碳捕获利用与存储（CCUS）技术如何助力碳中和

　　面对气候变化带来的严重威胁，人类并非一筹莫展。除了节能减排以外，我们还能够借助科技的力量，将已经排放到大气中的二氧化碳捕捉收集起来并加以利用，实现负碳排放。这种神奇的科技是如何实现的？
　　01
　　二氧化碳是全球变暖的重要因素
　　目前全球气候变化已经成为人类社会可持续发展面临的严峻挑战，导致这一问题的主要原因是温室气体（GHGs）浓度的增加。
　　在人类活动所排放的温室气体中，二氧化碳占比最大，占全球排放量的四分之三（努涅斯Nunez，2019）〔1〕。碳排放主要来自发电行业所燃烧的化石燃料（煤炭、石油、天然气、木材）和固体废弃物。
　　欧盟〔2〕也将二氧化碳称为全球变暖的最大贡献因素。根据记录，相比工业革命之前（1750年前），2020年大气中二氧化碳的浓度增加了48。除了化石燃料的燃烧，森林砍伐也是碳排放的另一大来源。下图展示了2018年全球不同产业部门温室气体排放量占比。
　　图1：2018年全球不同产业部门排放的温室气体（二氧化碳当量）占比（数据来源：世界资源研究所WRI气候数据分析指标工具CAIT）〔3〕
　　图1包含了两组数据：主要产业部门〔4〕及能源部门内的细分行业〔5〕。2018年全球排放总量为489。4亿吨二氧化碳当量（即图1的100），在五大产业部门的排放量中，能源部门排放占温室气体排放总量的四分之三以上（76。1）
　　其次是农业部门（11。9）和工业生产过程（5。9）。这一巨大的占比差表明了能源部门是造成全球温室气体排放的主要原因。而在能源部门的细分行业中，发电供暖、交通运输，以及制造业位列前三，分别占总量的41。9、22。2和16。6。
　　大部分能源产业的碳排放来自于燃烧化石燃料所产生的二氧化碳，如本文开头强调过的，这也是全球温室气体的主要来源。
　　02
　　实现低碳的两种路径：降碳和除碳
　　随着全球气候变化影响日益加剧，积极应对气候变化成为当今世界大势所趋，我们必须积极采取行动。
　　2015年12月，《联合国气候变化框架公约》的195个缔约方通过了《巴黎协定》，旨在将全球气温升幅限制在比工业化前水平高2以内，并寻求将气温升幅进一步限制在1。5以内的措施。（联合国气候行动）〔6〕，有上百个国家同意在2050年以前达到碳中和的目标。
　　在《巴黎协定》通过五周年之际，联合国秘书长安东尼奥古特雷斯在发表的一份公报〔7〕中指出，一场充满希望的碳中和运动正在兴起，到2050年实现碳中和是当今世界最为紧迫的使命，各国政府、企业和人民需要携手合作，共同努力实现这一目标。
　　如今，我们已经看到许多不同的解决方案在为地球未来的可持续发展和低碳发展做出贡献。在这个科技飞速发展的时代，基于新技术的解决方案比传统方法展现出了更多优势，并能以指数级的速度发展和推广开来，从而加速推动碳减排和未来碳中和目标的实现。
　　在深入了解这些技术解决方案之前，我们需要先知道实现低碳的两种不同路径：降碳和除碳。
　　图2：几种降碳解决方案（图片来源：Andreus〔8〕）
　　降碳方案是各国和各行业所普遍采用的低碳解决方案，其理念是尽可能地减少环境中产生新的碳排放或温室气体排放。
　　我们可以减少石油和天然气的生产（Beck等，2021）〔9〕，或通过使用清洁和可再生的能源替代化石燃料来进行能源生产，以解决图1中能源部门碳排放占比过高的问题。
　　例如，风能、太阳能或生物质能发电可以用于能源生产、建造韧性建筑、驱动电动汽车以及垂直农业系统的运转。
　　尽管使用清洁和可再生能源进行生产有助于实现碳中和目标，但考虑到当前的二氧化碳浓度，仅靠降碳方案还远远不够。
　　如果不进一步采取行动和措施，大气中的碳将长期存在，全球变暖也难以在短期内得到控制。
　　03
　　除碳在碳减排中扮演关键的角色
　　第二种路径即除碳方案将在碳减排上扮演非常关键的角色。与降碳解决方案不同的是，除碳能够去除甚至实现负碳排放。
　　采用这一思路的技术被称为碳捕获与封存（CCS），概念是通过捕获二氧化碳并将其储存在地下以去除现有大气中的碳，从而实现大气中的负碳排放。
　　一般来说，CCS的应用有两种方式，即生物策略和技术策略。
　　CCS的生物策略可以定义为从大气中去除碳的自然策略，核心在于可以从大气中吸收二氧化碳的树木，因此植树造林和保护森林的行动能为这一策略提供支持。
　　国际能源署（IEA）〔10〕发布的《2021全球能源评估》报告显示，2021年仅能源领域的二氧化碳排放量就达到330亿吨。除能源领域外，还有来自其他产业部门的温室气体排放，这意味着有超过330亿吨的二氧化碳当量需要被移除。
