化工行業(yè)作為全球工業(yè)的能源巨頭，對(duì)石油、天然氣和煤炭的依賴(lài)根深蒂固。然而，在直接二氧化碳排放方面，化工行業(yè)排名第三。主要原因?yàn)榛ば袠I(yè)將近一半的能源消耗用于煉制氫氣和碳基原料，另一半則用于工藝能耗。盡管其排放物直接進(jìn)入大氣層，但化石燃料中的碳元素則以隱含形式存在化工行業(yè)的最終產(chǎn)品之中。
為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，化工行業(yè)需采取一系列關(guān)鍵措施，才可踏上脫碳之路：利用可再生能源、提升電氣化水平、采納碳捕捉與封存技術(shù)等措施將是轉(zhuǎn)型過(guò)程中的關(guān)鍵抓手。然而，為了邁向更環(huán)保的生產(chǎn)模式，化工行業(yè)還需追溯隱含碳排放的來(lái)源，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的黃金價(jià)值鏈，同時(shí)破解技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施的重重壁壘。羅蘭貝格憑借在商業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的深厚經(jīng)驗(yàn)，致力于助力市場(chǎng)參與者在保持競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型。
化工行業(yè)每年將約4.5億噸化石碳原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，該數(shù)字隨著塑料等化工產(chǎn)品的市場(chǎng)需求激增，預(yù)計(jì)到2030年將躍升至5.9億噸。盡管行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始擁抱可持續(xù)發(fā)展的理念，但按照目前發(fā)展速度，預(yù)計(jì)到2030年，僅有22%的碳原料為可持續(xù)的來(lái)源。顯而易見(jiàn)，我們需要加快行動(dòng)步伐。
在本文中，我們將深入探索三種最具潛力的循環(huán)化工原料解決方案：包括循環(huán)利用、生物質(zhì)材料以及碳捕捉與利用（CCU）。每種方案都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，我們將逐一剖析它們的潛力與實(shí)施中的難點(diǎn)。
圖一：化工行業(yè)的碳原料需求與供應(yīng)[百萬(wàn)噸碳]
一、循環(huán)利用：化工行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型基石
在本文探討的循環(huán)化工原料解決方案中，循環(huán)利用方案以其領(lǐng)先的技術(shù)成熟度處于領(lǐng)先地位。工業(yè)和市政固體廢物中蘊(yùn)藏著豐富的碳資源，碳含量高達(dá)87%，總量約1,500百萬(wàn)噸。然而，在廢物的海洋中，真正被有效利用的只是冰山一角，近三分之二的廢物因處理不當(dāng)而流失，僅有13%的固體廢物得以回收再利用。
目前，塑料是回收材料的主要來(lái)源，從其他來(lái)源提取碳的技術(shù)仍然稀缺。機(jī)械回收以其溫和的工藝溫度（150-300°C）和卓越的能源效率，成為回收工藝的核心。其他方法如熱解（無(wú)氧加熱）、氣化（高溫部分氧化）和解聚（分解成單體）等，則需在更高的溫度（500°C至1,200°C）下進(jìn)行。
要使循環(huán)利用在化工行業(yè)的循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用，首要任務(wù)是提升原料廢物的質(zhì)量。機(jī)械和化學(xué)回收過(guò)程對(duì)原料廢物質(zhì)量極為挑剔，而干凈、分類(lèi)良好的原料廢物卻難以輕易獲得。
盡管廢物收集和分類(lèi)系統(tǒng)已有所進(jìn)步，但放眼全球，尤其是在歐洲以外的廣袤地區(qū)，廢物管理基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)仍顯不足。如果化工行業(yè)要減少對(duì)化石原料的依賴(lài)，預(yù)計(jì)到2030年，對(duì)塑料廢物作為可持續(xù)原料的需求將飆升至約210百萬(wàn)噸；而根據(jù)當(dāng)前的預(yù)測(cè)，回收商只能滿(mǎn)足這一需求的一半，將成為嚴(yán)重的供應(yīng)瓶頸。這其中，經(jīng)濟(jì)因素是主要的限制，包括廢物運(yùn)輸成本高、廢物管理行業(yè)的利潤(rùn)率普遍較低、小公司和初創(chuàng)企業(yè)主導(dǎo)市場(chǎng)、缺乏市場(chǎng)擴(kuò)張能力等。
