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争议碳捕集利用:绕不开的碳中和路径?

中国现阶段要以什么路径实现碳中和?| 图源:istockphoto,TarikVision

 

导  读

碳捕集与利用被认为是一项 “双赢” 技术——同时创造经济和环保效益。不过,对这项技术的反对声音也不绝于耳,大多集中在技术成本、减排潜力、环境影响方面。
 

撰文 | 宋欣珂

责编 | 冯灏

 

在山东的胜利油田,73口注入井伫立于此,预计每年将向地下注入近百万吨二氧化碳 [1]。
这是国内首个百万吨级的二氧化碳捕集、利用与封存项目,2022年4月开启生产调试 [2]。项目中的二氧化碳来自齐鲁石化的煤制气装置尾气,经过压缩、制冷、液化精制等环节,通过罐车运输到胜利油田注入油井,目标是提高石油采收率,创造经济效益,同时,二氧化碳通过置换油气、溶解与矿化作用实现地下封存。
这一项目预计每年实现100万吨二氧化碳的捕集,按照中国7.41吨的人均碳排放量计算 [3],相当于大约13万人一年的碳排放量。
图1 我国首个百万吨级的二氧化碳捕集、利用与封存项目启动 | 图源:央视视频


既捕集温室气体二氧化碳,又创造经济效益,是碳捕集、利用与封存技术的特殊优势。近年来,这一领域备受资本青睐,涌现出了诸多初创企业 [4]。
在新西兰成立的LanzaTech利用微生物气体发酵技术将二氧化碳转化为化学品和燃料;加拿大公司CarbonCure在预拌混凝土生产过程中加入液体二氧化碳,将二氧化碳转化为固体矿物质永久保留在混凝土中,实现减排的同时改善了混凝土性能;在冰岛的 Carbon Recycling International 通过结合工业废弃中的二氧化碳和绿色氢气,生产绿色甲醇……
市场咨询公司 Lux Research 2021 年的报告中指出,到2040年,碳捕集与利用的市场规模可能达到 5500亿美元 [5]。
不过,伴随对碳捕集与利用的关注和热捧,是从未中止的质疑声,一些学者认为,这一技术并不能帮助减少碳排放,甚至会造成负面的环境影响。那么,现下碳捕集与利用技术的研发者如何回应质疑?在碳中和愿景下,碳捕集与利用的角色定位又是如何?


碳捕集与封存,加上利用

 

碳捕集与利用是指从二氧化碳点源或环境空气中技术性地捕获二氧化碳,随后用于产品或作为产品使用的过程。这类技术受到如此多的关注,原因之一是它在碳中和实现路径中的重要价值。
在技术规划和路径研究中,碳捕集与利用(CCU)一般被并入碳捕集、利用和埋存(CCUS)技术大类,“从概念上讲,其实是先有了碳捕集与封存(CCS),随着对技术认识的不断深化,加上中美两国的大力倡导,又加上了 ‘利用(Utilization)’。” 北京师范大学中国绿色发展协同创新中心执行主任张九天说。
他回忆,那是在2011年的北京碳收集领导人论坛,时任科技部部长万钢、国家发改委副主任解振华和美国能源部部长朱棣文都参加了,中美两国在战略层面都更重视“利用”,当时在讨论中专门加上的。
综合联合国政府间气候变化专门委员会、国际能源署、国际可再生能源机构的预测 [6–9],全球碳捕集、利用和埋存减排贡献量将在2030年达到1.0亿~ 16.7亿吨/年,在2050年达到27.9亿~ 76.0亿吨/年。
生态环境部环境规划院、中国科学院武汉岩土力学研究所等机构将碳捕集、利用和埋存的定位概括为:目前实现大规模化石能源零排放利用的唯一技术选择、碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段、钢铁水泥等难以减排行业深度脱碳的可行技术方案、实现碳中和目标的托底技术保障 [10]。2021年,我国 “十四五” 规划首次在五年总规划中提及碳捕集、利用和埋存 [11]。
即便如此,该技术的角色定位在碳中和路径中依然有很大争议。清华大学环境学院教授王灿担任了第六次IPCC评估报告评审编辑。“在章节的写作和修改过程中,可以感受到有一些学者对碳捕集与利用技术持比较负面的态度,” 王灿说,“因为觉得它意味着可以继续使用化石能源来实现碳中和,会削弱气候行动的决心。实际上这种态度是对碳中和实现路径的一种比较狭隘的预判和理解。”
 

