資源利用的反向協(xié)同

2.1 低碳轉(zhuǎn)型對(duì)物質(zhì)資源需求的拉動(dòng)

在氣候變化和能源安全問題的驅(qū)動(dòng)下，預(yù)計(jì)在未來幾十年，全球能源供應(yīng)將逐步轉(zhuǎn)向可再生能源。在此過程中，低碳電力將成為能源系統(tǒng)中最重要的組成部分[18]。一方面，發(fā)電能源構(gòu)成將發(fā)生重大變化。國際能源署估計(jì)，到2025年，全球可再生能源發(fā)電量將增長近50%，屆時(shí)將占電力容量凈增長的95%[19]。在光伏領(lǐng)域，全球光伏裝機(jī)容量從2005年的5GW增長到2020年的近700GW，年增長率接近40%[19]。風(fēng)能行業(yè)也在迅猛增長，全球平均年增長率約為10%[20]。另一方面，能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型也將推動(dòng)新能源汽車等行業(yè)的發(fā)展。例如在新能源汽車領(lǐng)域，2010年全球僅約2萬輛電動(dòng)汽車被投入使用，而這個(gè)數(shù)字在2020年已超過700萬輛，預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車的全球保有量將在2030年達(dá)到2.5 億輛，未來十年年增長率為43%[21]。

全球能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型需要建造大量風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能發(fā)電站、新能源汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等，這將消耗大量關(guān)鍵金屬和關(guān)鍵材料[22-23]。近年來，關(guān)鍵材料和關(guān)鍵金屬在低碳轉(zhuǎn)型中的作用逐步受到學(xué)術(shù)界和政策制定者的重視[24]。相關(guān)研究顯示，一輛電動(dòng)汽車使用的礦產(chǎn)資源是傳統(tǒng)汽車的五倍，而陸上風(fēng)力發(fā)電廠所需的礦產(chǎn)資源是同等發(fā)電裝機(jī)容量的燃?xì)獍l(fā)電廠的八倍[25]。世界銀行預(yù)計(jì)到2050年，為滿足清潔能源技術(shù)的需求，石墨、鋰和鈷等礦物的需求量增加近五倍。為實(shí)現(xiàn)2015年巴黎氣候協(xié)定避免全球氣溫上升2°C的承諾，未來風(fēng)能、太陽能和地?zé)崮芤约皩?shí)現(xiàn)相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備將消耗超過30億噸的金屬和礦物[26]。若沒有足夠的原材料來作為這些技術(shù)所需要的物質(zhì)基礎(chǔ)，世界將無法應(yīng)對(duì)氣候變化[18,27]。具體到某種資源，以金屬為例，太陽能光伏需要銦、鎵等材料[28]；風(fēng)力渦輪機(jī)需要釹和鏑等材料[29]；鋰、鈷和鎳賦予電池更好的充電性能和更高的能量密度[25]，超過60%的鈷礦用于可充電電池[28]；而銅因其優(yōu)異導(dǎo)電性能對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)至關(guān)重要[25]。鑒于此，有學(xué)者認(rèn)為金屬具有“耗能資源”和“賦能資源”兩種屬性，即金屬資源的開采、生產(chǎn)和回收過程需要消耗能源（耗能），但同時(shí)這些金屬成為支撐能源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)（賦能）。金屬的賦能作用將在低碳過程轉(zhuǎn)型過程中不斷加強(qiáng)[30-32]。在過去的幾十年里，在許多發(fā)達(dá)國家都出現(xiàn)了金屬資源消耗與經(jīng)濟(jì)增長的解耦，資源產(chǎn)出率顯著提高[33]。然而，在氣候目標(biāo)和低碳轉(zhuǎn)型的背景下，這一趨勢有可能會(huì)被打破[34]。

