赞誉
零碳工业
作为中国能源转型的参与者，我深知工业转型的艰巨性。《零碳工业：实现可持续繁荣的变革性技术和政策》展现的清洁技术路线图和政策工具箱，让我欣喜地看到本书既未陷入技术决定论的盲目乐观，也未止步于政策分析的抽象推演，而是构建了“技术可行性—经济合理性—制度适配性—社会可接受性”的四维分析框架。期待本书能为从事工业转型的政产学研各界人士在技术路线选择、政策工具创新、商业模式重构等方面提供重要参考。
—黄 震，中国工程院院士，上海交通大学碳中和发展研究院创始院长
在全球气候变化的严峻挑战下，人类社会正处于关键的历史转折点。工业作为经济发展的重要支柱，同时也是碳排放的主要来源之一，其向零碳转型的紧迫性不言而喻。杰弗里先生的《零碳工业：实现可持续繁荣的变革性技术和政策》一书，恰逢其时地为我们在这一复杂而关键的领域中指明了方向，提供了深刻且全面的洞察，对全球工业的零碳转型，尤其是对中国工业迈向零碳化具有极为重要的借鉴价值。
—戴彦德，中国能源研究会能源经济专业委员会主任，国家发展改革委能源研究所原所长
当听到“气候变化”这个词时，你的脑中是否立刻浮现了发电厂的烟囱和化石燃料管道？这本书让我大开眼界，也将改变你的认知——工业部门的温室气体排放量竟然占全球总排放量的三分之一。我们该怎么办呢？请阅读这本书。瑞斯曼探讨了新技术、新工艺和新政策，这些措施的持续研发投入，有望将目前生成了绝大部分排放的少数几个产业，转变为未来经济的引擎。
—吉娜・麦卡锡（Gina McCarthy），前美国白宫首席国家气候政策顾问、前美国环保署署长
厌倦了那些令人沮丧的气候预测吗？不妨读读杰弗里・瑞斯曼的这本书。他清晰地讲述了所有主要的温室气体排放来源——从过程、产品、技术到行业，并描述了如何对每个环节进行转型。瑞斯曼从科学、技术、经济和政策等多个维度展示了解决之道，在细微处点亮希望。
—拉什・D. 霍尔特（Rush D. Holt），前美国国会议员，美国科学促进会名誉首席执行官
杰弗里・瑞斯曼直面气候目标中最艰巨的挑战：彻底消除工业过程中对化石燃料的依赖。这个产生了全球三分之一温室气体排放的领域正在迅速变成创新先锋。本书以严谨的研究和优雅的文笔，描绘了实现这一目标的精彩、实用、循序渐进的路径。
—保罗・霍肯（Paul Hawken），再生计划（Project Regeneration）公司执行董事，著有《逆转全球变暖》（Drawdown: The Most Comprehensive Plan Ever Proposed to Reverse Global Warming）
实现工业脱碳是气候行动中最后、最艰难且关键的一步。它是个可解的问题，而瑞斯曼就是那个合适的引路人，引导我们了解各种可行的选项和路径。这本书视野宏大、表达清晰、分析严谨、细节丰富、立意积极，为我们描绘了实现目标的蓝图。
—迈克尔・E. 韦伯（Michael E. Webber），美国得克萨斯大学奥斯汀分校教授，前法国电力集团（Engie SA）首席科技官，著有《能量之旅》（Power Trip: The Story of Energy）
清洁工业路线图
本书系统探讨了工业部门通往零碳未来的多种可持续、稳健并具经济可行性的转型路径。
本书介绍了三个能源和排放密集行业，但讨论的减碳技术和政策适用于整个工业部门，而不仅仅是这三个行业。
行业
技术
政策
行业
技术
政策
章节要点
请看《零碳工业》中的核心要点，以及其所涵盖主题的深度与广度。
导言 什么是零碳工业
钢铁、化工和非金属矿物（主要是水泥）这三个排放量最大的行业，占全球工业总排放量的 59%。
在减少交通、建筑和发电领域温室气体排放方面，全球已取得显著进展，但工业领域的清洁转型仍相对滞后。工业部门排放的温室气体占全球总排放量的三分之一，其中包括工业用电和蒸汽带来的间接排放。因此，以高效且低成本的方式减少工业排放，对于实现气候目标至关重要。幸运的是，在明智政策的支持下，一系列令人振奋的技术，包括能源与材料效率提升、直接电气化、绿色氢能及碳捕集与封存（CCS），可以将工业排放降至零，同时创造就业机会，促进公平与人类福祉。这一转型不仅将带来持久的经济竞争力，还将保障宜居气候的未来，并为子孙后代奠定持续繁荣的基础。