在碳中和路径中的特殊价值

 

实现碳中和的可能路径有很多,在不同的情景中,碳捕集、利用和封存将发挥不同的作用。
“举两个比较极端的情景,” 王灿说,“乐观情景下,可再生能源未来全面替代化石能源,能源系统的碳排放量将非常小,可以用农林碳汇抵消,那么,我们对碳捕集、利用和封存的依赖将非常小;还有另一种情景,考虑能源安全、产业结构、搁浅资产风险、电网稳定性要求等,未来还需要依赖一定的化石能源,此时,要实现碳中和就必须部署相应规模的碳捕集、利用和封存。”
“当前,我们还很难预判最终实现路径中各项技术的具体比例,不同技术在未来市场竞争中相对优势的变化、一些新技术的出现都会影响这个路径。” 王灿说。
如果把碳捕集与利用和碳捕集与封存两种路线拆分开看,碳捕集与利用在气候变化减缓上的作用可能更加有限。
2017年发表于《自然-气候变化》的一篇文章指出,刨去通过提高石油采收率技术(Enhanced Oil Recovery, EOR)将二氧化碳注入地下的利用方式以外,其他碳捕集与利用技术的封存量十分有限:从长期来看,这些减排量仅占减排目标的0.49%(文中采用国际能源署假设,到2050年,实现2摄氏度温升目标预计要累计减排二氧化碳约8000亿吨)  [12]。
这主要是由于很多碳捕集与利用技术并不能长期封存二氧化碳,并且虽然近来市场规模有所增长,但整体潜力依然有限。
图2 碳捕集与利用技术对总封存量的实际贡献 | 数据来源[12],图源chinadialogue.net


在碳中和的实现路径中,碳捕集与利用在中短期发展中有其特殊价值。
“技术的发展有一定路径,大规模的直接空气捕集和永久封存不可能立即实现,” 张九天解释说,“而资源化利用可以带来一定的经济效益,这个过程可能没有大规模的减排效益,但是它在一定程度上促进了技术的应用,降低了技术的成本,因此是现阶段值得发展的技术。”
虽然从减排路径的角度看,碳捕集与利用的应用潜力仍有一定的不确定性,但在碳资源的循环利用方面,它有着无可替代的价值。“只要人类想要长远发展,就绕不过碳的循环和利用,碳捕集与利用是人工碳循环的关键步骤。” 浙江大学教授邢华斌说。
工业领域以外,碳捕集与利用的应用场景可以远至星辰大海——潜水艇、太空舱,甚至是 “火星种菜”,这种技术让特殊环境下的二氧化碳循环利用成为可能。
 

“解吸是未来值得探索的关键步骤”

 

顾名思义,碳捕集与利用主要涉及捕集和利用两大环节,这一概念下涵盖了很多细分技术 [13]。
在捕集方面,可以从空气中直接捕集或从工业点源捕集,在利用方式上,可以分为直接利用、加强油气回收、矿化利用、制造燃料和化学品几类。近年来,有几种技术路径受到学界的密切关注,产生了很多基础研究成果,其中一些可以商用。

图3 碳捕集与利用技术概览 | 图源[4],改编自[13]


