化学工程在低碳发展转型中的关键作用探讨——从物质资源利用与碳排放关联的视角

朱兵，陈定江，蒋萌，任钰成，曹煜恒，周文戟，胡山鹰，金涌

（1清华大学化学工程系，北京 100084；2清华大学循环经济研究院，北京 100084；3清华大学国家治理与全球治理研究院，北京 100084；4中国人民大学应用经济学院，北京 100086）

引 言

2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会上庄严承诺，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、努力争取2060年前实现碳中和。中国碳达峰碳中和目标的提出、推进和实施，将推动全球和中国经济、政治、文化和社会发生深刻变化。从现在开始到完全达成碳中和目标的这段时期，可被界定为低碳发展转型期。在低碳转型期实现生产和消费从高碳模式向低碳模式的过渡，需要不同领域、行业，不同利益相关主体，在技术、模式、制度等方面进行变革［1-8］。

物质资源（包括化石资源、金属资源、非金属资源、生物质资源等）作为自然界的基本要素，是社会经济发展的基础。自工业革命以来，社会经济发展依赖的物质资源利用模式主要以“高碳”为特征，具体表现在两个方面。其一，能源利用主要通过化石资源燃烧提供能量，例如电力、燃料等，具有高碳特征。另一方面，水泥、钢铁、金属、化学品等物质利用包括直接（工艺过程、碳基材料）和间接的（使用高碳能源）碳排放，也同样具有“高碳”特征。因此，当前社会经济的物质资源利用与碳排放存在强关联。

将物质资源规模化、高效率并且以环境友好的方式转化为有用产品，是石油与化工、冶金、建材、轻工等流程工业的核心任务。化学工程学科为流程工业提供理论和技术基础，不断提升工艺过程的技术经济性、产品功能性、资源能源效率和环境友好性。当碳排放正成为流程工业新的刚性约束，化学工程的科研人员以及流程工业领域的利益相关者，有必要以宏观系统视角重新审视物质资源利用与碳排放的复杂关系，思考在低碳发展转型期如何打破物质资源利用与碳排放的强关联。

本文将从以下方面分析物质资源利用与碳排放的复杂关系：第1节阐述资源利用与碳排放的内在联系，分析提升资源效率对低碳转型的正向协同效应。第2节阐述社会低碳转型过程将不可避免地在某些领域提升物质资源使用强度，反而会加强物质资源利用与碳排放的关联，重点分析提升资源效率、发展循环型产业对冲低碳转型对物质资源消耗的潜在反弹效应。第3节讨论气候目标下的能源系统和资源代谢变革，特别强调资源代谢变革，凸显低碳时代化石资源的“材料”价值。

1 低碳转型中提升资源效率与碳减排的正向协同

1.1 物质资源利用与碳排放的强关联

物质资源（例如化石资源、金属资源、非金属资源和生物质资源等）是支撑人类社会发展的物质基础。工业革命以来，人类实现了物质资源的规模化利用，极大地促进了社会发展，但同时也带来温室气体排放、生物多样性丧失、水资源短缺等诸多问题[9]。近年来全球资源开采量迅速增长。1970―2017年间，世界人口从37亿增长至76亿，增长为原来的两倍。而全球资源开采量从1970年的270亿吨（约7吨/人）上升到2017年的920亿吨[9]（约12吨/人），全球年资源开采量增加了两倍多。

人类对物质资源的利用与全球气候变化存在紧密的联系[9]。在物质资源的开采和加工过程中，会排放大量温室气体。根据联合国环境署国际资源委员会（International Resource Panel，IRP）测算，当前全球近一半的温室气体排放是由自然资源的开采和加工造成的[9]。英国艾伦·麦克阿瑟基金会（Ellen MacArthur Foundation）得出结论，45%的温室气体都来源于人们的日常生活物品（如汽车、服装、食物和其他产品）的生产过程[10]。

1.2 提升资源效率促进低碳发展转型

资源效率的提高与低碳发展转型具有重要的协同效应。尽管面临重大挑战，物质资源开采和加工过程仍然具有很大减排潜力，提高物质资源的全生命周期效率对低碳发展至关重要。资源效率包括材料效率，还包括水、能源、生物多样性、土地等其他资源的效率[11]。本文的资源效率主要从物质资源的角度出发，关注材料效率。

