分清碳的双重身份 走中国特色的碳中和之路

 

按照物质不灭定律，地球上（包括地下和地表大气）的碳元素总量是稳定的，自远古到今天，既不会增加也不会减少，只是通过碳固定和碳释放的方式，在地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中进行循环。

 

碳固定是指植物的光合作用吸收CO2、海水溶解大气中的CO2、干旱区盐碱土吸收CO2、含碳元素岩石的形成，以及利用人工技术将CO2转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自于植物和动物的呼吸作用、化石燃料的消耗、岩石圈中含碳元素岩石的分解等。

 

中国科学院院士、中国石油勘探开发研究院副院长邹才能在最近发表的文章中指出，CO2是地球碳循环的重要介质，具有实现生态系统有机物转换和造成地球表面温室效应的双重属性。对应这两种属性，他将大气圈中的CO2分成两类，可以被固定或可利用的CO2为“灰碳”， 而无法被固定或利用并留存在大气圈中的CO2被称为“黑碳”。碳中和的任务，是捕获和循环利用“灰碳”，通过可再生能源替代化石能源和通过节能等方式从源头上减少“黑碳”排放，并对CO2进行捕集与地质封存，将CO2与大气隔离。

 

值得关注的是碳封存与碳利用之间的选择，因为这不仅是碳减排技术路径之争，更是体现了东西方文化的差异。

 

西方主流认为，CO2是罪恶的源泉，应该通过极端的手段，将其深埋地下几千年，永世不得翻身，不再跑入地球大气层。因此，欧洲多家企业在碳封存方面投入大量资金。挪威政府宣称，挪威大陆架可以为整个欧洲的CO2提供封存地，并已经启动了在奥斯陆水泥厂和垃圾焚烧厂捕获并液化CO2，通过专用船只运输600公里到挪威西海岸，再通过海底管道注入到海床以下2600米封存点的“长船”（Longship）项目。英国政府则是在假设北海海底拥有巨大封存能力的基础上于去年8月发布了CCS商业模式白皮书。

 

而东方的智慧告诉我们，任何垃圾都是有价值的资源，只是放错了地方而已，应该更加强调循环利用，而不是简单的封存。

 

2010年，时任国家能源局局长张国宝会见来访的美国能源部长朱棣文时，就此话题进行了有趣的对话。朱棣文极力推崇碳捕获与封存(CCS)，认为这是解决气候问题的主要技术手段之一。但张国宝认为，这种做法事倍功半，效果甚微。

 

张国宝指出，且不论能否确保这些封存于地下的CO2将来不会泄露到大气中来，单说为了捕捉CO2所需消耗的能源，CCS是否值得就令人怀疑？即便能够捕捉到一亿吨的CO2，和全球每年排放到大气中的300多亿吨总量相比，也是一个微乎其微的数据，对气候变化的影响很小。花这些代价，莫如绿化荒漠，多种树种草，通过植物的光合作用来捕集CO2，也许更经济适用，事半功倍。

 

为了让事实说话，张国宝还给客人介绍了中石油在国家发改委的支持下，在塔克拉玛干大沙漠建设500公里公路绿化带的案例。

 

当然，光靠植树造林所吸收的那些量是解决不了全球CO2排放问题的。但十年来全球CCS的发展证明张国宝当时的疑虑是对的。尽管西方各国对CCS都寄予厚望，但该技术的进展并不尽人意。2005年，欧盟提出要在2015年前建成12个CCS示范项目，至今仍一个都没有落实。

 

国内方面，某能源集团煤制油分公司原定每年捕集与封存100万吨CO2的项目，但在2011-2015年间封存了30万吨后停止。另一发电集团原定要在天津建设的250MW IGCC（整体煤气化联合循环发电系统）加CCS项目也是无疾而终。国内已经建成的CCUS（碳捕集与利用）示范项目，加起来每年处理的CO2不到100万吨。目前的示范项目大多是以科研为目的，需要来自不同渠道科研经费的支持。这些项目在示范后不久就因技术和商用价值缺乏等原因而停运，或处于间歇式运营状态。

 

技术不成熟与成本居高不下造成此类项目无法实现市场化运营，而没有市场化运营就难以扩大应用规模。无论是按照国际能源署在2020年9月发布的《能源技术展望》，还是中国科技部2019年5月发布的《中国CCUS发展路线图（2019年版）》的分析，按照目前的技术路径，未来40年内CCS还很难看到商业化前景。

 

根据现有项目估算，CCS项目的商业化运行成本需要每吨CO2约70美元左右（美国一机构最近评估需要95美元）的碳价，而无论欧盟、美国还是中国，这样的碳价还是过高。

 

CCS最大的问题在于封存，没有封存就没有CCS。人们都假设地球上有很大的封存能力，但实际上封存方面存在许多问题。封存工作需要在地质和地球物理方面进行大量研究，找到最适合封存CO2的地质构造，研究它的封存能力，确定打井数量，探讨降低封存成本的途径。在美国，大规模地下封存为获得地面土地拥有者的准许需要旷日持久的沟通与协商过程。