而碳捕集技术成熟程度的差异则比较大。
《中国二氧化碳捕集利用与封存报告(2021)》将碳捕集技术分为两代,第一代包括燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术,这类技术发展渐趋成熟,主要瓶颈为成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验;而第二代包括新型膜分离技术、新型吸收技术、新型吸附技术、增压富氧燃烧技术等。
第二代技术目前仍处于实验室研发或小试阶段,上述报告认为,该技术成熟后,其能耗和成本会比成熟的第一代技术降低30%以上,2035年前后,有望大规模推广应用 [10]。
但是,新技术的研发还有很多待突破的障碍。“例如降低捕集工艺或材料的能耗和成本,开发在一些特殊环境下具有稳定性的捕集工艺,从而适应不同特性的工业应用场景等。” 邢华斌说。
邢华斌认为,解吸是未来值得探索的关键步骤,这方面一些新的机理和方式可能带动整个产业的成本下降。他的团队与南京工业大学王军团队和新加坡国立大学颜宁团队合作,开发了含杂原子丝光沸石整体材料,这种材料在吸附容量、分离效率和抗水汽性能等方面表现优异,在工业二氧化碳捕集方面有良好的应用前景 [14]。
另外,邢华斌团队研发出了在强酸或强碱溶液(pH=2-12)中具有良好稳定性的草酸阴离子吸附剂,在高温、高湿的特殊环境下仍可实现二氧化碳的高效捕集 [15],也是由于这一工作,邢华斌获得了2021年度“青山科技奖”。该奖项旨在鼓励更多科研力量投身环保研究,助力绿色低碳基础科研及技术成果转化,推动行业绿色发展。

 

“在精细化学品的制备上有比较好的应用潜力”

 

碳利用是一个由来已久的产业,已有很多成熟商业化的途径。
据国际能源署的估算 [16],2015年全球二氧化碳利用的需求量约为2.3亿吨,其中,化肥和油气行业占主导,尿素生产需求约1.3亿吨,提高石油采收率需求在7000万~ 8000万吨,其余来自食品饮料制造、金属制造等产业。
国内很多学者在这一领域发表了突破性的成果,例如:中科院天津工业生物技术研究所马延和团队设计了全新的人工合成路线,通过11步核心生化反应实现二氧化碳到淀粉的转化 [17];电子科技大学夏川团队与中科院深圳先进技术研究院于涛团队、中国科学技术大学曾杰团队合作,通过电催化将二氧化碳和水合成高纯乙酸,再以乙酸及乙酸盐为碳源,经生物发酵合成葡萄糖和脂肪酸等长碳链分子 [18]。
2021年度 “青山科技奖” 获奖团队、湖南大学王双印团队在常温常压条件下通过电催化手段将氮气与二氧化碳直接偶联转化成尿素 [19],由于火星上存在用于电催化尿素合成的主要原料,包括二氧化碳、水、氮气等,这一项工作为氮气与二氧化碳分子的固定提供了新的思路,同时也为“火星改造计划”中植物生长提供肥料供应策略。
不过这些突破性技术距离大规模工业化还有很长距离。以电催化尿素合成技术为例,王双印介绍,“现阶段我们的技术不会应用于大宗化学品制备,但在精细化学品的制备上有比较好的应用潜力。”

 

未来成本的下降主要依赖技术创新和规模效应

 

捕集成本过高是碳捕集与利用技术发展的主要障碍之一。
碳捕集成本随捕集源中二氧化碳的浓度降低而升高:当二氧化碳浓度较高时(如化肥和煤化工厂等),碳捕集成本目前大约为10美元/吨二氧化碳;对于钢铁/水泥厂等浓度稍低的捕集源,碳捕集成本最低约为50美元/吨二氧化碳;对于天然气发电厂等浓度更低的捕集源,目前的成本大约为100美元/吨二氧化碳甚至更多 [20]。
大部分工业烟气中的二氧化碳浓度大约占5-30%的气体体积,而空气中的二氧化碳浓度相对较低(仅占0.04%气体体积),因此,直接空气捕集(Direct Air Capture, DAC)的成本非常高,目前主要技术供应商的成本估计在95-230美元/吨二氧化碳(固体DAC路线)和100-600美元/吨二氧化碳(液体DAC路线) [21]。
碳利用的成本根据转化和利用方式而有所不同。以电催化利用技术为例,王双印提到,“电化学体系的建设成本主要来自电解槽,其中包括催化剂和膜两种关键材料,运营成本则主要来自电解需要的电力消耗,这两部分成本未来都有一定的下降空间。”
未来,碳捕集与利用技术成本的下降主要依赖技术创新和规模效应。在谈到未来技术的成本下降空间时,王双印说,“一方面要寻找低成本高性能的材料、低能耗的反应体系等;另一方面也要从产业发展和工艺设计两个角度去考虑规模化的问题。”
由于捕集和转化过程中的能耗是成本的主要构成,未来能否获得清洁廉价的能源也是决定技术成本能否大幅下降的关键。


真的能帮助减排吗?
 