低碳轉(zhuǎn)型對(duì)物質(zhì)資源需求的大幅拉動(dòng)，也要求化學(xué)工程和化學(xué)工業(yè)提供更多的新材料。例如為減輕質(zhì)量、增加行駛里程，車輛輕量化設(shè)計(jì)過程中也會(huì)更多地使用塑料和塑料基復(fù)合材料；光伏發(fā)電設(shè)備的背板、膠膜及光伏玻璃原料等大多都是化工產(chǎn)品；風(fēng)電設(shè)備對(duì)材料強(qiáng)度和性能有嚴(yán)格要求，也將進(jìn)一步推動(dòng)特種樹脂等化工材料的需求增長[35-36]。另外，應(yīng)對(duì)氣候變化也將增加對(duì)常規(guī)物質(zhì)資源的使用，例如沿海保護(hù)結(jié)構(gòu)、防洪基礎(chǔ)設(shè)施等將消耗大量鋼鐵、水泥等資源[11]。

低碳轉(zhuǎn)型對(duì)物質(zhì)資源的巨大需求也引發(fā)了很多問題，其中最重要的是供給可持續(xù)性。為了減輕氣候變化的影響，在減少使用化石燃料時(shí)還需要大量增加金屬等礦物資源的消耗[18,27]，即從依賴于化石燃料的不可持續(xù)利用模式，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾囉谌舾芍匾饘俸推渌P(guān)鍵礦物資源的利用模式。這些重要金屬和關(guān)鍵礦物大多也是不可再生的，如果利用模式依然不可持續(xù)，這將影響聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）的實(shí)現(xiàn)[37]。研究預(yù)測，在未來幾十年，關(guān)鍵金屬和材料的供應(yīng)將趨緊，而目前各國推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型往往沒有充分考慮新增資源需求這一挑戰(zhàn)，相關(guān)資源快速增長的需求可能難以滿足[27]。同時(shí)，當(dāng)前再生資源回收體系相對(duì)不成熟，回收技術(shù)的發(fā)展水平以及對(duì)資源品種的覆蓋都暫時(shí)無法滿足日益加速的資源需求[27,38]。此外，關(guān)鍵資源礦產(chǎn)的開采、加工技術(shù)研發(fā)與投資還涉及到國際政治和全球供應(yīng)鏈等方面的諸多問題[24,34-35,39]。

2.2 提升資源效率以對(duì)沖低碳轉(zhuǎn)型對(duì)物質(zhì)資源消耗的潛在反彈效應(yīng)

在實(shí)現(xiàn)社會(huì)的低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展中，面對(duì)非化石燃料物質(zhì)資源需求的顯著增加，核心技術(shù)的創(chuàng)新是重要基礎(chǔ)，面向資源高效利用的化學(xué)工程技術(shù)將發(fā)揮重要作用。例如鋰電池性能一直在提高，而鈷含量在過去十年中迅速下降，下一代電池可以進(jìn)一步降低鈷含量[40]；鹽湖提鋰是未來新增鋰產(chǎn)能的重要來源，也是緩解鋰資源緊缺、保障我國鋰資源自主可控的重要手段[41]；鈉電池也有望成為重要備選路線[42]。新材料的開發(fā)利用還可以進(jìn)一步降低可再生能源發(fā)電成本。例如，風(fēng)電設(shè)備中采用輕質(zhì)塑料基材料可以制造更長渦輪葉片，從而提高發(fā)電效率。創(chuàng)新材料還有助于提高風(fēng)力渦輪機(jī)的耐用性，從而降低維護(hù)成本，這對(duì)于在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作（如海上風(fēng)電等）尤其有益[43]。