 

挪威是全球CCS最成功的国家，其最大的Sleipner封存项目自1996年开始每年封存100万吨CO2，每吨60美元的碳税，加上项目作为天然气田的重要组成部分，可通过天然气销售来补贴封存的开支是其成功的主要因素。然而，前述挪威政府涵盖CCS全价值链的“长船”项目总投资18.5亿欧元，10年的总运营成本为8.64亿欧元，按照每年封存80万吨，10年封存800万吨算，合计每吨CO2封存的总成本为337.5欧元，其中运营成本为108欧元每吨。即使未来该项目封存能力大幅提升，每吨CO2的封存成本也将是高得无法接受。

 

许多人将CO2驱油认为是封存的一种，但驱油和封存存在巨大差异。驱油是一个短期过程，往往是几年，最长也不过40年，而封存的时间维度是几千年。驱油项目所用的CO2大约有三分之二会回到地表，但封存项目要求将100%的CO2永久地封存在地下。每年逸散1％的CO2对驱油项目无关紧要，但对封存来说是完全不合格的。封存有更高要求，需要更多监测。

 

大规模地质封存在商业模式、法律责任、生态影响、公共接受度方面都存在巨大挑战，无论对于全球还是中国的减排需求，都远水不解近渴。

 

国际专利文献检索发现，自2016年开始，国际社会已经将CO2处置的重点从封存转移到利用上，即CCU，将捕获到的CO2转换成有规模化市场需求的燃料、化工产品或建筑材料。一方面通过现有的基础设施有效减少碳增量排放，另一方面以多种高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存，实现高排放产业的循环经济，并为未来以产品的方式进行封存打下基础。在这方面，国内外有很多机构都在研究示范，并已经有了一些突破性的进展。

 

2020年6月，美国能源部决定投入1700万美元的联邦资金，用于碳利用研发计划的11个项目。这些项目重点研发和测试将电力系统或其他工业排放的CO2作为主要原料的创新技术，旨在减少排放，并将CO2转化为增值产品。项目覆盖四个重点领域：有机增值产品的合成，无机固体碳制品生产，藻类捕集CO2，无机材料的生产-最大限度利用混凝土和水泥。

 

今年3月22日，日本东芝宣布开发出全球最高效的CO2电催化技术，比之前技术处理的速度提高了60倍。该技术利用底面积为信封大小的机器（底面积约300平方厘米，高23厘米），每年最多可将1吨CO2转化成一氧化碳，然后再加氢合成为燃料或化工原料。东芝计划2025年推出试制品。

 

在国内，多个研究团队在CO2转换利用方面做出了令人瞩目的成绩。中海油于2020年9月实现了年产500吨的CO2加氢制甲醇试点项目。中科院大连化物所李灿院士的团队也在兰州建成了千吨级“液态太阳燃料合成示范项目”，并于2020年10月通过了评审。

 

最让人振奋的是北京光合新能科技有限公司的等离激元技术。该技术利用电厂余热或太阳能光热，在常温常压下低成本地将CO2合成为清洁燃料，目前已经完成了实验室小试而进入了中等规模工业示范的阶段。在CO2的转换率、废热到合成产品的能量转换效率、成本竞争力等方面都取得了很好的效果，有望很快就可以商业化推广。

 

此外，中国工程院院士、四川大学校长谢和平团队于2014年就已经在实验室成功完成了CO2矿化发电并生产碳酸盐的实验，据他们测算，每吨CO2能够产出140度电，同时产出1.91吨碳酸氢钠。

 

这些把CO2从减排负担变成高价值资源的技术，可以满足提供能量与化工原材料的双重功能，如能成熟且大规模利用，或将开创一个全新的碳中和技术范式。

 

人病了，可以选择中医调理或者西医手术。地球病了，在基于西医的对抗式封存大行其道且面临困境时，何不努力开发基于中医疏通调理思路，通过转换利用的中国方案呢？

 

或许您会说，燃料燃烧以后CO2还会回到空中，碳转换和利用解决不了碳总量降低的问题。是的，但如果有了高效率低成本大的CO2转换成产品的技术，我们可以先对高浓度的CO2进行转换利用，不再燃烧化石能源，实现增量减排。第二步再从空气中捕集并转换利用，实现CO2的循环利用，在满足能源需求的过程中不再往大气排放CO2，这样就可与可再生能源取得同样的效果。第三步才从空气中捕获并转换成可以封存的产品，实现地球降温减排。封存CO2转换的产品要比CO2地质封存要简单的多。

 

这里的核心思想是以渐进而非冒进的方法来解决问题，不追求在今天就做出完美解决方案，而是让今天的不完美为未来技术进步留下空间。这样可以动态制定各行各业的碳中和技术路径，让未来的技术在今天的碳中和解决方案中扮演自己的角色，并建立相应的体制机制和商业模式。 本`文-内.容.来.自：中`国^碳`排*放*交^易^网 ta np ai fan g.com