另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是，低質(zhì)量原料廢物會(huì)損壞回收設(shè)備，并且機(jī)械回收會(huì)降低所生產(chǎn)原材料的質(zhì)量，而化學(xué)回收卻能夠生產(chǎn)出與原生質(zhì)量不相上下的塑料，為實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了新的可能。
為了改善這一現(xiàn)狀，我們建議化工行業(yè)的主要企業(yè)與廢物收集和分類(lèi)公司建立更緊密的合作關(guān)系，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的循環(huán)價(jià)值鏈需求。
圖二：循環(huán)價(jià)值鏈上供應(yīng)與需求量失衡
二、生物質(zhì)：化工行業(yè)的綠色能源之光
生物質(zhì)作為大自然的饋贈(zèng)，以其有機(jī)、可再生的特性，為化工行業(yè)帶來(lái)了從農(nóng)作物、污水到農(nóng)業(yè)廢棄物等多種碳源。目前，生物基碳源中超過(guò)四分之三為C2化合物，其中99%為生物乙醇。聚乳酸（PLA）是一種由發(fā)酵甘蔗或玉米淀粉制成的可降解聚合物，但目前在化工行業(yè)的生物基碳中僅占1%。
盡管生物基化學(xué)品為我們提供了一種更清潔的選擇，但其發(fā)展之路仍面臨各種挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的沉淀與創(chuàng)新，生物質(zhì)技術(shù)已發(fā)展出三代技術(shù)，每一代都承載著不同的使命與挑戰(zhàn)。
各代生物質(zhì)特點(diǎn)
第一代以玉米、大豆和甘蔗等可食用作物為原料，非常成熟，其主要缺點(diǎn)在于與食品生產(chǎn)爭(zhēng)奪土地資源，從而引發(fā)了資源沖突的隱憂(yōu)。第二代生物質(zhì)技術(shù)利用纖維素原料，主要來(lái)自非食用作物和農(nóng)業(yè)及林業(yè)廢棄物。雖然商業(yè)成熟度不及第一代，但部分大宗化學(xué)品的技術(shù)已相對(duì)成熟。以藻類(lèi)為原料，第三代生物質(zhì)技術(shù)具有不與食物供應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)、對(duì)土地資源需求相對(duì)較低的特點(diǎn)，產(chǎn)量潛力巨大，但目前技術(shù)仍處于早期階段。
為了使生物質(zhì)在化工行業(yè)中成為更廣泛可行的解決方案，必須加快第二代甚至第三代技術(shù)的發(fā)展。綠色金融政策可以激發(fā)私有部門(mén)的投資熱情，同時(shí)政府的激勵(lì)措施對(duì)于支持進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用至關(guān)重要。
圖三：快速替代機(jī)會(huì)概覽：生物質(zhì)
三、碳捕捉與利用（CCU）：化工行業(yè)的綠色革命
全球二氧化碳的排放量如同一座未被發(fā)掘的富礦，為化工行業(yè)提供了取之不盡的潛在原料。事實(shí)上，這一排放量是2030年全球化工行業(yè)預(yù)期碳需求的16倍。CCU技術(shù)作為工業(yè)領(lǐng)域的“煉金術(shù)”，能夠在電力、水泥、鋼鐵和化工等多個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)二氧化碳的捕捉與再利用，將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、建筑材料（如碳酸鹽）或合成燃料。
盡管CCU技術(shù)擁有改變游戲規(guī)則的潛力，預(yù)計(jì)到2030年，僅有0.003%的二氧化碳將被有效利用。高成本和不成熟的技術(shù)使得CCU技術(shù)的商業(yè)化之路仍處于初步階段，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。目前，僅有少數(shù)幾個(gè)大型碳捕捉工廠(chǎng)（每年超過(guò)10萬(wàn)噸二氧化碳）在運(yùn)營(yíng)，主要用于生產(chǎn)燃料、化學(xué)品和提高產(chǎn)量。
