傳統(tǒng)工藝每生產(chǎn)一噸乙烯，產(chǎn)生約1.5噸二氧化碳。2020年全球碳排放總量為340億噸，其中乙烯生產(chǎn)排放二氧化碳超過2.6億噸，幾乎占全球碳排放總量的0.8%。

化學(xué)品制造商很早以前就意識到了乙烯碳排放問題。1980—1990年，研究人員就探索了甲烷氧化偶聯(lián)和生物乙醇脫水等方法，降低乙烯生產(chǎn)碳強度，但商業(yè)化效果并不顯著。

化學(xué)品制造商減少碳排放壓力越來越大，其正努力降低乙烯生產(chǎn)的碳排放，降低碳排放已成為很多公司的共同承諾。例如，陶氏化學(xué)和殼牌都計劃2050年實現(xiàn)碳中性。2030年前巴斯夫?qū)⒕S持其二氧化碳排放量不變。

化學(xué)品制造商正測試多種新技術(shù)，包括電氣化乙烯爐、二氧化碳直接制乙烯以及催化制乙烯。

電氣化裂解制乙烯 陶氏化學(xué)能源和氣候變化全球業(yè)務(wù)總監(jiān)Edward Stones表示，公司二氧化碳排放量的10%來自裂解爐等工藝熱源。2020年6月陶氏化學(xué)和殼牌宣布要合作開發(fā)電裂解，利用可再生能源電力產(chǎn)生裂解需要的熱量。陶氏化學(xué)表示，電氣化可以減少工廠二氧化碳排放多達50%。

陶氏化學(xué)表示，技術(shù)研發(fā)主要是設(shè)計加熱元件以及研究電加熱如何對不同原料造成影響（有些原料裂解比其他原料需要更多熱量）等。不僅陶氏化學(xué)和殼牌研發(fā)電裂解爐，2019年巴斯夫、Borealis、英國BP、利安德巴賽爾工業(yè)、沙比克（Sabic）與道達爾宣布，將共同研發(fā)電裂解爐。

2019年巴斯夫與林德合作研發(fā)電裂解爐技術(shù)，正致力于解決電壓管理等問題，并將測試1 000℃左右運轉(zhuǎn)的元件。巴斯夫表示，公司目前正與其合作伙伴為下一步?jīng)Q定做準(zhǔn)備，例如投資一座小規(guī)模試驗工廠。

陶氏化學(xué)表示，與技術(shù)障礙競爭相比，電網(wǎng)挑戰(zhàn)同樣重要?？稍偕茉垂?yīng)可能具有間歇性，往往取決于天氣。但對于工業(yè)工廠，能源穩(wěn)定性至關(guān)重要。陶氏化學(xué)表示，克服可再生能能源間歇性非常困難。長期內(nèi)陶氏化學(xué)將采用有競爭力、廉價且可持續(xù)的能源。

芬蘭初創(chuàng)企業(yè)Coolbrook公司擁有專有電氣化裂解技術(shù)，但不是通過電阻器或電弧產(chǎn)生熱量，而是利用動能產(chǎn)生熱量。Coolbrook公司Roto動態(tài)反應(yīng)器核心是轉(zhuǎn)速為2萬轉(zhuǎn)/分鐘（約300米/秒）的轉(zhuǎn)子，以超聲速將石腦油或乙烷推入至擴散器室，產(chǎn)生沖擊波將原料加熱到裂解溫度。Coolbrook公司首席執(zhí)行官Harri Johannesdahl表示，與傳統(tǒng)裂解裝置相比，Coolbrook技術(shù)縮短了停留時間，乙烯收率提高了30%。Coolbrook技術(shù)將乙烯裂解裝置總能源消耗降低了30%，并通過使用可再生能源實現(xiàn)零排放。

