在美國西北太平洋國家實驗室（PNNL）化學家溫迪-肖（Wendy Shaw ）的領導下，一項由多個機構參與的研究工作為減少難以電氣化的經濟領域的排放繪製了新的路線圖。這種多層面的方法包括開發非碳燃料、尋找非化石碳源，以及在碳進入循環後使其繼續發揮作用，最好能使每個碳原子都有多種用途。

全面的路線圖旨在應對難以電氣化的經濟部門去碳化的挑戰。這包括開發非碳燃料、以可持續的方式獲取碳以及促進循環經濟等策略，在循環經濟中，碳原子在各行各業中被多次重複利用，這對於到2050 年實現淨零排放至關重要。圖片來源：Cortland Johnson 插圖| 太平洋西北國家實驗室

實現碳淨零排放的一個關鍵策略是將個人交通和家庭暖氣等重要經濟部門轉變為依靠再生能源發電。但是，碳不可能從社會的所有部分去除。塑膠在現代社會中無所不在，但卻無法實現脫碳，因為它們是由碳基分子構成的。

路線圖的作者認為，一次性使用的碳已不再普遍。必須透過循環經濟讓碳繼續發揮作用，在循環經濟中，每個碳原子都會被多次使用。碳可以在同一工業部門內重複使用，也可以作為新工業部門的原料。例如，開發聚合物升級再循環製程和有效再利用碳基材料將是未來實現淨零碳排放的核心。

PNNL主任史蒂文-阿什比（Steven Ashby）說：「我們需要新穎而有創意的解決方案來實現我們的脫碳目標。合作是加速催化和分離科學領域應用啟發式科學研究的關鍵，這將為這些解決方案奠定基礎。

這些想法產生於由PNNL、艾姆斯國家實驗室、阿貢國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和SLAC 國家加速器實驗室聯合主辦的”關閉碳循環”研討會。各實驗室的負責人分別包括肖、詹姆斯-莫里斯、馬克斯-德爾費羅、桑賈亞-塞納納亞克、弗朗西斯卡-托馬、米歇爾-基德和西蒙-巴雷。

阿貢主任保羅-卡恩斯（Paul Kearns）表示：「推廣碳回收和碳轉化技術是未來清潔能源的關鍵，阿貢致力於支持碳回收和碳轉化技術的發展。我讚揚那些在能源部國家實驗室綜合體中通力合作，推動這些變革性創新的研究人員，以實現到2050年的淨零碳排放。

氫氣和氨氣都具有作為無碳燃料的潛力。然而，這兩種燃料在實施過程中都面臨明顯的挑戰。尤其是氫氣的儲存和運輸成本使其在現有技術條件下變得不切實際。開發載體分子和材料，以實現安全、經濟的氫氣運輸，是對能源部”氫地球”（Hydrogen Earthshot）目標的補充，即以每公斤1 美元或更低的價格生產可再生氫氣。成本的降低有助於建立可行的氫基系統。

利用各種來源的碳是建議方法的核心。碳將繼續對許多關鍵經濟部門至關重要。這些部門是透過循環利用和結合多種碳源來實現碳循環的候選者。有價值的碳的可能來源包括生物質、食物垃圾和塑膠垃圾。要使這個過程成為現實，需要有效和高效的分離和轉化，因為大多數非化石碳流都是複雜的混合物。

PNNL物理與計算科學局首席科技官肖說：”碳應被視為一種必須加以保護和再利用的寶貴商品。我們的願景是透過在循環經濟中多次重複利用每個碳原子，改變碳在我們經濟中的作用”。

有效地將”傳統”廢料轉化為可重複使用的材料仍然至關重要。透過反應分離將分離和轉化步驟結合起來可能是一種切實可行的方法。反應分離將化學反應與純化分離結合起來，可以強化工藝，更有效地轉化非化石碳。

莫里斯說：「我們需要新的基礎科學發展來產生綜合的工業方法。由此產生的技術將創造新的經濟機會、教育發展和額外的就業成長」。

路線圖提出了一個沒有浪費的未來，在這個未來中，碳被視為一種珍貴的商品，而不是一種可支配的資源。將永續碳源帶入碳循環經濟是實現這個未來的關鍵。

本路線圖是題為”關閉碳循環：能源科學的機會”研討會，由能源部的七個國家實驗室於2022 年7 月18 日和19 日舉辦。

DOI: 10.1038/s41570-024-00587-1

編譯來源：ScitechDaily