2022年9月7日，美国能源部（DOE）发布《工业脱碳路线图》^[1]，确定了减少美国制造业工业排放的4个关键途径及其研发和示范需求，针对5个碳密集型重点行业（钢铁、化工、食品、炼油和水泥）提出了到2050年实现净零排放的关键要点以及研发和示范行动计划，并为研发示范资助和政府及行业行动提出了6项行动建议。根据该路线图，DOE在同日发布了10.5亿美元的资助公告以支持工业减排技术研发，重点关注6个领域：化工脱碳；钢铁脱碳；粮食和饮料产品脱碳；水泥和混凝土脱碳；造纸与林木产品脱碳；交叉领域脱碳技术。

1、工业脱碳的4个关键路径

（1）提高能效。该途径为短期脱碳解决方案的实施提供了最好的机遇，无需对工业过程进行重大改变，能够立即减少排放。关键目标包括：提高系统效率、工艺产量和热能回收；扩大能源管理；加大部署智能制造以降低能耗。

（2）工业电气化。制造业用能中超过50%用于热处理，而其中只有不到5%实现了电气化。工业电气化包括过程热电气化或过程用氢电气化，关键目标包括：提高现有电气技术或混合系统的能源效率；创新的电气系统或混合系统；克服在基于化石燃料的现有工艺系统中实施电气化技术的经济障碍和技术障碍。

（3）低碳燃料、原料和能源替代。该途径主要包括灵活燃料工艺、清洁氢燃料和原料、生物燃料和生物原料、核能、聚光太阳热能和地热能。

（4）碳捕集、利用和封存（CCUS）。前三个关键途径可先于CCUS部署，三者共可贡献约40%的目标碳减排。CCUS可作为实现长期减排的最有力途径，其重点在于提高效率、经济可行性和安全性，催化剂和工艺设计改进对于提高效率、降低成本和减少材料消耗或废物产量至关重要。

通过上述关键途径，到2050年可使5个重点行业的碳排放减少87%。要实现净零排放还需使用替代方法及负排放技术，主要包括：土地利用生态系统管理活动，如造林/再造林、使用生物炭、进行土壤碳管理等；结合碳捕集和封存的生物能源技术（BECCS）、从空气中捕集二氧化碳（直接空气碳捕集）等。

2、重要行业实现净零排放的研发与示范行动计划

路线图提出了钢铁、化工、食品、炼油和水泥等5个碳密集型行业到2050年实现净零排放的研发与示范行动计划。

（1）钢铁行业

短期（2020~2025年，下同）：支持资金成本相对较低的解决方案，如能效、能量管理和减少余热/余热回收解决方案；实现向低碳燃料和工艺热解决方案的转型，如再热炉和下游炉电气化、清洁氢用于工艺供热、生物燃料；继续推进CCUS与难以减排的来源整合。

中期（2025~2030年，下同）：探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、回收利用和翻新；投资低碳工艺改造路线，如熔融氧化物电解、扩大感应电炉规模、清洁氢直接还原铁电弧炉；扩展基础设施和整合能力及知识，尽可能以最高效率和最佳经济效益捕集难减碳源的二氧化碳；探索使用低碳、净零碳或负碳方法生产碳还原剂的创新途径，例如使用清洁电力共电解二氧化碳和水生成合成气用于直接还原铁。

长期（2030~2050年，下同）：推进模块化制造方法，扩大市场规模和占比；降低变革性炼钢方法的技术和经济挑战，加快开发进度；开发在现场或附近设施利用废气（氢气、一氧化碳、二氧化碳等）的其他途径，提高气体分离效率，显著降低其能源和资源需求，降低部署门槛。

（2）化工行业

短期：推动低成本解决方案的研发与验证，如能源/材料/系统效率、分离和干燥技术创新、传热效率、高碳能源向低碳能源转换、智能制造、低温工艺电气化；推进工艺用热脱碳，低温推进到中温，在适当的情况下以高温过程热为目标；研究行业如何与合作伙伴一同更有效地利用波动性能源和储能，开发和部署路线，实施能源转换和混合能源解决方案；开发更有效的制氢电解槽、化学过程、新型能量传输、创新分离技术；在有利的地点（如产业集群）进行试验，降低应用门槛；研究工艺整合，降低CCUS实施成本；推进低碳解决方案有效性、生命周期评估、系统效率和其他分析相关数据的存储、编目和可达性，以支持评估技术在减少能源使用、温室气体排放和产品碳含量方面的有效性；进行碳基化学品的生物制造，使用生物催化剂以显著减少工艺用热需求，并开发多种化学转化的集成工艺以减少反应容器；使用生物质和废物原料生产碳基化学品，降低石油投入，生产净排放或负排放化学品。

中期：支持使用低碳氢（如电解）生产氨、甲醇和塑料的研发与示范；支持利用电气化和低碳能源进行工艺和原料改造以及二氧化碳利用技术的研发与示范；启动示范与投资，支持变革性工艺技术，如复合膜；开发通过氢燃烧提供高温过程热的技术；研究快速扩大变革性技术规模的改进途径；支持研发与验证，持续推动提高工艺能源效率、消除浪费并降低产品碳含量；开发新型途径和反应器设计，扩展能够利用生物途径生产化学品的种类。