Coolbrook公司今年年底前計劃在荷蘭Geleen建設(shè)一座產(chǎn)能400千克/小時的小規(guī)模試驗工廠，下一步計劃建設(shè)產(chǎn)能5 000~10 000千克/小時的試驗工廠。Coolbrook公司電氣化裂解技術(shù)進展領(lǐng)先于其他致力于電氣化裂解的公司。但Catalyst集團表示，Coolbrook公司的技術(shù)還不具備規(guī)?；?，還會遇到很多挑戰(zhàn)。

二氧化碳制乙烯 另一種減少二氧化碳排放的方式是通過二氧化碳直接制乙烯。2020年12月，巴西石化制造商Braskem公司與伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（UIC）合作，研發(fā)電化學(xué)還原二氧化碳制取乙烯，利用傳統(tǒng)乙烯裂解爐廢氣中的二氧化碳制造更多乙烯。Braskem公司一直在巴西用從甘蔗中衍生的乙醇制取乙烯，并將乙烯用于綠色環(huán)保聚乙烯生產(chǎn)線。

研究人員一直致力于電化學(xué)還原二氧化碳生產(chǎn)烴類化合物及甲酸等含氧化合物。研究人員表示，電化學(xué)還原二氧化碳已是研究非常充分的領(lǐng)域了。在電化學(xué)還原二氧化碳中，氫離子由陽極的水分子產(chǎn)生，二氧化碳則在陰極處被還原，碳離子和氫離子結(jié)合生成乙烯。商業(yè)系統(tǒng)中每生產(chǎn)1千克乙烯需要15~30千瓦的電力。在全面部署并使用可再生能源條件下，該系統(tǒng)能夠?qū)⒁蚁┥a(chǎn)過程中碳強度降低20%~30%。

然而，電催化制乙烯仍面臨挑戰(zhàn)。為了催化劑保持長期穩(wěn)定性和活性，需要對銅基催化劑組成和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。需要分離反應(yīng)器中混合的二氧化碳和乙烯。需要將裂解爐廢氣中的二氧化碳濃縮，但UIC研究人員已取得相關(guān)專利。

位于加州伯克利的初創(chuàng)企業(yè)Opus 12公司也在研究二氧化碳電化學(xué)還原，該公司也在研究除乙烯外的其他產(chǎn)品（包括一氧化碳和甲烷）。Opus 12公司首席執(zhí)行官Nicholas Flanders表示，公司首要目標(biāo)是一氧化碳。與合成乙烯相比，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳需要更少能量。由于反應(yīng)要求較低，Opus 12公司可以有更多時間研發(fā)催化劑。公司還預(yù)測了特種化學(xué)品制造商對合成一氧化碳的需求。Opus 12公司正與西班牙能源和化學(xué)生產(chǎn)商萊普索爾合作開發(fā)乙烯生產(chǎn)工藝。同時，Opus 12公司獲得了美國國家航空航天局（NASA）小型企業(yè)創(chuàng)新研究資金，將利用火星大氣層二氧化碳制聚乙烯。

Opus 12公司正嘗試提高催化劑選擇性，減少副產(chǎn)物，同時也提高效率。如果公司能達到理論效率（乙烯生產(chǎn)耗能13千瓦/千克）的50%以內(nèi)，那么工藝就具有經(jīng)濟可行性。以目前工業(yè)電價計算，乙烯成本大約為1 000美元/噸。盡管該成本與近期乙烯的全球銷售價格大致相符，但這幾乎是美國傳統(tǒng)乙烯裂解成本的4倍。然而，每生產(chǎn)1噸乙烯，就會捕集約3噸二氧化碳。如果使用低碳電力，將會減少更多二氧化碳排放。Opus 12公司目前已籌集了政府和私人投資者的2 000萬美元資金。公司至少還需要幾年才能達到工業(yè)規(guī)模。

Catalyst集團項目經(jīng)理Chri Dziedziak表示，潛在副產(chǎn)物是電化學(xué)還原二氧化碳的重要阻礙。副產(chǎn)物不僅使分離更具挑戰(zhàn)性，還能迅速降解催化劑。與大規(guī)模電化學(xué)還原二氧化碳相比，短期內(nèi)電裂解爐也許更可行。