　　然而，根据气体检测和监测解决方案制造商CO2METER（2021）〔11〕的测算，一棵普通硬木树每年能吸收大约24公斤的二氧化碳，也就是说它需要40年时间才能吸收约1吨的二氧化碳。面对要实现2050年全球碳中和的目标，我们只剩下不到30年的时间
　　因此，仅靠生物策略也就是植树造林远不足以实现这一目标。何况，植树造林还需要投入大量的时间成本和土地资源。
　　这一担忧促使人类进行更多的研究和技术开发，以更有效的方式消除和减少大气中的碳排放（IEA，2021）〔12〕。
　　04
　　通过CCUS可以对排放的二氧化碳提纯再加以循环利用
　　如前所述，CCS是一种碳去除系统，除了生物策略，我们还可以通过技术对捕获的碳加以利用。
　　因此，技术策略也可以称为碳捕获、利用与存储（CCUS），通过CCUS可以对排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用，而不是简单地封存。
　　图3：碳利用的多样性（来源：国际能源署，2021年）〔13〕
　　图3显示了二氧化碳从输入到转化的多种利用方式。中间部分是CCUS的输入源，包括化石燃料、工业制造、生物质能、地下矿床和空气中的二氧化碳。没错，空气中的二氧化碳也可以通过CCUS技术加以利用。
　　当输入源中的二氧化碳被提取后，有两种转化方式，分别是直接转化和间接转化。
　　直接转化，是指不需要其他化学混合物的干预，将捕获的原始碳立即投入利用。
　　根据IEA（2021）〔13〕统计，全球每年二氧化碳使用量约为2。3亿吨，其中约1。25亿吨用于生产农业肥料，约7000至8000万吨用于提高石油采收率。其它常用用途还包括食品和饮料生产，如水处理、冷却和苏打生产（见图3右侧）。
　　间接转化，即通过化学和生物过程将二氧化碳转化为有用的产品，使用途径包括：燃料、化学品和建筑材料。例如，将二氧化碳与氢气混合，产生用于交通的碳氢化合物燃料。在建筑方面，二氧化碳还能够替代水用于生产混凝土（见图3左侧）。
　　这种间接转化方式不会有新的碳产生，换句话说，这是一个碳中和循环过程，我们使用的产品实际上来自于二氧化碳的回收利用。
　　捕获的碳除了用于再利用之外，也可以将其储存碳会以气态或固态的形式被埋在地下，实现将其从大气中移除，形成负碳排放。
　　目前，CCUS有许多技术模型，在本文中，我们将专门讨论直接空气捕获（DAC）和生物质能碳捕集存储（BECCS）技术。
　　直接空气捕获（DAC）是一种通过化学反应从空气中直接分离并捕获二氧化碳的技术。如前所述，空气也可以作为CCUS的输入源之一。
　　通常情况下，以空气为原料的CCUS技术指的是从空气中捕获二氧化碳。
　　流程如下：
　　图4：DAC过程（来源：荣鼎咨询，2019）〔14〕周围的空气被风扇吸到收集器中。
　　收集器内部有一层过滤器，其中含有特定化学物质，能够将二氧化碳与空气中的其他成分分离开来。
　　当捕获到一定的二氧化碳后，将关闭收集器并对收集到的二氧化碳进行加热提纯。
　　最后，经过提纯的二氧化碳，将被注入地下永久储存（负碳排放），或用于生产制造（零碳排放）。
　　毋庸置疑，DAC在未来将大受欢迎。
　　首先，长远来看，DAC通过对二氧化碳进行回收和利用，其生产的产品可以实现可持续和零碳排放；
　　其次，与植树造林这种方式相比，DAC对土地面积的需求更少。根据Lebling（2021）〔15〕的数据，要捕获100万吨二氧化碳，需占用约862平方公里的土地进行植树造林，而建立一座DAC工厂和供能设施仅需要大约0。4至24。7平方公里的土地便可以实现这一目标。
　　最后，DAC还能将收集到的二氧化碳注入地层，以地质封存的方式实现负碳排放并有效应对气候变化。
　　加拿大的一家清洁能源公司CarbonEngineering（碳工程，简称CE）正在探索DAC技术的商业化进程。
　　CE从2018年开始致力于研究空气到燃料项目，即从空气中移除二氧化碳，并将其转化为燃料。
　　图5：CE的DAC工厂（来源：CE）〔16〕
　　该项目使用可再生电力从水中提取氢气，将其与从大气中捕获的二氧化碳结合，用作原料以生产能替代柴油、汽油、航空燃料的人造燃料。
　　根据Shah（2018）〔17〕的报道，CE预估捕获二氧化碳的成本约为每吨94至232美元。CE希望通过空气到燃料项目扩大规模，将生产的清洁燃料定价在每升1美元以内。
　　由此看来，成本和资金问题是限制当前DAC技术扩大规模的主要因素。
　　05
　　BECCS正在成为排放密集型行业脱碳的最佳解决方案