2019 年按行业和排放类型划分的全球温室气体排放量
因外购电力或热能（如蒸汽）所产生的排放归入使用该能源的采购方。在本书中，工业部门包括所有制造业和建筑业活动。运输过程中因原材料或成品流动所产生的排放计入运输部门，而非工业部门。工业部门不包括农业生产相关排放，也不涵盖与废弃物管理（如垃圾填埋场和污水处理厂）相关的排放。此外，本书所指工业排放亦不包括逃逸性排放（如甲烷泄漏），这些排放主要来自油井和天然气输送网络。
钢铁
炼钢约占全球能源使用量的 8%。
本章探讨了使用高炉-转炉工艺（BF-BOF）从铁矿石中炼制初级钢的过程，以及使用电弧炉（EAF）炼制再生钢这一温室气体排放较低的替代路径。多项有望改变炼钢工艺的创新技术正加速发展，包括基于氢的直接还原铁（H2-DRI）、铁矿石水电解以及熔融氧化物电解（MOE）等前沿工艺。
炼铁与炼钢的工艺流程与物质流
仅展示了四种主要炉型的能源和熔剂输入情况。括号中黄色标注的百分比表示 2019 年通过各类技术路线生产的铁或钢所占比例。
化工
化工行业所使用的化石燃料中，约 70% 作为原料被转化为产品的一部分，其余 30% 作为能源燃烧。
本章概述了化工行业的总体情况，包括主要化工产品（如氨和乙烯）及其最终用途（如化肥、塑料等）。化工生产既使用化石燃料作为能源，也将其作为原料，经化学转化后成为最终产品的一部分。具有前景的新兴化工生产技术包括改良催化剂与烃类催化裂化、零碳氢、替代化学路径以及生物制造等方案。本章还探讨了化工行业中非二氧化碳温室气体排放的减排解决方案，主要涉及氟化气体与一氧化二氮（N2O）的控制。
2018 年美国化工行业的非原料能源使用情况
图中按化工产品类别（左）和化工设施内部的最终用途（右）列示能源使用情况。其中，“氨和化肥”包括所有氨及其相关化学品（如尿素、硝酸）的生产，即使该产出不用于化肥用途也包含在内。
水泥和混凝土
水泥在投入使用后，会在一个被称为碳化的过程中逐渐吸收大气中的二氧化碳。几十年来，水泥已吸收其生产过程中产生的大约一半与能源无关的二氧化碳排放。
水泥和混凝土是全球使用量最大的人工材料，约占全球二氧化碳排放总量的 7%。水泥生产依赖高能耗、高温的预分解炉和回转窑，目前主要通过燃烧化石燃料加热。同时，在石灰石分解为熟料（即水泥的主要成分）的过程中，也会产生大量二氧化碳排放。实现水泥生产脱碳的解决方案包括：提高能源使用效率、采用等离子体火炬等方式进行电加热、使用低温工艺并减少非能源相关二氧化碳排放的替代水泥化学品、更高效地使用水泥和混凝土，以及与碳捕集技术的集成应用。
2014 年全球混凝土、水泥和熟料的平均成分
混凝土的成分比例按体积计算，水泥和熟料的成分比例则按质量计算。在水泥中，“8% 的石灰石”指的是未经煅烧的石灰石，而“66% 的熟料”则主要来源于煅烧石灰石，相关内容将在本章后续进一步介绍。
提高能效
从 2018 年到 2040 年，基于节能（而非温室气体减排）考量的成本效益型能效措施可使全球工业能源强度降低 44%。
本章探讨了通过优化工业生产系统来大幅降低能源消耗的潜力，涵盖范围包括单个设备、生产过程各环节之间的能源与物料流动，以及业务运营与产品设计方面的决策。关键技术包括：热能回收、高效蒸汽系统、根据预期负荷优化设备尺寸配置，以及使设备能够智能响应不同负荷的设计。部分非热能技术也可显著降低能源需求，例如膜分离技术用于流体处理，以及将太阳能热能用于驱动工业流程。尽管许多高能效技术具有良好的成本效益，但它们并不总是得到实际部署。本章还分析了企业在投资这些技术方面的障碍，并重点介绍了可用于激励相关投资的政策与机制。
全球工业能源强度的年度变化趋势
最终能源强度的变化，一方面源于技术层面能源效率的提升，另一方面则反映了全球经济结构的转变，也就是说，能源强度较低的行业在工业总产出（按收入计算）中所占的比重不断上升。