提升资源效率的策略贯穿资源开采、处理、加工、制造、使用、报废等全生命周期的各个环节。国际上常见的策略包括通过加强设计以减少产品的资源消耗，使用环保或可再生的替代材料，增加产品的使用强度并延长使用寿命，促进报废材料的回收与再利用等[11]。从总体上看，实施循环经济、提高资源效率对低碳转型有着重要的促进作用。联合国环境署国际资源委员会的模拟结果显示，“可持续发展情景”与“历史延续”情景相比，资源效率相关策略实施将减少19%的温室气体排放[9]。瑞典智库材料经济学（Material Economics）的报告显示，应用循环经济策略可使欧盟2050年重工业碳排放降低56%[12]。艾伦·麦克阿瑟基金会认为，在水泥、铝、钢、塑料等几大关键领域成功落实循环经济策略能将其2050年全球生产过程碳排放减少40%[10]。联合国环境署国际资源委员会的报告指出，从重点产品或行业方面来看，到2050年，住宅建筑领域的材料利用效率提升策略可在住宅建造、运营和拆除各阶段为七国集团国家（G7）减排35%～40%，汽车领域的材料利用效率提升策略可以将七国集团汽车制造、车辆使用和报废管理的全过程温室气体排放总量减少30%～40%，报告也认为在中国和印度等发展中国家实施材料利用提升效率策略可实现更显著的减排效果[11]。

在识别并强化减碳和提升资源效率的协同过程中，化学工程学科将扮演重要角色。化学工程学科研究物质资源的一系列物理和化学转化，实现各种功能化学产品的大规模生产[13-14]。化工行业是物质转化的核心部门，将原生资源转化为各种产品，为其他行业提供生产的原材料或最终产品[13-15]。在这个过程中，化学工程技术的发展可以促进关键步骤的资源效率的提升。同时，由于现阶段碳排放的绝大多数来源都直接或间接地与化石资源相关[16-17]，而化学工程（和工业）是生产、加工和转化化石资源的关键学科（和产业），因此化学工程将会对低碳转型过程中通过促进资源效率而实现的碳减排提供重要贡献。

2 低碳转型过程中碳减排和物质资源利用的反向协同

2.1 低碳转型对物质资源需求的拉动

在气候变化和能源安全问题的驱动下，预计在未来几十年，全球能源供应将逐步转向可再生能源。在此过程中，低碳电力将成为能源系统中最重要的组成部分[18]。一方面，发电能源构成将发生重大变化。国际能源署估计，到2025年，全球可再生能源发电量将增长近50%，届时将占电力容量净增长的95%[19]。在光伏领域，全球光伏装机容量从2005年的5GW增长到2020年的近700GW，年增长率接近40%[19]。风能行业也在迅猛增长，全球平均年增长率约为10%[20]。另一方面，能源系统转型也将推动新能源汽车等行业的发展。例如在新能源汽车领域，2010年全球仅约2万辆电动汽车被投入使用，而这个数字在2020年已超过700万辆，预计电动汽车的全球保有量将在2030年达到2.5 亿辆，未来十年年增长率为43%[21]。

全球能源系统转型需要建造大量风力涡轮机、太阳能发电站、新能源汽车、储能设备等，这将消耗大量关键金属和关键材料[22-23]。近年来，关键材料和关键金属在低碳转型中的作用逐步受到学术界和政策制定者的重视[24]。相关研究显示，一辆电动汽车使用的矿产资源是传统汽车的五倍，而陆上风力发电厂所需的矿产资源是同等发电装机容量的燃气发电厂的八倍[25]。世界银行预计到2050年，为满足清洁能源技术的需求，石墨、锂和钴等矿物的需求量增加近五倍。为实现2015年巴黎气候协定避免全球气温上升2°C的承诺，未来风能、太阳能和地热能以及实现相应的储能设备将消耗超过30亿吨的金属和矿物[26]。若没有足够的原材料来作为这些技术所需要的物质基础，世界将无法应对气候变化[18,27]。具体到某种资源，以金属为例，太阳能光伏需要铟、镓等材料[28]；风力涡轮机需要钕和镝等材料[29]；锂、钴和镍赋予电池更好的充电性能和更高的能量密度[25]，超过60%的钴矿用于可充电电池[28]；而铜因其优异导电性能对整个电力系统至关重要[25]。鉴于此，有学者认为金属具有“耗能资源”和“赋能资源”两种属性，即金属资源的开采、生产和回收过程需要消耗能源（耗能），但同时这些金属成为支撑能源系统运转的重要物质基础（赋能）。金属的赋能作用将在低碳过程转型过程中不断加强[30-32]。在过去的几十年里，在许多发达国家都出现了金属资源消耗与经济增长的解耦，资源产出率显著提高[33]。然而，在气候目标和低碳转型的背景下，这一趋势有可能会被打破[34]。

