我们知道如何使用可再生燃料使能源生产脱碳，以及使用电动汽车进行陆路运输。正在制定绿化航运和飞机的蓝图。但是大型工业流程呢?它们看起来将成为脱碳的阻碍——如果我们要在本世纪中叶实现净零排放，我们必须消除的最后也是最难的二氧化碳排放量。特别是，我们如何绿色化三大全球重要的重工业：钢铁、水泥和氨，它们总共排放了约五分之一的人为二氧化碳?
我们的现代城市环境主要由混凝土(由水泥制成)和钢材构成。我们的大部分食物都是通过使用由氨制成的肥料种植的。这些最普遍的工业材料是以巨大的能源和二氧化碳排放为代价的。
一个多世纪以来，他们沉稳的工业在很大程度上保持不变的制造工艺中蓬勃发展。但生产绿色氨、钢铁和水泥的迫切需求开始动摇它们。研究正在为化学过程的根本变化提供新的选择。最近几周，领先企业宣布了这三个紧缩行业中的每一个的重大举措。
两种新兴技术正在宣传自己是解决问题行业脱碳的“解决方案”。一种是碳捕获和封存 (CCS)，旨在捕获二氧化碳排放物并将其掩埋在旧油田或盐矿等地质结构中。另一种是“绿色氢”，通过使用可再生能源分解水制成。有些人将绿色氢视为未来的梦想燃料，为从飞机和发电站到家庭和重工业的一切事物提供动力。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆 (Jennifer Granholm)在 6 月份表示，“清洁氢能改变游戏规则”，因为它“将有助于高污染重工业和工业部门的脱碳”。
但是这两种技术都面临技术批评和炒作的指责。CCS 被指责更多地是为了延长化石燃料行业的未来，而不是为世界经济脱碳。即使是本质上是可再生能源输送机的绿色氢，对于可直接使用可再生能源的应用(例如插入电动汽车)来说似乎也毫无意义。
然而，行业分析师表示，每个人都可能在某些行业中发挥作用。“初级钢铁和氨生产是绿色氢的明智切入点，”波茨坦气候影响研究所的 Falko Ueckerdt 告诉耶鲁环境 360。例如，氢气在为高温工业过程提供燃料方面非常有效，因此对于目前需要化石燃料作为过程的一部分(钢铁)、已经使用氢气(肥料)或需要高温氢气擅长生产(水泥)。
让我们以这些行业中的每一个为例。他们需要什么来脱碳?
目前，钢铁制造占人为二氧化碳排放量的11%。大多数生产开始于在高炉中燃烧煤和铁矿石。煤产生热量，但它是熔炉中化学过程的一部分。它从矿石中去除氧气以制造纯铁，称为生铁，在电弧炉中将其变成钢。但是废品——煤中的碳与矿石中的氧结合——是大量的二氧化碳。整个过程每生产一吨钢平均排放 2.2 吨二氧化碳。
那么可以做些什么来减少这些排放呢?
更有效地使用和回收产品应该始终是首要追求的途径。回收避免了高炉阶段，因为高炉阶段排放量很大。废料被送入电弧炉，通常每吨钢仅产生 0.3 吨二氧化碳。通过从化石燃料转向发电，可以进一步减少排放。但分析人士表示，回收利用的潜在收益是有限的。大约 85% 的废弃钢材已经被收集起来进行回收利用。但根据国际能源署 (IEA) 的数据，钢铁的使用寿命长意味着这种回收废料仍仅占钢铁总产量的三分之一左右。
广泛采用 CCS 可能会进一步减少排放。但完全放弃高炉可能会带来更大的收益。制造生铁的主要替代方法是让巨大的直流电流通过矿石。这个过程被称为电解，是铝土矿变成铝的过程。能源需求巨大，但不需要煤炭作为过程本身的一部分，能源可以来自低碳来源，例如绿色氢。因此，绿色氢被视为对绿色钢铁至关重要。
这条氢气路线目前正在欧洲在国家补贴下由世界第二大钢铁制造商安赛乐米塔尔和印度塔塔钢铁公司本月早些时候在荷兰宣布的一个项目中进行试验。
它可以流行起来。一种有吸引力的方法是在与钢相同的位置制造氢气。新南威尔士州纽卡斯尔大学的 Jessica Allen 和 Tony Honeyands 表示，对于拥有大型铁矿和丰富太阳能的澳大利亚来说，这是一个“巨大的机会”，“这将促进我们的出口，有助于抵消不可避免的工作化石燃料行业的损失，并对应对气候变化大有帮助，”他们在最近的一篇博客文章中争辩道。
在过去的半个世纪里，氨肥的制造一直是全球增长最快的行业之一。这是20年代末的农业绿色革命的基石个世纪的今天滋养是养活世界人口的40%的作物。化肥是迄今为止每年生产的1.76 亿吨氨的主要用途。