在資源回收方面，非化石燃料物質(zhì)資源的回收是一個(gè)需要在綜合框架中解決的系統(tǒng)性問題[34]。許多關(guān)鍵材料目前的回收率很低，提升加工效率和回收率將產(chǎn)生巨大收益[38]，例如潛在的技術(shù)突破或可實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)有銅供應(yīng)鏈的尾礦和廢料中，提取相當(dāng)數(shù)量的硒、碲和鉍等元素[44]。通過非物質(zhì)化、修復(fù)、再利用、再制造和回收等策略能夠有效提升關(guān)鍵材料的資源效率，從長遠(yuǎn)來看，增加回收可以大大減少對(duì)原生資源的生產(chǎn)端需求[40]。同時(shí)，這些資源的生命周期與工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)品捆綁在一起，基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命越長，其可回收用于其他用途的金屬供應(yīng)就越少。金屬在基礎(chǔ)設(shè)施中的停留時(shí)間變化很大，基于模型和數(shù)字化的框架設(shè)計(jì)在政策制定時(shí)將會(huì)具有重要意義。由于金屬、能源、化石資源、碳排放和其他各類環(huán)境影響深度耦合且相互關(guān)聯(lián)[45-46]，從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，建立具有系統(tǒng)性、科學(xué)性和實(shí)用性的復(fù)雜系統(tǒng)評(píng)估模型[47]對(duì)于低碳轉(zhuǎn)型中決策支持將發(fā)揮重要作用。

3 氣候目標(biāo)下化學(xué)工程支撐化石資源利用模式變革

越來越多的科學(xué)家認(rèn)為人類活動(dòng)已將地球帶入新地質(zhì)時(shí)代——人類世（Anthropocene），即由人類主導(dǎo)的、人類與地球關(guān)系發(fā)生根本變化的地質(zhì)時(shí)代[48]。煤炭、石油、天然氣等化石資源的燃燒和利用是人類世碳排放的根本來源[49]。在人類目前的工業(yè)系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)中，化石資源主要有兩種利用方式：一是作為燃料而使用，即通過燃燒直接提供熱量、蒸汽和電力。當(dāng)今人類社會(huì)的能源系統(tǒng)與化石資源的燃燒深度耦合。2020年，化石資源占全球一次能源供應(yīng)比例高達(dá)84%[50]，與人類生產(chǎn)和生活相關(guān)聯(lián)的碳排放中超過99%直接或間接地來源于化石資源[16]。二是作為“碳源”材料使用，或稱非燃燒利用[50]，即為制造終端產(chǎn)品提供基于碳、氫等元素的原料[43]。據(jù)估計(jì)，全球約10%的化石資源最終用于加工成材料[51]，例如合成高分子（塑料、合成纖維、合成橡膠）等化學(xué)品。人類對(duì)于化石資源的開采和利用，極大促進(jìn)了工業(yè)的快速發(fā)展和生活方式的巨大變革[52-53]，但與此同時(shí)，也使得地層中千百年來積存的碳元素以二氧化碳的形式在短時(shí)間內(nèi)釋放，打破了生態(tài)系統(tǒng)中的碳平衡。

與化石資源代謝緊密相關(guān)的化學(xué)工業(yè)被公認(rèn)為是最難以脫碳的行業(yè)之一。化學(xué)工程研究物質(zhì)資源、尤其是化石資源的轉(zhuǎn)化和利用，而化學(xué)工業(yè)是人類社會(huì)代謝化石資源的工業(yè)系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。與化石資源深度關(guān)聯(lián)的化工產(chǎn)品需要碳元素，同時(shí)生產(chǎn)過程需要大量能源投入[54-56]，因此將化學(xué)工業(yè)的二氧化碳排放減少到凈零水平將具有極大挑戰(zhàn)。雖然仍存在一定爭議，但是國內(nèi)外對(duì)于氣候目標(biāo)下化石資源的利用方式轉(zhuǎn)變以及化學(xué)工業(yè)轉(zhuǎn)型開始有一些初步共識(shí)[43,51,53,56-62]。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑包括化石資源和化學(xué)工程相關(guān)的能源系統(tǒng)變革和資源代謝系統(tǒng)變革，這兩種變革將相輔相成、齊頭并進(jìn)。圖1展現(xiàn)了現(xiàn)階段、過渡階段和碳中和階段的三種化石資源利用模式以及相互之間的差異性。其中圖1(a)反映以當(dāng)前化石資源為主要碳源的經(jīng)濟(jì)社會(huì)碳代謝模式；圖1(b)體現(xiàn)了在未來發(fā)展和過渡階段，化石資源材料屬性增強(qiáng)、能源系統(tǒng)中加入可再生能源的轉(zhuǎn)型變化；圖1(c)則描繪了更長時(shí)間尺度可能實(shí)現(xiàn)的一種“碳中和”化石資源利用模式，即碳基材料原料的多元供應(yīng)。