低碳转型对物质资源需求的大幅拉动，也要求化学工程和化学工业提供更多的新材料。例如为减轻质量、增加行驶里程，车辆轻量化设计过程中也会更多地使用塑料和塑料基复合材料；光伏发电设备的背板、胶膜及光伏玻璃原料等大多都是化工产品；风电设备对材料强度和性能有严格要求，也将进一步推动特种树脂等化工材料的需求增长[35-36]。另外，应对气候变化也将增加对常规物质资源的使用，例如沿海保护结构、防洪基础设施等将消耗大量钢铁、水泥等资源[11]。

低碳转型对物质资源的巨大需求也引发了很多问题，其中最重要的是供给可持续性。为了减轻气候变化的影响，在减少使用化石燃料时还需要大量增加金属等矿物资源的消耗[18,27]，即从依赖于化石燃料的不可持续利用模式，逐渐转变为依赖于若干重要金属和其他关键矿物资源的利用模式。这些重要金属和关键矿物大多也是不可再生的，如果利用模式依然不可持续，这将影响联合国可持续发展目标（SDGs）的实现[37]。研究预测，在未来几十年，关键金属和材料的供应将趋紧，而目前各国推进能源转型往往没有充分考虑新增资源需求这一挑战，相关资源快速增长的需求可能难以满足[27]。同时，当前再生资源回收体系相对不成熟，回收技术的发展水平以及对资源品种的覆盖都暂时无法满足日益加速的资源需求[27,38]。此外，关键资源矿产的开采、加工技术研发与投资还涉及到国际政治和全球供应链等方面的诸多问题[24,34-35,39]。

2.2 提升资源效率以对冲低碳转型对物质资源消耗的潜在反弹效应

在实现社会的低碳转型发展中，面对非化石燃料物质资源需求的显著增加，核心技术的创新是重要基础，面向资源高效利用的化学工程技术将发挥重要作用。例如锂电池性能一直在提高，而钴含量在过去十年中迅速下降，下一代电池可以进一步降低钴含量[40]；盐湖提锂是未来新增锂产能的重要来源，也是缓解锂资源紧缺、保障我国锂资源自主可控的重要手段[41]；钠电池也有望成为重要备选路线[42]。新材料的开发利用还可以进一步降低可再生能源发电成本。例如，风电设备中采用轻质塑料基材料可以制造更长涡轮叶片，从而提高发电效率。创新材料还有助于提高风力涡轮机的耐用性，从而降低维护成本，这对于在恶劣环境下持续工作（如海上风电等）尤其有益[43]。

在资源回收方面，非化石燃料物质资源的回收是一个需要在综合框架中解决的系统性问题[34]。许多关键材料目前的回收率很低，提升加工效率和回收率将产生巨大收益[38]，例如潜在的技术突破或可实现从现有铜供应链的尾矿和废料中，提取相当数量的硒、碲和铋等元素[44]。通过非物质化、修复、再利用、再制造和回收等策略能够有效提升关键材料的资源效率，从长远来看，增加回收可以大大减少对原生资源的生产端需求[40]。同时，这些资源的生命周期与工业、基础设施和消费品捆绑在一起，基础设施的使用寿命越长，其可回收用于其他用途的金属供应就越少。金属在基础设施中的停留时间变化很大，基于模型和数字化的框架设计在政策制定时将会具有重要意义。由于金属、能源、化石资源、碳排放和其他各类环境影响深度耦合且相互关联[45-46]，从系统工程的角度出发，建立具有系统性、科学性和实用性的复杂系统评估模型[47]对于低碳转型中决策支持将发挥重要作用。