氨是使用Haber-Bosch 工艺制造的，该工艺由德国化学家 Fritz Haber 于 1908 年发明。十年后，它为他赢得了诺贝尔奖。该过程分为两个阶段。首先，它通常从天然气中制造氢气;然后它与大气中的氮合成氢气。要做到这一点，需要打破空气中将氮分子结合在一起的紧密结合，这需要大约 500 摄氏度的高压和高温。
制氢和合成氨都是能源密集型的。整个过程在大型工业工厂中进行，每生产一吨氨大约会排放两吨二氧化碳，约占人为二氧化碳排放量的 2%。
肥料是所有高碳产品中使用最浪费的产品之一。马里兰大学环境科学家张欣表示，倒在田地里的东西中，只有不到一半能靠近根部——这一比例近年来一直在下降。这不仅会导致不必要的二氧化碳排放，还会使自然环境充斥氮——导致河流和海洋死区中的藻类大量繁殖，并破坏几乎所有地方的生物多样性。因此，更有效地使用肥料应该是重中之重。
但除此之外，肥料生产过程的两个阶段都需要脱碳。第一阶段，制造氢气，应该是最容易实现的。今年 4 月，全球最大的氨制造商 CF Industries 宣布计划在其位于路易斯安那州唐纳森维尔的最大生产综合体中“绿色”部分氢气生产。它正在安装德国制造的设备，使用可再生能源通过分解水来制造氢气。
脱碳第二阶段，氨合成，需要对现有工艺进行重大改进或替换。苏格兰格拉斯哥大学的贾斯汀哈格里夫斯说，催化剂是这一过程的关键。它们对于打破氮分子的强键是必要的，这样元素才能与氢结合。
Haber-Bosch 工艺使用铁催化剂。但自从它发明以来，游戏一直在寻找在较低温度和压力下有效工作的东西。“解决低温氨合成问题是化学领域的圣杯之一，”密歇根大学的化学工程师Levi Thompson 说。但迄今为止，实现这一目标所需的化学物质尚未得到研究人员的了解。
“大自然做到了，”哈格里夫斯告诉e360。“植物根部细菌固氮发生在环境条件下，没有高温或高压。但生产速度太慢，不适合大规模生产。”希望正确的催化剂可以改变这种状况。“如果我们能做到，这是一个大奖，”哈格里夫斯说。
许多实业家都在参与其中。一家日本公司 JGC 在福岛拥有一座试验工厂，利用其为合成氨而开发的新型钌催化剂，结合太阳能生产绿色氢气。该公司声称已将制造所需的压力减少了四分之三。由东京工业大学的 Hideo Hosono 领导的另一支日本团队正在支持镧钴催化剂。他声称它将所需的温度降低到 400 摄氏度。
一些人预见到未来的工艺将完全抛弃传统的哈伯-博世工艺。今年 6 月，澳大利亚莫纳什大学的 Doug MacFarlane 及其同事宣布成功开发了一种电化学工艺，用于破坏在室温下可以产生氨的氮键。他们说关键是添加了鏻盐，这极大地加速了反应。
第三个碳恐龙——也可能是最难改造的——是波特兰水泥，之所以如此命名，是因为它类似于在英格兰南部半岛波特兰开采的建筑石材。它是由一位名叫约瑟夫·阿斯普丁的英国石匠于 1824 年发明的。制造过程将白垩或石灰石(碳酸钙)与粘土混合，然后在窑中以 1450 摄氏度的温度烹制混合物，引发化学变化，产生一种称为熟料的坚硬固体，与石膏结合制成水泥。然后将水泥与骨料和水混合以形成混凝土。
窑内的高温需要大量能源，通常是通过燃烧排放二氧化碳的化石燃料获得的。此外，当碳酸钙在窑中转化时，主要的副产品是更多的二氧化碳。当窑炉燃料为煤时，每生产一吨水泥，窑炉会排放约 1 吨二氧化碳。
全世界每年生产超过 40 亿吨波特兰水泥，地球上每个居民都生产超过半吨。它使我们的世界充满了水坝、道路、桥梁、塔楼、海堤和停车场。它占人为二氧化碳排放量的 8% 左右。
如何改变这个?虽然世界上大部分钢材都得到了回收利用，但混凝土却很少。建筑物可以设计为再次拆开，并再次使用其组件。但很少有人。当破坏球队到达时，除了垃圾填埋场或作为骨料之外，他们制造的瓦砾几乎没有任何未来用途。都柏林理工学院的布赖恩诺顿说，这种情况需要改变。“建筑物……应该设计成在使用结束时易于拆卸。”或者我们可以使用其他建筑材料，例如可持续采购的木材。
但是水泥生产过程本身呢?