圖1 氣候目標(biāo)下化學(xué)工程支撐化石資源利用模式變革（箭頭粗細(xì)僅為示意）Fig.1 Schematic diagram of the transition of fossil resource use pattern supported by chemical engineering under the carbon neutrality goal

3.1 化石資源相關(guān)的能源系統(tǒng)變革

3.1.1 持之以恒提升能源效率，減少化工生產(chǎn)過程的能耗和碳排放 在目前的基礎(chǔ)上，化工行業(yè)和化學(xué)工程從業(yè)者需要通過工藝優(yōu)化和生產(chǎn)過程集約化，進(jìn)一步提升能源效率，大幅減少化工生產(chǎn)過程中的能耗和碳排放[63-64]。研究指出，如果能完全利用加工化學(xué)原料中釋放的能量，或可滿足所有化工過程中的能源需求[43,57,65]。因此從理論上講，化工行業(yè)可以不使用額外的化石資源作為燃料，但仍需要含有碳元素和氫元素的原料投入[43,57,65]。但是在許多情況下，能效提升的潛力受到了化工熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)限制，在很大程度上并不顯著[43,53]，優(yōu)化空間已經(jīng)接近極限。因此在短期內(nèi)，淘汰落后產(chǎn)能、大力提高能效、加強(qiáng)全過程節(jié)能管理、大幅降低資源能源消耗強(qiáng)度等舉措[66]無疑是促進(jìn)碳達(dá)峰的重要手段，但從中長期來看，僅通過這些舉措仍然不夠，因?yàn)槠淠茉垂?yīng)系統(tǒng)依然是以化石資源燃燒為基礎(chǔ)[51,56]。

3.1.2 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)清潔低碳化，并開始逐步向電氣化驅(qū)動(dòng)的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型 能源系統(tǒng)與化石資源逐漸脫鉤，對(duì)碳中和至關(guān)重要。如圖1(b)所示，該模式下電力、交通行業(yè)將減少對(duì)化石資源的依賴，可再生能源在能源供應(yīng)中的比例將顯著提升。為了促使能源結(jié)構(gòu)逐步實(shí)現(xiàn)低碳化，包含化石資源利用過程的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)電氣化[51,67]。公用事業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施和化工過程的電氣化以及轉(zhuǎn)向可再生能源有望實(shí)現(xiàn)更深程度的二氧化碳減排，但目前存在較多問題且成本高昂。例如在中短期，綠電的不穩(wěn)定性將對(duì)于化工生產(chǎn)的安全性產(chǎn)生影響，這對(duì)電力生產(chǎn)、儲(chǔ)存和利用技術(shù)提出了更高要求，需要大量的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)投資[56,61]。

3.2 化石資源代謝和碳基材料原料的變革

增強(qiáng)化石資源“材料屬性”，更多將其作為“材料”而不是“燃料”將成為石油和化學(xué)工業(yè)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然選擇。在資源代謝系統(tǒng)轉(zhuǎn)變中，需要大力發(fā)展化石資源的“材料化”利用，即將煤炭、石油、天然氣等化石資源作為原料投入進(jìn)行材料合成，而不作為能源供應(yīng)[68-70]。更進(jìn)一步，從中長期來看，即使化學(xué)工業(yè)等流程工業(yè)將化石資源完全作為“碳源材料”，也仍然無法從根本上實(shí)現(xiàn)凈零排放，化學(xué)工業(yè)需要尋求多元的“碳源”，尤其是“可再生碳源”。