3 气候目标下化学工程支撑化石资源利用模式变革

越来越多的科学家认为人类活动已将地球带入新地质时代——人类世（Anthropocene），即由人类主导的、人类与地球关系发生根本变化的地质时代[48]。煤炭、石油、天然气等化石资源的燃烧和利用是人类世碳排放的根本来源[49]。在人类目前的工业系统和社会系统中，化石资源主要有两种利用方式：一是作为燃料而使用，即通过燃烧直接提供热量、蒸汽和电力。当今人类社会的能源系统与化石资源的燃烧深度耦合。2020年，化石资源占全球一次能源供应比例高达84%[50]，与人类生产和生活相关联的碳排放中超过99%直接或间接地来源于化石资源[16]。二是作为“碳源”材料使用，或称非燃烧利用[50]，即为制造终端产品提供基于碳、氢等元素的原料[43]。据估计，全球约10%的化石资源最终用于加工成材料[51]，例如合成高分子（塑料、合成纤维、合成橡胶）等化学品。人类对于化石资源的开采和利用，极大促进了工业的快速发展和生活方式的巨大变革[52-53]，但与此同时，也使得地层中千百年来积存的碳元素以二氧化碳的形式在短时间内释放，打破了生态系统中的碳平衡。

与化石资源代谢紧密相关的化学工业被公认为是最难以脱碳的行业之一。化学工程研究物质资源、尤其是化石资源的转化和利用，而化学工业是人类社会代谢化石资源的工业系统中最重要的组成部分之一。与化石资源深度关联的化工产品需要碳元素，同时生产过程需要大量能源投入[54-56]，因此将化学工业的二氧化碳排放减少到净零水平将具有极大挑战。虽然仍存在一定争议，但是国内外对于气候目标下化石资源的利用方式转变以及化学工业转型开始有一些初步共识[43,51,53,56-62]。实现这一目标的途径包括化石资源和化学工程相关的能源系统变革和资源代谢系统变革，这两种变革将相辅相成、齐头并进。图1展现了现阶段、过渡阶段和碳中和阶段的三种化石资源利用模式以及相互之间的差异性。其中图1(a)反映以当前化石资源为主要碳源的经济社会碳代谢模式；图1(b)体现了在未来发展和过渡阶段，化石资源材料属性增强、能源系统中加入可再生能源的转型变化；图1(c)则描绘了更长时间尺度可能实现的一种“碳中和”化石资源利用模式，即碳基材料原料的多元供应。

图1 气候目标下化学工程支撑化石资源利用模式变革（箭头粗细仅为示意）Fig.1 Schematic diagram of the transition of fossil resource use pattern supported by chemical engineering under the carbon neutrality goal

3.1 化石资源相关的能源系统变革

3.1.1 持之以恒提升能源效率，减少化工生产过程的能耗和碳排放 在目前的基础上，化工行业和化学工程从业者需要通过工艺优化和生产过程集约化，进一步提升能源效率，大幅减少化工生产过程中的能耗和碳排放[63-64]。研究指出，如果能完全利用加工化学原料中释放的能量，或可满足所有化工过程中的能源需求[43,57,65]。因此从理论上讲，化工行业可以不使用额外的化石资源作为燃料，但仍需要含有碳元素和氢元素的原料投入[43,57,65]。但是在许多情况下，能效提升的潜力受到了化工热力学和动力学限制，在很大程度上并不显著[43,53]，优化空间已经接近极限。因此在短期内，淘汰落后产能、大力提高能效、加强全过程节能管理、大幅降低资源能源消耗强度等举措[66]无疑是促进碳达峰的重要手段，但从中长期来看，仅通过这些举措仍然不够，因为其能源供应系统依然是以化石资源燃烧为基础[51,56]。

3.1.2 进一步实现能源结构清洁低碳化，并开始逐步向电气化驱动的能源系统转型 能源系统与化石资源逐渐脱钩，对碳中和至关重要。如图1(b)所示，该模式下电力、交通行业将减少对化石资源的依赖，可再生能源在能源供应中的比例将显著提升。为了促使能源结构逐步实现低碳化，包含化石资源利用过程的工业生产应逐步实现电气化[51,67]。公用事业、基础设施和化工过程的电气化以及转向可再生能源有望实现更深程度的二氧化碳减排，但目前存在较多问题且成本高昂。例如在中短期，绿电的不稳定性将对于化工生产的安全性产生影响，这对电力生产、储存和利用技术提出了更高要求，需要大量的技术突破和产业投资[56,61]。