催化或化學(xué)環(huán)化制乙烯 在傳統(tǒng)乙烷原料中應(yīng)用催化或化學(xué)環(huán)化制乙烯，既減少二氧化碳排放，又符合化工需要。陶氏化學(xué)正研發(fā)乙烷催化脫氫技術(shù)，該技術(shù)模仿了陶氏化學(xué)將丙烷轉(zhuǎn)化為丙烯的新催化脫氫（FCDh）工藝。陶氏化學(xué)表示，與傳統(tǒng)丙烷脫氫工藝相比，新丙烷脫氫工藝可減少25%的能耗。2022年6月陶氏化學(xué)將在其位于美國路易斯安那州Plaquemine工廠安裝一座丙烯年產(chǎn)量10萬噸的示范裝置。陶氏化學(xué)已將其技術(shù)授權(quán)給美國丙烯生產(chǎn)商PetroLogistics公司。

陶氏化學(xué)表示，其丙烯技術(shù)類似于催化裂解，煉廠通常用催化裂解將長鏈烴裂解生成汽油和丙烯。與傳統(tǒng)丙烷脫氫裝置相比，F(xiàn)CDh裝置可在更低溫度和壓力下工作。此外，陶氏化學(xué)催化劑也比傳統(tǒng)丙烷裝置催化劑具有更高選擇性。如果用新乙烯催化脫氫技術(shù)制乙烯，可減少40%~50%的碳排放。然而，陶氏化學(xué)研究人員還面臨著挑戰(zhàn)。乙烷脫氫是完全不同的化學(xué)反應(yīng)，因此，還需繼續(xù)研發(fā)催化劑，同時，陶氏化學(xué)也需進一步優(yōu)化FCDh技術(shù)。

2020年10月殼牌表示，其正與林德合作研究乙烷氧化脫氫制乙烯。林德已在德國Pullach運營了一座示范工廠，使用其Edhox技術(shù)。該工藝中，乙烷和氧氣反應(yīng)生成乙烯和水。反應(yīng)溫度低于400℃，且能減少二氧化碳排放60%，但該技術(shù)潛在缺點是會產(chǎn)生大量乙酸。

EcoCatalytic公司總部位于美國馬薩諸塞州，其正在開發(fā)另一種氧化過程，涉及到金屬氧循環(huán)。公司表示，其能將乙烯生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放量減少80%。EcoCatalytic公司的工藝中，金屬氧化物的氧與乙烷反應(yīng)生成乙烯和水，金屬回到氧化劑再生裝置中，與另一個氧結(jié)合生成金屬氧化物，反應(yīng)能量來自金屬氧化。EcoCatalytic公司目前使用的金屬主要是錳。該工藝自身會產(chǎn)生熱量，因此不需要加熱爐。

EcoCatalytic公司獲得了美國能源部先進研究項目機構(gòu)能源計劃的550萬美元資助，以及美國能源部先進制造辦公室200萬美元資助。這些資金將投入到位于SandAntonio西南研究所的試驗工廠。該試驗工廠已經(jīng)運行了1 000多個小時，其面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理熱量及流體動力學(xué)。EcoCatalytic公司正在尋找可以合作的化工公司，同時也在尋找能為下一步發(fā)展提供資金支持的戰(zhàn)略投資者。

Catalyst集團表示，在循環(huán)過程中，分離、回收和復(fù)原活性組分，會產(chǎn)生額外成分和成本。因此，規(guī)模更大的公司沒有投資此類工藝。然而，陶氏化學(xué)表示，對于大型化工企業(yè)，應(yīng)該進行大膽行動，徹底解決問題。以上工藝都是突破性進展，漸進性解決方案并不能實現(xiàn)2050年的碳中性目標(biāo)。為實現(xiàn)碳中性，必須做出重大改變和創(chuàng)新。