3.2.1 從化石燃料到化石材料 增強(qiáng)化石資源的“材料屬性”，推動(dòng)煉化一體化，逐步提升“油轉(zhuǎn)化”（crude oil to chemicals，指每桶石油的化學(xué)品轉(zhuǎn)化率）的比例，如圖1(b)所示，隨著能源系統(tǒng)與化石資源脫鉤，化石資源材料化應(yīng)用的比例將提高。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化和能源轉(zhuǎn)型的背景下，國內(nèi)外學(xué)者、主流機(jī)構(gòu)和大型能源公司均認(rèn)為化石資源的非燃燒使用（包括合成化學(xué)品、材料使用）將成為中短期化石燃料需求增長的最大來源，非燃燒化石資源的數(shù)量和重要性會(huì)持續(xù)增長[43,50,57,71-72]。國際能源署預(yù)測，由于新能源汽車的快速普及和能源替代技術(shù)的應(yīng)用，2030年左右全球的化石資源消耗或?qū)⑦_(dá)到峰值[43]。國內(nèi)外主流能源公司（如中國石化、中國中化、?？松梨?、殼牌、沙特阿美等）主動(dòng)謀求轉(zhuǎn)型，采取降低油氣資產(chǎn)比重、大規(guī)模削減資本支出等手段[73-75]，不斷提升化工（化學(xué)品）板塊在其整體業(yè)務(wù)中的地位[51,76]。我國化學(xué)工業(yè)也提出了推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)低碳化、控制化石資源消耗總量、提升高端石化產(chǎn)品供給水平等措施[66]。例如，中石化強(qiáng)調(diào)新材料在其發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性，提出要以能源資源為基礎(chǔ)，以潔凈油品和現(xiàn)代化工為兩翼，以新能源、新材料、新經(jīng)濟(jì)為重要增長點(diǎn)的“一基兩翼三新”發(fā)展格局[77]。目前國內(nèi)外規(guī)劃新建的石油化工廠基本均為“煉化一體化”的模式，這樣的綜合體允許將原油轉(zhuǎn)化為更多高價(jià)值的化工產(chǎn)品，并減少煉油的比重。目前新建“煉化一體化”綜合體的“油轉(zhuǎn)化”比例往往超過50%甚至達(dá)到80%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)煉廠（目前全球平均水平為8%～10%）[51,78]。沙特阿美宣布將在未來15年內(nèi)將其石油產(chǎn)量的至少三分之一轉(zhuǎn)化為化學(xué)品，其“油轉(zhuǎn)化”的目標(biāo)為至少40%[78]。更大比例使用化石資源用作化工品的“碳源材料”可被視為化工行業(yè)低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型的中短期解決方案。然而，這個(gè)過程仍然被認(rèn)為無法完全實(shí)現(xiàn)碳中和，因?yàn)榛ば袠I(yè)中的資源投入依然為化石資源，這個(gè)過程存在大量排放[56,59]，并沒有實(shí)現(xiàn)碳閉環(huán)。同時(shí)需要注意的是，從量級(jí)上看，即使下游對(duì)化石資源“材料”的需求可能會(huì)增加，但與當(dāng)今化石資源的“燃料”消耗相比，其規(guī)模仍然相對(duì)較小。因此，隨著能源結(jié)構(gòu)和化學(xué)工業(yè)的轉(zhuǎn)型，可以預(yù)期未來化石資源的整體需求將在達(dá)峰后出現(xiàn)顯著下降。

3.2.2 碳源的多元化（1）轉(zhuǎn)向可再生碳源，尋求多元碳基原料，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。前文所述的諸多方案均聚焦于在能源輸入或加工過程中進(jìn)行脫碳，而保持以化石資源為碳源的主要工藝路線不變。有研究認(rèn)為，這些方法都沒有解決依賴化石資源中的碳作為原料的根本問題，在經(jīng)過化學(xué)品和化石燃料的使用階段之后，化石資源中的碳最終會(huì)進(jìn)入大氣[60-61]。一些研究認(rèn)為，在滿足人類社會(huì)對(duì)于化工品需求的基礎(chǔ)上，在中長期（2030―2100年）實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)碳中和需要多元的碳基原料供應(yīng)和化工系統(tǒng)轉(zhuǎn)型[51]。而在中短期，不斷上升的二氧化碳成本（如碳稅、碳交易等）可能會(huì)促使企業(yè)開始采用低碳的碳基原料來逐步替代化石資源[51]。沙特阿拉伯在二十國集團(tuán)（G20）領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)上提出“循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)”戰(zhàn)略（Circular Carbon Economy）[79]，希望通過4R理念以實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)。其戰(zhàn)略核心理念4R為：降低（Reduce）碳排放；捕獲并重新使用（Reuse）二氧化碳；回收（Recycle）二氧化碳并轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)以及捕獲和封存二氧化碳以實(shí)現(xiàn)碳移除（Remove）。