3.2 化石资源代谢和碳基材料原料的变革

增强化石资源“材料属性”，更多将其作为“材料”而不是“燃料”将成为石油和化学工业低碳转型发展的必然选择。在资源代谢系统转变中，需要大力发展化石资源的“材料化”利用，即将煤炭、石油、天然气等化石资源作为原料投入进行材料合成，而不作为能源供应[68-70]。更进一步，从中长期来看，即使化学工业等流程工业将化石资源完全作为“碳源材料”，也仍然无法从根本上实现净零排放，化学工业需要寻求多元的“碳源”，尤其是“可再生碳源”。

3.2.1 从化石燃料到化石材料 增强化石资源的“材料属性”，推动炼化一体化，逐步提升“油转化”（crude oil to chemicals，指每桶石油的化学品转化率）的比例，如图1(b)所示，随着能源系统与化石资源脱钩，化石资源材料化应用的比例将提高。在全球应对气候变化和能源转型的背景下，国内外学者、主流机构和大型能源公司均认为化石资源的非燃烧使用（包括合成化学品、材料使用）将成为中短期化石燃料需求增长的最大来源，非燃烧化石资源的数量和重要性会持续增长[43,50,57,71-72]。国际能源署预测，由于新能源汽车的快速普及和能源替代技术的应用，2030年左右全球的化石资源消耗或将达到峰值[43]。国内外主流能源公司（如中国石化、中国中化、埃克森美孚、壳牌、沙特阿美等）主动谋求转型，采取降低油气资产比重、大规模削减资本支出等手段[73-75]，不断提升化工（化学品）板块在其整体业务中的地位[51,76]。我国化学工业也提出了推进能源结构低碳化、控制化石资源消耗总量、提升高端石化产品供给水平等措施[66]。例如，中石化强调新材料在其发展战略中的重要性，提出要以能源资源为基础，以洁净油品和现代化工为两翼，以新能源、新材料、新经济为重要增长点的“一基两翼三新”发展格局[77]。目前国内外规划新建的石油化工厂基本均为“炼化一体化”的模式，这样的综合体允许将原油转化为更多高价值的化工产品，并减少炼油的比重。目前新建“炼化一体化”综合体的“油转化”比例往往超过50%甚至达到80%，远高于传统炼厂（目前全球平均水平为8%～10%）[51,78]。沙特阿美宣布将在未来15年内将其石油产量的至少三分之一转化为化学品，其“油转化”的目标为至少40%[78]。更大比例使用化石资源用作化工品的“碳源材料”可被视为化工行业低碳发展转型的中短期解决方案。然而，这个过程仍然被认为无法完全实现碳中和，因为化工行业中的资源投入依然为化石资源，这个过程存在大量排放[56,59]，并没有实现碳闭环。同时需要注意的是，从量级上看，即使下游对化石资源“材料”的需求可能会增加，但与当今化石资源的“燃料”消耗相比，其规模仍然相对较小。因此，随着能源结构和化学工业的转型，可以预期未来化石资源的整体需求将在达峰后出现显著下降。

3.2.2 碳源的多元化（1）转向可再生碳源，寻求多元碳基原料，发展循环经济。前文所述的诸多方案均聚焦于在能源输入或加工过程中进行脱碳，而保持以化石资源为碳源的主要工艺路线不变。有研究认为，这些方法都没有解决依赖化石资源中的碳作为原料的根本问题，在经过化学品和化石燃料的使用阶段之后，化石资源中的碳最终会进入大气[60-61]。一些研究认为，在满足人类社会对于化工品需求的基础上，在中长期（2030―2100年）实现化工行业碳中和需要多元的碳基原料供应和化工系统转型[51]。而在中短期，不断上升的二氧化碳成本（如碳税、碳交易等）可能会促使企业开始采用低碳的碳基原料来逐步替代化石资源[51]。沙特阿拉伯在二十国集团（G20）领导人峰会上提出“循环碳经济”战略（Circular Carbon Economy）[79]，希望通过4R理念以实现气候目标。其战略核心理念4R为：降低（Reduce）碳排放；捕获并重新使用（Reuse）二氧化碳；回收（Recycle）二氧化碳并转化为生物质以及捕获和封存二氧化碳以实现碳移除（Remove）。