关于碳捕集与利用技术能否帮助减排,学界有很多质疑的声音。有学者认为很多以这种方式生产的产品只是稍稍延缓了二氧化碳进入大气的过程,最终,这些产品还是会通过燃烧或降解的方式将二氧化碳释放到大气中。
以碳捕集与利用制甲醇的路线为例,有学者指出这种方式会比传统的化石燃料排放更多二氧化碳 [12]。
一方面,从能源投资回报率(能源资源获得的能源量与生产该能源所消耗的能源量之比)来讲,将二氧化碳转化为甲醇燃料非常低效。捕集火电厂烟气中的二氧化碳并将其转化为甲醇,能源投资回报率仅为0.45,如果从空气中捕集,能源投资回报率会降至0.33。而传统的化石能源投资回报率约为20-46,差距明显。
另一方面,碳捕集与利用系统并不能100%利用所捕集的二氧化碳,作为液体燃料的甲醇使用后还是会导致二氧化碳排入大气。
混凝土的生产也是一个例子。
2022年2月发表于《自然-通讯》的一篇文章指出:注入二氧化碳可能会降低混凝土的抗压强度,而为了保持抗压强度所需的辅助胶凝材料生产的碳排放、二氧化碳捕集、传输和储存过程的排放等都不容忽视。在某些情况下,在混凝土行业应用碳捕集与利用技术不仅不能减排,甚至可能排放更多的二氧化碳 [22]。
近来发表于《一个地球》的一篇研究中,荷兰奈梅亨大学的 Kiane de Kleijne 和她的合作者以全生命周期的视角评估了数十种碳捕集与利用技术路线并指出:只有极少数碳捕集与利用的技术路线能够帮助实现气候目标,一些碳捕集与利用技术方案仅在短期内符合标准,长期则会拖慢产业的转型升级,反而加剧减排难度 [13]。
除了难以真正实现碳减排以外,碳捕集与利用技术带来的环境污染和资源消耗也是棘手的问题。
发表于《自然-能源》的研究对高温水溶液技术和变温真空吸附两种直接空气捕集技术路径进行了生命周期评价,结果显示,变温真空吸附过程的热能需求为2.3-6.2 GJ/t二氧化碳,电力需求大约为130-350kWh/t二氧化碳。温水溶液技术的热能需求为4.05-4.47 GJ/t二氧化碳,电力需求为337-534 kWh/t二氧化碳,这些热能和电力不仅在生命周期上游引起额外的碳排放,还会消耗珍贵的土地、水和材料等资源 [23]。

 

警惕绿色噱头

 

无论是减排路径中的战略性技术还是托底性技术,是碳排放的减排途径还是碳资源的循环利用方式,碳捕集利用与封存技术都有重要价值,但现在这一产业还处于萌芽阶段。

 

“从技术上讲,碳捕集与封存的全链条都可以实现,目前全球已有100多个处于不同阶段的商业碳捕集、封存与利用项目在示范。尽管在一些环节还需要新技术供应,主要集中在碳利用上,但其产业化应用的主要障碍在于成本太高。因此,当前阶段推进技术研发的主要目标应是降低成本。” 王灿说。

 

未来,碳捕集与利用的发展不仅依赖研发创新,也需要政府强有力的政策支持和私营部门的资金投入。在谈起推动技术发展的激励措施时,张九天提到,“近两年来,各个渠道围绕碳中和在全民范围内做了很大的政策和科学普及,碳捕集利用与封存对于实现碳中和的重要性已经更广泛地被认识到。哪些是有前景的技术和产业,投资人和企业家们看得很清楚,当前气候投融资等工具已经开始支持,相信未来会更多的激励措施出台。”


同时,碳捕集与利用技术的真实减排效果和环境影响也是不容忽视的问题。对于学界、业界和政府来说,以全生命周期的角度评估碳捕集与利用技术至关重要——它帮助我们鉴别哪些是真正有益环境的技术,而哪些是以绿色为噱头的 “伪减排” 技术。 

 

参考文献:

1. 操秀英. 我国首个百万吨级碳捕集利用与封存项目建成. http://stdaily.com/index/kejixinwen/202201/c0fd940b482f472cbb3d31d7ab062b47.shtml (2022).