廢棄物作為“碳源材料”的潛力巨大[80-83]，化工行業(yè)從線性路徑轉(zhuǎn)向循環(huán)路徑，拋棄“廢物”的概念[62]、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。如圖1(c)所示，其中鏈路①體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式下來自于“碳源材料”的高比例輸入。大力發(fā)展以回收“碳源材料”為目的的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，不僅可以解決包括塑料廢物在內(nèi)的污染問題，還可為更加可持續(xù)的石油和化學(xué)工業(yè)提供循環(huán)“碳源材料”[50,81]，推動(dòng)工業(yè)體系和人類社會(huì)向更加可持續(xù)的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變。以塑料為例，塑料廢棄物的全球平均回收比例僅有10%[53]。據(jù)估計(jì)，2014年歐洲有超過八百萬噸塑料廢物被填埋，這一數(shù)量的塑料相當(dāng)于近1億桶石油的消費(fèi)量[84]。通過機(jī)械（物理）回收和更具前景的化學(xué)回收（即通過溶解、熱解、催化裂化、加氫裂化轉(zhuǎn)化、催化解聚和氣化等化學(xué)手段），可將廢棄物轉(zhuǎn)化為單體、合成氣等化工過程原料，最終用于生產(chǎn)化學(xué)品[80,85-86]。廢塑料回收減排潛力巨大，有研究指出，將塑料回收與生物質(zhì)利用、碳捕集利用等技術(shù)相結(jié)合，能夠在2050年實(shí)現(xiàn)塑料凈零排放[87]。

當(dāng)前，對(duì)于城市廢棄物的循環(huán)利用更多是通過燃燒過程進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)或通過厭氧消化等過程轉(zhuǎn)化為燃料，其核心是將廢棄物轉(zhuǎn)化為能源供應(yīng)[88]。而在未來，化學(xué)回收對(duì)于城市固廢中的“碳源材料”可能是更加重要的回收過程。該工業(yè)過程包括將城市固廢氣化以生產(chǎn)合成氣，然后通過合成氣路線進(jìn)一步生產(chǎn)化學(xué)品。歐洲的有關(guān)研究指出，歐洲城市固體廢棄物的體量在理論上可以滿足歐洲烯烴裝置的“碳源材料”需求量[88]。根據(jù)目前的研究估算，全球城市固廢的“碳源材料”回收或許有潛力滿足未來化學(xué)品“碳源材料”需求的三分之一[88]。然而相對(duì)于塑料的原始生產(chǎn)路線，目前基于化學(xué)回收的塑料生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性往往存在限制。因此，這條路線尚未進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化[43,82]。然而，在塑料回收的每一步都會(huì)伴隨著材料損失。有研究估計(jì)，在樂觀情景下的整體回收效率僅能達(dá)到約50%[51]。因此考慮到材料損失和體量，完全依靠循環(huán)經(jīng)濟(jì)的“碳源材料”供給在理想情況下也不足以完全滿足社會(huì)對(duì)于化學(xué)品的“碳源材料”需求，需要額外的“碳源材料”進(jìn)行補(bǔ)充[51]。

