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来说似乎也毫无意义——例如插入电动汽车。
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，这代表了一个“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——在河流和海洋死区造成藻类大量繁殖，并破坏几乎无处不在的生物多样性。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，催化剂是这个过程的关键。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。