材料效率、材料替代和循环经济
通过回收材料代替新材料生产，可使纸张的生命周期温室气体排放减少 35%–40%，玻璃和塑料减少 45%–55%，金属减少 50%–85%。
本章介绍了在不影响产品或服务质量的前提下，减少对碳密集型原生材料需求的策略，主要包括材料效率提升、材料替代和循环经济路径。“材料效率”涉及多种技术手段，如材料精准应用、人工智能辅助设计以及数字化工具，以减少材料用量。“材料替代”指采用木材、生物塑料等低碳材料来替代钢铁、混凝土和传统塑料等高碳材料。“循环经济”旨在使产品和材料在其生命周期各阶段都得到最优利用，例如通过延长产品使用寿命、提升可维修性、重复使用部件、回收原材料，以及引入产品共享系统以充分发挥现有资源价值。
循环经济中的物质流示意图
循环经济的核心在于使产品在其生命周期的各个阶段都得到最优利用。
电气化
波茨坦气候影响研究所发现，现有商业化技术可将欧洲 78% 的非原料工业能源需求实现电气化。
以清洁电力替代化石燃料燃烧，是减少工业排放的关键技术，尤其适用于为蒸汽生产、金属熔化和化学反应等工业过程提供热能支持。包括电阻加热、感应加热、电弧加热、电介质加热以及激光等在内的多种电加热技术，能够有效满足多样化的工业热需求。电力不仅可以实现精确加热，如激光烧结、电弧焊接等，也可以实现非热形式的加热替代，如紫外辐射和电解等方式。尽管电力的单位能耗成本通常高于化石燃料，但其在效率方面的显著优势，往往能够显著降低甚至抵消化石燃料原有的成本优势。
2018 年美国各行业化石燃料与电力使用情况
“机器驱动”包括泵、传送带、风机、机器人以及生产过程中其他移动部件。“其他工艺”指电化学过程及其他杂项工艺。“非工艺用途”则涵盖供暖、制冷、为员工提供舒适环境的照明系统，以及在工业场地内使用车辆运输物品等活动。该图表未包含燃料类型和最终用途未明确报告的能源使用情况，包括生物质、废弃物，以及从外部供应商（如区域供热系统）购买的蒸汽等。
氢和其他可再生燃料
2018 年，专用生产设施共生产了 690 万吨氢气，另有 480 万吨氢气由高炉、蒸汽裂解炉和其他工业设备的副产品产生。约 85% 的氢气在生产地即被消耗。
某些化学原料及其他工业投入尚无法实现直接电气化，因此，要实现这部分应用的脱碳，使用氢气及其他可再生燃料至关重要。本章探讨了零碳氢的生产路径，包括电解法与甲烷热解法，以及将纯氢转化为与现有工业设备兼容的替代燃料（如甲烷或氨）的方法，这些转换过程能量损失较小。此外，本章还讨论了在工业场景下使用生物能源所面临的挑战与机遇。
2020 年可再生能源生产成本
平准化电力成本基于 2020 年建成的公用事业规模项目数据。沼气的平均成本反映的是农场用厌氧消化器或城市污水处理厂集中处理系统的典型水平。本图展示的是固体生物质发电成本（而非固体生物质燃料如木质颗粒的成本），原因在于燃料成本通常只占通过生物质燃烧提供能源服务总成本的一半以下。而在热电联产系统中，生物质燃烧所产生的热量通常与电力联合生产。
碳捕集、利用与封存
若要将二氧化碳封存于专用地质储层中，储层必须足够深，以使二氧化碳在压力作用下保持液态（通常需超过 800 米），并且上覆有一层不透水盖层，以防止其向上迁移。
在无法完全避免工业二氧化碳排放的情形下，剩余碳排放可通过捕集后储存在地下或用于生产新产品加以利用。碳捕集（Carbon Capture）作为石油和天然气行业的成熟技术，亦可推广至其他多个工业领域。本章介绍了多种现有或新兴的工业碳捕集技术，包括化学吸附、富氧燃烧等；同时涵盖碳储存与碳利用路径，并探讨最适合部署碳捕集技术的行业类型。
2020 年全球二氧化碳（CO2）的来源与利用
图中所有数值均以百万吨二氧化碳表示。由于四舍五入，排放来源与利用总量之间可能存在轻微不一致。计算假设碳捕集转用于专用封存项目与用于强化石油采收（EOR）项目的产能系数相同（87%，不包括未运行的设施）。
碳定价和其他经济政策
碳价收入可用于支持减少工业温室气体排放的项目，包括研发资金投入、能效升级、示范项目的成本分担，以及为绿色银行注资等。