（2）技術(shù)突破將推動(dòng)二氧化碳的資源化利用。研究認(rèn)為，基于二氧化碳捕集、利用與固定（CCUS）技術(shù)捕獲大氣中的二氧化碳或工廠中的高濃度二氧化碳，然后通過化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)品，或許可以對(duì)化學(xué)工業(yè)的“碳源材料”進(jìn)行一定程度的替代，以減少化石資源的消耗[67,81,89]。目前對(duì)于化學(xué)工業(yè)的碳減排討論大多側(cè)重末端減排[64]，但如果將二氧化碳視作一種“碳源材料”，在技術(shù)革新和低碳能源系統(tǒng)充分發(fā)展的前提下，可為化學(xué)工程和人類發(fā)展提供新機(jī)會(huì)[53,60-61]。如圖1(c)所示，其中鏈路②即來自通過二氧化碳資源化實(shí)現(xiàn)的“二氧化碳-碳源材料”的可再生碳源輸入。石化與化工領(lǐng)域高濃度排放源可作為早期CCUS的低成本的工業(yè)化實(shí)踐。相較于大氣或其他場景相對(duì)濃度較低的排放源，化工廠副產(chǎn)氣和弛放氣等中的二氧化碳往往濃度較高，其捕集能耗低、投資成本與運(yùn)行維護(hù)成本低，具有一定的早期商業(yè)化優(yōu)勢[90-91]。有學(xué)者對(duì)29種二氧化碳資源化的工藝路線（例如將二氧化碳/氫氣轉(zhuǎn)化為甲醇或其他碳?xì)浠衔锏鹊拇呋夹g(shù)）進(jìn)行了生命周期評(píng)價(jià)，研究認(rèn)為目前最先進(jìn)的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)碳減排，也可同時(shí)產(chǎn)生減少其他環(huán)境影響的協(xié)同效應(yīng)[64]。

盡管如此，目前對(duì)于通過CCUS減緩氣候變化的潛力仍然存在爭論[58]。雖然從工業(yè)過程或大氣中捕獲的二氧化碳可直接用作可再生碳源，但該路線的實(shí)現(xiàn)必須依靠強(qiáng)大的碳捕獲技術(shù)和電力系統(tǒng)的深度脫碳[51,56]。鑒于此，有學(xué)者提出，在大規(guī)模推廣和發(fā)展前，需要著重考量兩個(gè)問題：①工業(yè)系統(tǒng)能否提供規(guī)模龐大且高效的低碳電力；②如果可以，是否應(yīng)該在化學(xué)工業(yè)中使用如此大量的低碳電力[56]。因此也有一些研究認(rèn)為，基于二氧化碳的化學(xué)品生產(chǎn)無法為二氧化碳提供定量的“匯”，只能作為一種碳基材料供應(yīng)來源的補(bǔ)充[64]。

（3）使用生物質(zhì)作為可再生“碳源材料”也受到了一定程度的關(guān)注。有研究認(rèn)為使用生物質(zhì)替代石油為原料進(jìn)行生產(chǎn)是一種“彎道超車”，是目前化學(xué)工業(yè)實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放的一種途徑[92]。如圖1(c)所示，其中鏈路③即為生物質(zhì)碳源的加入，生物過程已經(jīng)從大氣中捕獲了二氧化碳，相當(dāng)于完成了減排過程。該路線主要考慮以碳水化合物和脂質(zhì)作為主要原料進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化[59,93-94]，但相關(guān)生物質(zhì)的生產(chǎn)可能會(huì)對(duì)空氣、水和土地以及生物多樣性產(chǎn)生影響，生物質(zhì)資源的“碳源材料”供應(yīng)可能很大程度上取決于農(nóng)業(yè)技術(shù)和轉(zhuǎn)化技術(shù)的突破[60,95]。有研究估計(jì)，在2050年僅有60～80Mt/a的生物“碳源材料”可以在不影響食物供應(yīng)的情況下用于化學(xué)品合成，僅占總“碳源材料”需求的10%～15%[51]。