废弃物作为“碳源材料”的潜力巨大[80-83]，化工行业从线性路径转向循环路径，抛弃“废物”的概念[62]、大力发展循环经济具有重要意义。如图1(c)所示，其中链路①体现了循环经济模式下来自于“碳源材料”的高比例输入。大力发展以回收“碳源材料”为目的的循环经济，不仅可以解决包括塑料废物在内的污染问题，还可为更加可持续的石油和化学工业提供循环“碳源材料”[50,81]，推动工业体系和人类社会向更加可持续的发展模式转变。以塑料为例，塑料废弃物的全球平均回收比例仅有10%[53]。据估计，2014年欧洲有超过八百万吨塑料废物被填埋，这一数量的塑料相当于近1亿桶石油的消费量[84]。通过机械（物理）回收和更具前景的化学回收（即通过溶解、热解、催化裂化、加氢裂化转化、催化解聚和气化等化学手段），可将废弃物转化为单体、合成气等化工过程原料，最终用于生产化学品[80,85-86]。废塑料回收减排潜力巨大，有研究指出，将塑料回收与生物质利用、碳捕集利用等技术相结合，能够在2050年实现塑料净零排放[87]。

当前，对于城市废弃物的循环利用更多是通过燃烧过程进行热电联产或通过厌氧消化等过程转化为燃料，其核心是将废弃物转化为能源供应[88]。而在未来，化学回收对于城市固废中的“碳源材料”可能是更加重要的回收过程。该工业过程包括将城市固废气化以生产合成气，然后通过合成气路线进一步生产化学品。欧洲的有关研究指出，欧洲城市固体废弃物的体量在理论上可以满足欧洲烯烃装置的“碳源材料”需求量[88]。根据目前的研究估算，全球城市固废的“碳源材料”回收或许有潜力满足未来化学品“碳源材料”需求的三分之一[88]。然而相对于塑料的原始生产路线，目前基于化学回收的塑料生产的技术经济性往往存在限制。因此，这条路线尚未进行大规模的商业化[43,82]。然而，在塑料回收的每一步都会伴随着材料损失。有研究估计，在乐观情景下的整体回收效率仅能达到约50%[51]。因此考虑到材料损失和体量，完全依靠循环经济的“碳源材料”供给在理想情况下也不足以完全满足社会对于化学品的“碳源材料”需求，需要额外的“碳源材料”进行补充[51]。

（2）技术突破将推动二氧化碳的资源化利用。研究认为，基于二氧化碳捕集、利用与固定（CCUS）技术捕获大气中的二氧化碳或工厂中的高浓度二氧化碳，然后通过化学反应将其转变为化学品，或许可以对化学工业的“碳源材料”进行一定程度的替代，以减少化石资源的消耗[67,81,89]。目前对于化学工业的碳减排讨论大多侧重末端减排[64]，但如果将二氧化碳视作一种“碳源材料”，在技术革新和低碳能源系统充分发展的前提下，可为化学工程和人类发展提供新机会[53,60-61]。如图1(c)所示，其中链路②即来自通过二氧化碳资源化实现的“二氧化碳-碳源材料”的可再生碳源输入。石化与化工领域高浓度排放源可作为早期CCUS的低成本的工业化实践。相较于大气或其他场景相对浓度较低的排放源，化工厂副产气和弛放气等中的二氧化碳往往浓度较高，其捕集能耗低、投资成本与运行维护成本低，具有一定的早期商业化优势[90-91]。有学者对29种二氧化碳资源化的工艺路线（例如将二氧化碳/氢气转化为甲醇或其他碳氢化合物等的催化技术）进行了生命周期评价，研究认为目前最先进的二氧化碳转化技术不仅可实现碳减排，也可同时产生减少其他环境影响的协同效应[64]。