　　另一种技术是生物质能碳捕获存储（BECCS）。BECCS是从生物质（树木、作物）中提取生物能量的过程，其中捕获的碳可以储存在地下或用于生产产品。
　　该技术包括两个重要的产出，分别是将生物质能转化为能源（BE）和碳捕获存储（CCS）。过程如下：
　　图6：BECCS过程（来源：全球CCS研究所，2019）〔18〕1。大气中的二氧化碳自然封存于大自然的树木、作物等当中。
　　2。其中，能源作物、树木残茬和废弃物等生物质中的二氧化碳可运用于BECCS。
　　3。产出1（BE）：通过燃烧、发酵、热解或其它转化方法利用生物质，生成有效能源如电、热、生物燃料等。
　　4。产出2（CCS）：将自然封存中残留的碳提取出来，进行地质封存（负碳排放）或将其用于生产产品（零碳排放）。
　　如今，生物质能（BE）在全球能源结构中的占比有所提升。在BE中，释放的二氧化碳会再次被树木封存，这一循环可以实现零碳排放。
　　但在BECCS中，通过碳捕获和存储系统，将二氧化碳用于生产零碳产品或进行地质封存，进一步实现了负碳排放。
　　全球CCS研究所（2019）〔18〕指出，BECCS正在成为排放密集型行业脱碳的最佳解决方案，并帮助达到控制全球温升目标。
　　在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（2014）〔19〕中，BECCS被认为是除碳系统有效的解决方案。根据Simth和Porter（2018）〔20〕推测，通过采用BECCS技术，未来有望实现多达220亿吨年的二氧化碳当量负排放。
　　此外，据IPCC预计，BECCS实现碳去除的成本为60至250美元吨（Doyle，2014）〔21〕。
　　与DAC一样，BECCS在成本和资金方面也面临挑战，尤其是BECCS还需要占用大量土地资源来建设生物能源工厂和实施碳捕获与封存。
　　此外，如之前讨论的自然策略一样，土地资源和树木生长时间也给这项技术带来了巨大的成本。
　　DAC、BECCS等碳去除技术将会推动全球实现碳中和，对于已经制定了2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标的中国来说也是如此。
　　科学家Fuhrman等人（2021）〔22〕通过气候变化分析模型为中国实现碳中和的目标提供了路径支撑。
　　通过模拟，他们发现负排放技术将为中国减少约30亿吨的二氧化碳排放量，包括货运、重工业在内的减排困难户。其中，DAC技术可以贡献16亿吨的减排量，占总量的60。
　　然而DAC技术的效率大约在30至60范围内浮动，其余减排目标需要靠BECCS和植树造林来实现。
　　事实上，DAC、BECCS和植树造林等方式能否达到缓解中国气候变化所需的规模效应，仍然无例可循。但负排放技术（NETs）的规模化部署必将对中国的金融体系和自然资源（如水、土地和能源）产生广泛而深刻的影响（Fuhrman等，2021）〔22〕。
　　06
　　建议和结论
　　毫无疑问，CCUS等除碳技术不可或缺，但仅仅依靠这种缓解方案还不足够，碳减排计划同样重要。
　　正如本文开头所介绍的，在除碳解决方案外，还有降碳解决方案，两种方案从不同角度推动零碳目标的实现。例如，可再生和清洁能源项目可以阻止更多的新碳排放。
　　另一种解决方案碳交易也将发挥重大作用。通过为各企业分配碳排放额度，企业需要对自身生产排放进行控制，如果超额排放则需要在碳交易市场上购买额度。
　　2021年7月16日，中国碳排放权交易市场正式启动。
　　启动首日，全国碳市场碳排放配额（CEA）挂牌协议交易成交量410。4万吨，成交额达到2。1亿元（Xu，StanwayWoo，2021）〔23〕。
　　为了实现低碳未来，我们需要多种解决方案并用，无论目前它们的体量多大。
　　此外，我们也不能低估自然碳汇的力量。它能够为生态系统降温，保护生物栖息地和物种多样性，并充当起自然的碳存储仓库。尽管存在时间成本和土地面积限制，但提高自然碳汇的成本也比较低。
　　未来，我们可以从种植系统的可扩展性和生长期的固碳效率方面对自然碳汇进行深入研究。对CCUS技术的进一步研究也十分必要，降低其技术成本以扩大规模，提高碳捕获率的同时也要降低能耗。
　　最后，扩大清洁和可再生能源的规模将有助于除碳和推动碳中和目标的实现。让我们一起加入零碳行动，通过所有方案的共同努力，朝着2050年低碳或零碳排放世界的目标共同努力。
　　07
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