如果窑中的煤被绿色氢取代，那可以减少总体二氧化碳排放量——但只能减少约三分之一。因此，需要采取措施去除生产过程中产生的 CO2。
一种方法是使用 CCS 来捕获 CO2 排放。IEA 在最近一份关于净零排放路径的报告中认为，到 2050 年，CCS 对行业潜在减排量的贡献高达 55%。另一种方法是寻找二氧化碳的工业用途。本月早些时候，法国水泥生产商 Vicat宣布计划从其位于里昂附近的 Montalieu-Vercieu 的窑中转移 40% 的二氧化碳，以制造甲醇，为世界上最大的航运公司马士基正在建造的新集装箱船提供燃料。
但也有脱碳选项可以改变水泥生产过程的原材料。国际能源署表示，水泥中多达一半的熟料可能会被其他材料替代，从生石灰石到发电厂的飞灰、废弃轮胎和生活垃圾。
更激进的是，德国研究人员在上个月发表的一项研究中表示，窑中至少有一半的石灰石可以被富含氧化铝的粘土所取代，称为巴尔特拉粘土，这种粘土通常覆盖在铝土矿地质储量之上，铝土矿是铝的原材料。德国马丁路德大学的 Herbert Pollmann 表示，这种硫铝酸钙水泥既避免了燃烧碳酸钙所产生的二氧化碳排放，又将燃烧温度从 1450 摄氏度降低到 1250 摄氏度。“我们的方法不仅在化学转化过程中释放更少的二氧化碳，而且在加热回转窑时也释放更少的二氧化碳，”波尔曼说，这有可能将总排放量减少三分之二。
另一种可能的解决方案是 20 年前由澳大利亚工业化学家约翰哈里森发明的，用类似的岩石代替石灰石，碳酸镁，通常称为菱镁矿，在矿物磁铁矿和碳酸钙的混合物中发现在更低的温度下，大约 650 摄氏度，因此只需要一半的能量。但哈里森说，碳酸镁最大的好处是所得到的混凝土在使用时能够吸收大气中的二氧化碳。
只要材料暴露在空气中，这种“碳酸化”就会继续进行，可能会重新捕获制造时释放的所有二氧化碳。因此，他说，由他的“生态水泥”制成的结构就像一棵树——不断吸收二氧化碳。
普通水泥也会产生碳酸盐，但哈里森说他的版本持续时间更长。五年前，当一项研究表明传统水泥的碳化程度高于普遍认识时，这一论点受到了挑战。该研究发现，气候科学家没有注意到，“全世界现有的水泥库存每年吸收大约 10 亿吨大气二氧化碳。”
尽管如此，伦敦矿物产品协会的迈克尔泰勒认为哈里森的发明具有潜在价值。他认为，其主要问题可能是水泥行业臭名昭著的保守主义。新配方的初始成本很高，提供成品的耐用性可能需要几十年的时间。“创新者......将这种保守主义视为一个相当大的障碍，并且可能认为它的提出只是为了挫败他们的目标，”泰勒说。
这是一个熟悉的问题。但是，与钢铁和氨一样，绿色工艺的政治压力可能会改变这一点。