尽管如此，目前对于通过CCUS减缓气候变化的潜力仍然存在争论[58]。虽然从工业过程或大气中捕获的二氧化碳可直接用作可再生碳源，但该路线的实现必须依靠强大的碳捕获技术和电力系统的深度脱碳[51,56]。鉴于此，有学者提出，在大规模推广和发展前，需要着重考量两个问题：①工业系统能否提供规模庞大且高效的低碳电力；②如果可以，是否应该在化学工业中使用如此大量的低碳电力[56]。因此也有一些研究认为，基于二氧化碳的化学品生产无法为二氧化碳提供定量的“汇”，只能作为一种碳基材料供应来源的补充[64]。

（3）使用生物质作为可再生“碳源材料”也受到了一定程度的关注。有研究认为使用生物质替代石油为原料进行生产是一种“弯道超车”，是目前化学工业实现二氧化碳净零排放的一种途径[92]。如图1(c)所示，其中链路③即为生物质碳源的加入，生物过程已经从大气中捕获了二氧化碳，相当于完成了减排过程。该路线主要考虑以碳水化合物和脂质作为主要原料进行化学转化[59,93-94]，但相关生物质的生产可能会对空气、水和土地以及生物多样性产生影响，生物质资源的“碳源材料”供应可能很大程度上取决于农业技术和转化技术的突破[60,95]。有研究估计，在2050年仅有60～80Mt/a的生物“碳源材料”可以在不影响食物供应的情况下用于化学品合成，仅占总“碳源材料”需求的10%～15%[51]。

3.2.3 循序渐进按照国情务实选择 尽管学界和工业界对于化石资源的代谢模式存在很多探讨，但也开始形成了一些共识，即在很长一段时间内，化石资源将依然发挥其重要的“材料属性”，提供“碳源材料”。随着技术突破和经济可行性的成立，来自于循环经济、生物质和原料二氧化碳的“碳源材料”供应会逐步替代化石资源的“碳源材料”，最终形成多元“碳源材料”的供给体系。有学者将这种变革形容为用非化石原料重新设计化学工业价值链，他们认为，从基于化石资源的化学工程（化学工业）向绿色、低碳、循环的化学工程（化学工业）过渡必须在综合系统的背景下进行周密的设计，以考虑可能由土地改造、水资源利用或与粮食生产竞争引起的负面影响[62]。有研究认为，化学工业从以化石资源为“碳源材料”到向可再生“碳源材料”的转变过程可能会持续整个21世纪[51]。有学者预测，随着技术发展，在2050年，非化石资源的“碳源材料”输入将达到约30%（包括20%来自循环经济和CCUS，10%来自生物质）。而到2070年，可再生“碳源材料”的输入可能会超过化石资源。最终到2100年，可再生碳源可能完全满足人类社会的化学品需求[51]。

对于中国来说，这种转型需要符合中国国情。在保障能源安全的前提下推进碳减排，对于经济的高质量发展以及“两个一百年”目标的实现具有重要意义[63]。在“富煤、贫油、少气”的能源结构特点下，以煤炭为主的化石资源消费需要稳步调整。在碳排放约束下，应逐步实现电力的脱碳化，减少能源系统对于化石资源的依赖，弱化化石资源的能源属性，谋求技术突破，强化化石资源的“材料属性”，大力促进化石资源的材料化。

4 结 论

在当前发展模式下，物质资源利用与碳排放具有强关联。低碳发展转型需要推动物质资源利用与碳排放逐步脱钩，提升资源效率。但是，低碳转型也有极大可能将拉动诸如关键金属和关键材料等大量资源需求，需要技术创新和发展循环经济对冲资源消耗反弹效应。化学工程为新能源发展提供不可或缺的技术和材料支撑体系，同时也应探索为抵消这种反弹效应提供创新性解决方案。低碳转型时期化石资源的利用模式将逐步发生两个巨大转变，其一是能源系统的根本转变，即能源系统的深度脱碳，化石资源从“能源”向“材料和资源”的转变，这一转变会对很多流程工业产生巨大的影响；其二是化石资源代谢模式的转变，即化学工业由以化石资源为主体的“单一碳源”的资源利用模式向包含可再生、可循环碳源的“多元碳源”模式转变。化学工程是研究物质资源加工转化利用的核心学科，面对低碳转型带来的资源利用模式转换和碳排放刚性约束，广大化学工程科研人员与化学工业从业者应共同努力构建化工碳中和技术体系和产业体系，通过重塑化工流程、碳材料流系统和新能源模式，为打破物质资源利用与碳排放的强关联发挥关键作用。