二氧化碳的來(lái)源對(duì)CCU技術(shù)的成本有著決定性的影響。部分工業(yè)過(guò)程，如氨或氫的生產(chǎn)，排放的二氧化碳濃度較高，接近純凈狀態(tài)；而大多數(shù)工業(yè)過(guò)程排放的二氧化碳濃度僅約20%，使得碳捕捉成本變得昂貴。與此相比，直接從大氣中捕捉二氧化碳的成本最高，因?yàn)榇髿庵械亩趸紳舛绕骄鶅H為0.04%，這無(wú)疑是一場(chǎng)對(duì)成本和效率的雙重挑戰(zhàn)。
為了使基于二氧化碳的產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上與化石燃料產(chǎn)品相抗衡，需要在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)顯著的飛躍。目前，CCU產(chǎn)品的成本依然顯著高于化石燃料產(chǎn)品。例如，一噸基于CCU技術(shù)的乙烯成本在2,100至2,200美元之間，而基于化石燃料的乙烯成本僅為500至900美元，且已經(jīng)包括100至300美元的碳稅。
圖四：二氧化碳來(lái)源及捕捉成本
CCU解決方案的技術(shù)成熟度（TRL）因工藝和最終產(chǎn)品而異。例如，冰島某機(jī)構(gòu)的二氧化碳催化加氫制甲醇試驗(yàn)工廠(chǎng)已接近商業(yè)化，而其他工藝仍處于TRL 1-3階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有15-20年。值得注意的是，許多需要二氧化碳催化加氫的CCU過(guò)程還需要成本可控的可持續(xù)能源和大量綠色氫氣。
一般而言，產(chǎn)品越復(fù)雜，技術(shù)成熟度越低。即使是相對(duì)基礎(chǔ)的化學(xué)品，如甲醛和乙酸，其技術(shù)成熟度仍在TRL 1-3階段，這表明CCU作為化工行業(yè)解決方案仍處于初期階段。
圖五：CCU -技術(shù)成熟度時(shí)間線(xiàn)
四、化工行業(yè)：揚(yáng)帆遠(yuǎn)航，駛向可持續(xù)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新紀(jì)元
作為推動(dòng)可持續(xù)碳原料供應(yīng)的中堅(jiān)力量，化工行業(yè)正處于推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的前沿。然而，實(shí)現(xiàn)這一經(jīng)濟(jì)模式的宏偉藍(lán)圖絕非一蹴而就。循環(huán)利用、生物質(zhì)和CCU這三大解決方案，猶如三座需要攀登的高峰，各自面臨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
為加速進(jìn)展，我們建議化工企業(yè)采取以下措施：
1. 循環(huán)利用：加強(qiáng)與廢物管理公司的合作，確保獲得更多高質(zhì)量、精細(xì)分類(lèi)的廢物，為循環(huán)原料的生產(chǎn)提供源源不斷的動(dòng)力。同時(shí)，開(kāi)發(fā)或引入對(duì)原料廢物容忍度更高的技術(shù)，簡(jiǎn)化廢物供給的復(fù)雜性。高質(zhì)量的原料和穩(wěn)定的輸出質(zhì)量將有效降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，有利于設(shè)備長(zhǎng)青；
2. 生物質(zhì)：深耕第二代生物質(zhì)技術(shù)的沃土，不斷拓展其應(yīng)用邊界，使第二代生物質(zhì)技術(shù)的潛能不再局限于乙醇。與此同時(shí)，應(yīng)把目光投向長(zhǎng)遠(yuǎn)未來(lái)，充分支持第三代生物質(zhì)技術(shù)的孕育及發(fā)展；
3. CCU：致力于開(kāi)發(fā)更高效的技術(shù)，確保獲得低成本的可持續(xù)能源和綠色氫氣。推動(dòng)監(jiān)管環(huán)境的變化，引領(lǐng)政策環(huán)境的變革之風(fēng)，提升CCU產(chǎn)品在市場(chǎng)上與化石燃料產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