政策制定者可以运用多种金融政策工具来加速向清洁工业的转型。碳定价便是其中之一，它不仅能够激励可持续、现代化设备的创新，还能减少市场中的“污染者优势”所带来的扭曲，因为污染者通常无需为其环境破坏行为承担应有的成本。本章探讨了碳定价体系的多个关键方面：何时应采用碳定价；碳税、总量控制与交易体系、碳抵消机制的设计；配额银行制度；跨辖区的碳价协调机制；以及如何防止“碳泄漏”——即生产活动向碳定价较弱或未实施碳定价的地区转移。本章还介绍了其他金融政策工具的应用，包括绿色银行和绿色贷款机制，补贴和税收减免，以及设备激励、回扣和费用豁免等措施。
2021 年全球碳定价体系的特点
不包括未提供数据的碳定价体系（例如 2021 年启动的中国全国碳排放交易体系）。部分辖区对不同行业、燃料或温室气体设有不同费率，此处展示的是最高费率。RGGI = 区域温室气体倡议
标准与政府绿色采购
标准必须与时俱进，以推动持续改进。建立一个明确规定未来何时以及如何收紧标准的公式，有助于提高政策透明度，并防止其遭受干扰或陷入停滞。
为单个工业设备或整个设施的能源消耗及温室气体排放设定性能基准的标准，是碳定价的重要补充，有助于克服非价格壁垒并促进技术创新。本章探讨了精心设计的标准的各个方面，包括广泛的市场覆盖、以较低成本达标的机会，以及标准随着时间推移自动收紧的机制。政府绿色公共采购（Green Public Procurement，简称 GPP）计划规定了产品必须达到的排放标准，方可被政府采购或资助。作为钢铁、水泥等多种工业基础设施产品的主要采购方，政府的 GPP 计划能够为绿色生产技术创造一个庞大且利润丰厚的先行市场，从而激励规模化生产并降低成本。
2017 年覆盖特定产品和服务的国家级 GPP 计划比例
涵盖的产品法规可能涉及产品制造过程中的排放控制（如建筑材料），也可能管理产品使用阶段的排放（如车辆、电器），还可能强调可持续采集或回收成分的要求（如办公用纸、食品及餐饮用品）。“建筑设计”和“基础设施设计”涵盖影响使用性能和施工影响的工程设计要素；“建筑设备”包括空间供暖、空调、照明和热水系统；“电器”则指烤箱、洗碗机、洗衣机等家用电器。
研发、信息披露及产品标识、循环经济政策
20 世纪 70 年代，在政府项目支持和后来的国家可再生能源实验室（NREL）建立的推动下，美国成为太阳能光伏（PV）研究领域的领导者。
本章探讨了政府政策促进工业脱碳的其他途径。长期以来，政策一直是推动变革性新技术研发和广泛应用的重要动力。主要措施包括支持和指导国家实验室及公私研究合作伙伴，提供赠款和合同研究资金，并通过高质量的教育和移民计划，确保企业和实验室能够获得所需的科学人才。排放审计要求有助于企业识别减排潜力。公开披露和绿色标签制度则强化了标准，鼓励消费者选择可持续产品。循环经济相关政策，如维修权法案，促使企业关注产品生命周期管理和可持续性。
2019 年美国政府按研究类型及执行机构分配的研发资金
数据涵盖联邦及州政府提供的资金支持。
公平与人类发展
2019–2020 年间，国际公共气候融资年均总额为 2270 亿美元，但其中仅 90 亿美元（约占 4%）用于工业部门，是所有部门中占比最低的。
本章探讨了政策制定者如何确保向可持续清洁工业的转型过程中促进全球公平与人类发展。中低收入国家（LMICs）有机会跨越落后的高污染技术，直接发展清洁、现代且高效的工业体系。这需要负担得起的技术许可，以及对中低收入国家企业和基础设施的大规模投资。明智的政策有助于保障所有社区的繁荣，包括保护公众健康，确保清洁工业带来的经济利益直接惠及当地社区成员，最大限度地减少弱势群体的就业流失，并通过吸引和支持新的就业机会，缓解潜在的岗位减少。政策在支出方面的设计应力求实现平衡，促进经济稳定与增长，同时最大限度降低失业率和通胀压力。
2021 年全球收入与财富不平等状况
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