长期：支持研发与示范，发现能够实现变革性化学工艺的基础科学；研究变革性技术的连接策略，以便与未来的基础设施无缝连接；预测前体、原料和材料的市场可用性；加深对快速扩展技术关键因素的理解，在其他方案不可行的情况下提高改进效率；研究具有性能优势的生物产品，其性能优于石油基产品，可减少材料总用量，大幅减少温室气体排放；开发更高效和强化的生物制造工艺设计，包括无细胞生物制品生产，实现连续生物化学生产工艺。

（3）食品饮料行业

短期：如有可能，开发电热烘箱、炸炉、锅炉等其他技术，尤其是在电价下降时；通过生命周期评估确定的方法和制造商之间的合作，减少整个供应链中食品浪费，如废物流再利用、源头减量、供应链可见性、加工和包装的改进等；投资智能制造战略，如系统优化、热系统整合和制冷优化；支持将低碳燃料和生物燃料用于食品制造原料的研发与示范，以减少排放；研发和示范将二氧化碳作为原料的技术，减少燃料燃烧和发酵过程中的排放，进一步挖掘CCUS的应用潜力。

中期：研发并示范更好地共享和存储低品位余热的方式，加强废物流再利用，包括废热；增强研发和示范自动化和模块化技术；增强对热泵的研发与示范，以回收和供应食品饮料制造过程中的工艺用热；通过替代包装和减少塑料废物等方法，促进回收和材料效率；推进对深冷分离、防结冰先进涂层、高级酶、低产乙醇酵母等潜在变革性技术的研发与示范；支持研发和示范可再生天然气、利用核能生产合成天然气以及将清洁氢用于中温工艺热。

长期：开发将清洁氢用于食品制造过程的技术；加深对快速推进变革性技术所需条件的理解；大规模整合新工艺、新燃料和新技术。

（4）炼油行业

短期：推动低成本解决方案的研发与验证，如能源/材料/系统效率、蒸馏和分离技术创新、传热效率、高碳能源向低碳能源转换、低温过程热电气化；通过进一步开发供应链数据、支持技术研发和示范部署、开发温室气体核算机制以提高低碳解决方案和供应链系统效率等方式，推进采用低温室气体排放的替代燃料；研发和示范吸附剂、氧化脱硫和电化学脱硫，以推进零氢脱硫工艺；将无组织甲烷排放量降至近零水平；研究行业如何与合作伙伴一同更有效地利用波动性能源和储能，开发和部署路线，实施能源转换和混合能源解决方案；开发开发更有效的制氢电解槽、化学过程、新型能量传输、创新分离技术；在有利的地点（如产业集群）进行试验，降低应用门槛；开发热集成技术，降低CCUS实施成本。

中期：支持研发和示范电气化和低碳能源技术，以实现工艺和原料转化；支持研发和示范可再生能源和核能制氢工艺，以及用于液体燃料原料的碳捕集技术；开发使用氢燃烧提供高温工艺热的技术；研究快速扩展变革性技术的改进路线；支持研发和示范提高工艺能源效率、消除浪费和降低产品碳含量的技术。

长期：支持研发与示范，以实现到2050年用新的低碳方式生产液态烃燃料、润滑剂和其他炼油产品，从而实现炼油行业转型，如：以高能效和高成本效益的方式将二氧化碳还原为可行的原料，以转化为符合现有基础设施和最终产品用途的烃类燃料和产品；应用先进核反应堆产生的高品位热能；研究与未来基础设施相符的变革性技术的连接策略，包括现有碳氢化合物管道、未来二氧化碳管道、脱碳电网和清洁氢的可用性；预测前体、原料和材料的市场可用性；加深对快速扩展技术关键因素的理解，在其他方案不可行的情况下提高效率。

（5）水泥行业

短期：支持利用低成本解决方案，如能效、能量管理和减少余热或余热回收技术；实现向低碳燃料和工艺热的转型，如使用清洁氢、生物燃料；继续推进在难减排碳源整合CCUS技术，如在水泥厂进行燃烧后碳捕集的试点。

中期：探索继续提高材料效率和灵活性的途径，包括再利用、回收利用和翻新；投资低碳工艺改造和路线，如预热煅烧炉电气化、太阳能或核能供热，以及大规模使用氢作为燃料；扩大基础设施、集成能力和知识，以尽可能捕集、运输和再利用二氧化碳。

长期：开发减少浪费的方法，包括混凝土施工中使用循环经济方法、开发低碳胶结材料和天然辅助胶凝材料；干燥装置全面电气化，使用100%清洁能源，或大规模使用清洁氢作为替代燃料；开发利用二氧化碳的其他途径，包括全面部署新型碳捕集技术。         （岳芳 裴惠娟）