碳索第18期 | 碳中和背景下的捕集、利用与封存(CCUS)技术

编者按：世界农化网『碳索』系列文章，对“双碳”背景下与可持续发展相关的政策法规、产业环境、企业先进实践等话题开展专题讨论，以期从全球视野带来更广泛的观察和思考，助力中国农业健康持续发展。经过数十年发展，中国低碳技术创新取得了不少进步，但在研发路径、前沿技术、创新政策等方面还是与国际水平仍存在差距。碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)是实现碳中和目标不可或缺的重大技术。本期内容笔者通过对CCUS的技术背景以及国内外发展形势对比，传达了一些想法。

在当前碳中和背景下，各个国家与经济体发展低碳经济与改善气候已经成为全球共识。低碳技术作为缓解全球气候变暖和不可再生能源危机的有效途径，一直以来都是各国技术攻坚的研究高地。近40年以来，我国的经济发展具有典型的环境牺牲和高碳排放特征。无论是从低碳技术的政策导向，还是技术积累，或者应用市场等方面都处于一个初步探索阶段，与发达国家相比差距明显。碳捕集、利用与封存 (carbon capture, utilization and storage, CCUS) 技术作为具有大规模碳减排潜力的环保技术，在实现碳中和目标、以及国家经济转型发展上都是不可或缺的一环。

CCUS技术发展的形势如何？

CCUS 技术一直是近年来国际领域应对气候变化的热点问题。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告曾指出，如果没有 CCUS 技术，减排成本将会成倍的增加，估计平均增幅将达到138%。无论是对于政府还是能源企业，亦或是个人与自然的和谐共生，CCUS 技术作为低碳发展的重要途径，在世界能源领域扮演着重要的角色。

国际能源署 (IEA) 在《通过碳捕获、利用与封存 (CCUS) 实现工业变革》(2019年) 中提出，在《巴黎协定》情景的路径一致下，2060 年工业部门的 CCUS 累计量将达到 280 亿吨，能源加工和转换部门 CCUS 累计量将达到310 亿吨，电力部门 CCUS 累计量将达到 560 亿吨。CCUS 将实现 38% 的化工行业减排，15% 的水泥和钢业行业减排。

国际上许多政府、组织、企业等都在积极推动 CCUS 在全球的发展与布局，为 CCUS 技术的发展提供强有力的政策支持。大规模实施碳捕获、利用与封存，是目前唯一可在未来十年乃至可预见的将来，应用于现有最难减排的主要重工业，实现直接减排的解决方案。在所有低碳能源解决方案中，CCUS 技术将在我国的能源转型中发挥越来越关键的作用。

现阶段我国 CCUS 技术类型齐全，发展迅速，但尚未形成规模化、产业化发展，高成本问题也制约着 CCUS 技术的大规模推广。在融资渠道、商业模式的熟练度、以及公众认知度等方面也存在诸多挑战。CCUS技术中的利用与封存环节过程主要如下：

地质利用：将二氧化碳注入地下，生产或强化能源、资源开采的过程，主要用于提高石油、地热、地层深部咸水、铀矿等资源的采收率；

化工利用：以化学转化为主要手段，将二氧化碳和共反应物转化成目标产物，实现二氧化碳资源化利用的过程，不包括传统利用二氧化碳生成产品、产品在使用过程中重新释放二氧化碳的化学工业，如尿素生产等；

生物利用：以生物转化为主要手段，将二氧化碳用于生物质合成，主要产品有食品和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料和气肥等；

地质存封：通过工程技术手段将捕集的二氧化碳储存于地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程。主要划分为陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等。

在这方面美国是如何做的呢？

近期，美国国家石油委员会 (NPC) 发布了受美国能源部委托完成的《迎接双重挑战 ：碳捕集、利用和封存规模化部署路线图》报告，提出了在25年内实现大规模部署 CCUS 技术的发展路线。通过启动阶段 、扩张阶段和规模化应用阶段，实现 CCUS 技术在美国的大规模应用，每一阶段规划了相应的定量目标。其研发重点为 3 大部分，具体如下所示：

1.碳捕集技术

改进碳捕集技术以用于燃煤烟气、天然气烟气和工业 CO2 排放源；推进开发用于气体分离的溶剂、吸附剂、膜和低温工艺，以及开发新型的具备碳捕集功能的能量循环系统；制定成本和性能基准并进行公开评估；降低碳捕集的总体成本以及资本、运营和维护成本；提升碳捕集系统的运行灵活性以适应加速循环；评估碳捕集技术以确定最具技术性和经济性的选择；探索复合碳捕集系统的应用。

2.碳封存技术

提高场址封存方法的效率；改进耦合模型以优化和预测 CO2 流动和输运，以及地质力学和地球化学反应；降低监测成本并开发新的监测技术 ；量化和管理诱发地震的风险；研究采用替代砂岩和碳酸盐岩储层实现年储量百万吨级的可行性，包括超镁铁质岩石(玄武岩)和低渗透性岩石(页岩)；同时进行社会科学研究，提高社会参与度，向大众通报地质构造中碳封存的需求、机会、风险和利益。

3.碳利用技术

在热化学、电化学、光化学、及生物转化方面做文章。应关注催化剂性能的长期稳定性以及防止失活的解决方案。CO2 转化技术的关键挑战是提高对产物的选择性以及催化剂对副产物 ( 如水和原料中的杂质 ) 的稳定性。此外还需进行更多实验室研究和计算研究，以及中试规模的研究和开发。

美国 NPC 的上述部署将需要更有效地集成现有的技术，同时降低 CCUS 解决方案的成本。美国一直以来将低碳技术的创新能力作为其在全球经济领先地位的关键，因此也采取了大量创新政策来促进低碳技术的研发和推广。例如，政府通过“清洁燃煤计划”与企业合作共同建立示范性的清洁煤发电厂，对未来收益良好的先进技术进行示范验证，推动技术的研发；同时政府对已验证合格，并可以进行大规模商业推广先进技术出推出了一系列的税收优惠措施，以降低企业的生产成本。

目前，我国仍属于自愿性减排国家，对于低碳技术的投入也远远低于欧美等强制性减排国家。在我国 CCUS 技术标准的体系建设与商业化推广中，更多的还是要借鉴国外尤其是美国 CCUS 发展的经验，不仅要在技术创新上做文章，还应设立增值税优惠和所得税优惠，用以鼓励生产企业使用先进的低碳节能设备和技术工艺 ，同时出台财政补贴政策对部分低碳专项项目和行业进行资金补助。

参考资料：[1]胡珊,李海鹏.低碳技术国内外差距研究[J].生态经济,2015,31(08):88-92.

                 [2]梁锋.碳中和目标下碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的发展[J].能源化工,2021,42(05):19-26.

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