3.2.3 循序漸進(jìn)按照國情務(wù)實(shí)選擇 盡管學(xué)界和工業(yè)界對(duì)于化石資源的代謝模式存在很多探討，但也開始形成了一些共識(shí)，即在很長一段時(shí)間內(nèi)，化石資源將依然發(fā)揮其重要的“材料屬性”，提供“碳源材料”。隨著技術(shù)突破和經(jīng)濟(jì)可行性的成立，來自于循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生物質(zhì)和原料二氧化碳的“碳源材料”供應(yīng)會(huì)逐步替代化石資源的“碳源材料”，最終形成多元“碳源材料”的供給體系。有學(xué)者將這種變革形容為用非化石原料重新設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)價(jià)值鏈，他們認(rèn)為，從基于化石資源的化學(xué)工程（化學(xué)工業(yè)）向綠色、低碳、循環(huán)的化學(xué)工程（化學(xué)工業(yè)）過渡必須在綜合系統(tǒng)的背景下進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)，以考慮可能由土地改造、水資源利用或與糧食生產(chǎn)競爭引起的負(fù)面影響[62]。有研究認(rèn)為，化學(xué)工業(yè)從以化石資源為“碳源材料”到向可再生“碳源材料”的轉(zhuǎn)變過程可能會(huì)持續(xù)整個(gè)21世紀(jì)[51]。有學(xué)者預(yù)測，隨著技術(shù)發(fā)展，在2050年，非化石資源的“碳源材料”輸入將達(dá)到約30%（包括20%來自循環(huán)經(jīng)濟(jì)和CCUS，10%來自生物質(zhì)）。而到2070年，可再生“碳源材料”的輸入可能會(huì)超過化石資源。最終到2100年，可再生碳源可能完全滿足人類社會(huì)的化學(xué)品需求[51]。

對(duì)于中國來說，這種轉(zhuǎn)型需要符合中國國情。在保障能源安全的前提下推進(jìn)碳減排，對(duì)于經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展以及“兩個(gè)一百年”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義[63]。在“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下，以煤炭為主的化石資源消費(fèi)需要穩(wěn)步調(diào)整。在碳排放約束下，應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)電力的脫碳化，減少能源系統(tǒng)對(duì)于化石資源的依賴，弱化化石資源的能源屬性，謀求技術(shù)突破，強(qiáng)化化石資源的“材料屬性”，大力促進(jìn)化石資源的材料化。

4 結(jié) 論

在當(dāng)前發(fā)展模式下，物質(zhì)資源利用與碳排放具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)。低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型需要推動(dòng)物質(zhì)資源利用與碳排放逐步脫鉤，提升資源效率。但是，低碳轉(zhuǎn)型也有極大可能將拉動(dòng)諸如關(guān)鍵金屬和關(guān)鍵材料等大量資源需求，需要技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)對(duì)沖資源消耗反彈效應(yīng)?；瘜W(xué)工程為新能源發(fā)展提供不可或缺的技術(shù)和材料支撐體系，同時(shí)也應(yīng)探索為抵消這種反彈效應(yīng)提供創(chuàng)新性解決方案。低碳轉(zhuǎn)型時(shí)期化石資源的利用模式將逐步發(fā)生兩個(gè)巨大轉(zhuǎn)變，其一是能源系統(tǒng)的根本轉(zhuǎn)變，即能源系統(tǒng)的深度脫碳，化石資源從“能源”向“材料和資源”的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)很多流程工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響；其二是化石資源代謝模式的轉(zhuǎn)變，即化學(xué)工業(yè)由以化石資源為主體的“單一碳源”的資源利用模式向包含可再生、可循環(huán)碳源的“多元碳源”模式轉(zhuǎn)變。化學(xué)工程是研究物質(zhì)資源加工轉(zhuǎn)化利用的核心學(xué)科，面對(duì)低碳轉(zhuǎn)型帶來的資源利用模式轉(zhuǎn)換和碳排放剛性約束，廣大化學(xué)工程科研人員與化學(xué)工業(yè)從業(yè)者應(yīng)共同努力構(gòu)建化工碳中和技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系，通過重塑化工流程、碳材料流系統(tǒng)和新能源模式，為打破物質(zhì)資源利用與碳排放的強(qiáng)關(guān)聯(lián)發(fā)揮關(guān)鍵作用。