2. 齐鲁石化公司. 关于对齐鲁分公司二氧化碳回收利用项目试生产公示. http://qlsh.sinopec.com/qlsh/news/com_notice/20220413/news_20220413_571773855884.shtml (2022).

3. Ritchie, H., Roser, M. & Rosado, P. CO₂ and Greenhouse Gas Emissions. Our World in Data https://ourworldindata.org/co2/country/china (2020).

4. Peplow, M. The race to upcycle CO2 into fuels, concrete and more. Nature 603, 780–783 (2022).

5. Lux Research. The Emergence of a Carbon Economy. https://www.luxresearchinc.com/the-emergence-of-a-carbon-economy-executive-summary (2021).

6. IPCC. Global Warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, and T. Waterfield (eds.)]. (2018).

7. IRENA. Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050. https://www.irena.org/publications/2020/Apr/Global-Renewables-Outlook-2020 (2020).

8. IEA. Energy Technology Perspectives 2020 – Analysis. https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020 (2020).

9. IEA. Net Zero by 2050: a Roadmap for the Global Energy Sector. https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050 (2021).

10. 蔡博峰,李琦,张贤 等. 中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2021)——中国 CCUS 路径研究. (2021).

11. 国家发展和改革委员会. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要. https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202103/t20210323_1270124.html?code=&state=123 (2021).

12. Mac Dowell, N., Fennell, P. S., Shah, N. & Maitland, G. C. The role of CO2 capture and utilization in mitigating climate change. Nature Clim Change 7, 243–249 (2017).

13. de Kleijne, K. et al. Limits to Paris compatibility of CO2 capture and utilization. One Earth 5, 168–185 (2022).

14. Zhou, Y. et al. Self-assembled iron-containing mordenite monolith for carbon dioxide sieving. Science 373, 315–320 (2021).

15. Yu, C. et al. Selective capture of carbon dioxide from humid gases over a wide temperature range using a robust metal–organic framework. Chemical Engineering Journal 405, 126937 (2021).

16. IEA. Reuse: carbon reuse. https://www.cceguide.org/wp-content/uploads/2020/08/04-IEA-Reuse.pdf.

17. Cai, T. et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide. Science 373, 1523–1527 (2021).

18. Zheng, T. et al. Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering. Nat Catal 5, 388–396 (2022).

19. Chen, C. et al. Coupling N2 and CO2 in H2O to synthesize urea under ambient conditions. Nat. Chem. 12, 717–724 (2020).

20. Global CCS Institute. Technology Readiness and Costs of CCS. 50 (2021).

21. IEA. Direct Air Capture 2022. https://www.iea.org/reports/direct-air-capture-2022 (2022).

22. Ravikumar, D. et al. Carbon dioxide utilization in concrete curing or mixing might not produce a net climate benefit. Nat Commun 12, 855 (2021).

23. Madhu, K., Pauliuk, S., Dhathri, S. & Creutzig, F. Understanding environmental trade-offs and resource demand of direct air capture technologies through comparative life-cycle assessment. Nat Energy 6, 1035–1044 (2021).

24. Cruz, T. T. da et al. Life cycle assessment of carbon capture and storage/utilization: From current state to future research directions and opportunities. International Journal of Greenhouse Gas Control 108, 103309 (2021).


√2022年度美团青山科技奖申报启动眼下,2022年度美团青山科技奖已经启动了申报工作,申报时间为2022年6月5日至9月5日,符合条件的科研工作者均可通过青山科技基金官网进行申请。青山科技基金是由美团发起,中国科协生态环境产学联合体、中国石油和化学工业联合会作为战略合作伙伴共同参与,相关学会和行业协会共同支持的公益性基金,先期投入5亿元。该基金资助方向包括青年科学家公益性奖项 “青山科技奖” 和 “科创中国” 美团青山环保科技创新示范项目两大分支。2021年8月至2022年2月,按照《青山科技奖章程》及《“科创中国” 美团青山环保科技创新示范项目管理办法》,青山科技基金组织开展征集和评选工作,经过形式审查、评选和公示环节,最终产生9名 “青山科技奖” 获奖人及9个入选示范项目。

 



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