浅谈碳捕获、运输、利用和储存

Carbon capture,Transportation,Utilization andStorage

——贻贝平台专家委员会

前言：

21世纪以来，世界经济增长带来的环境问题日益严峻。随着人类通过燃烧化石燃料用于能源、电力和运输的数量逐步增加，排入大气中的二氧化碳也越来越多，全球每年产生二氧化碳排放高达540亿吨，超过了地球吸收它们的能力，温室效应已经逐渐显现出来：全球平均温度持续上升、山火喷发、冰川逐渐融化减少、海平面上升、极端气候增多增强等，导致热浪、洪水、干旱、森林火灾……等自然灾害不断发生。温室气体（GHG）导致环境污染、气候变暖已经成为当今国际社会共识并得到广泛重视。

为应对全球气候变化做出行动安排的《巴黎协定》的长期目标是到本世纪末将全球平均气温较前工业化时期（18世纪60年代以前）上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。如果要达到保护地球本世纪全球变暖不超过1.5℃的目标，仅仅减少二氧化碳排放量是不够的，需要将碳减排与大气中已经存在的碳捕获清除相结合。

碳捕获、运输、利用和储存CCUS（Carbon Capture，Transportation,Utilization and Storage），就是把使用化石燃料的发电站、钢厂、水泥厂等生产过程中排放的二氧化碳或大气中的二氧化碳进行收集、提纯，通过车辆、管路或船舶运送到采矿、生物、化工等领域的企业，继而投入到新的生产过程中，实现循环再利用，从而产生经济效益，并大幅降低碳排放，或者通过工程技术手段将捕集的二氧化碳封存于地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程。

碳捕获

Carbon Capture

以前教科书上一直把二氧化碳在大气中的占比定义为0.03%，但最新的一项研究表明,如今大气中二氧化碳的含量已经达到了0.04%。如果不能迅速实现零排放以避免危险的气候变化，就必须使用负排放技术来消除CO2，也就是将燃料中的碳以CO2的形式释放出来，然后进行捕集并加以利用或永久安全地存储起来。

2021年1月21日，特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）宣布，他将为“最佳碳捕获技术奖”提供1亿美元的奖金，以鼓励碳捕捉技术的发展。马斯克1亿美元的悬赏启动了碳捕获技术竞赛，同时也说明目前碳捕获技术还没有成熟到具备商业推广价值。

工业规模的碳捕获和储存（CCS）被确定为实现巴黎联合国气候变化大会确定目标的解决方案一部分，是实现全球减排目标的关键所在。目前的碳捕获的技术路线：

传统CCUS：传统方式是将发电站、钢厂、水泥厂等工业生产和交通运输的过程中化石燃料燃烧产生的的烟气经过冷却、除尘、脱硫脱氮后送入CO2捕集设备，完成CO2 的捕集和分离。碳捕集的方法有化学溶剂吸收法、固体材料吸附法、膜分离法等，技术较为成熟、碳捕集效率较高的是化学吸收法和膜分离法。

传统CCUS有自身的难题，例如如何将占碳排放总量绝大部分的发电、水泥、交通运输工具等浓度只有5%～15%CO2从含有大量氮气的烟气中分离出来，而且各种烟气的成分类型会影响具体的工艺组成，脱除效率、脱除成本还有待于提高。

生物质能碳捕获BECCS：在生物质能碳捕获与封存技术（Biomass Energy Carbon Capture and Storage）中，人类活动释放到大气中的二氧化碳由植被从大气中提取出来，然后在生物质燃烧时从燃烧产物中回收，但这种方式受植被生长对自然系统的需求限制。生物质能碳捕获又被称为生态固碳或天然碳汇。

绿碳：绿色植物通过光合作用固定的二氧化碳被称为“绿碳”。

在应对温室气体的危机中，森林树木、绿色植被是减碳的利器。森林覆盖了全球土地面积的31%（大约40亿公顷），森林树木和绿色植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而减少CO2在大气中的浓度（碳汇）。植树造林、植被恢复、避免滥砍滥伐都可以减少大气中的二氧化碳，改善我们的生存环境。

蓝碳：蓝碳（也被称为“细碳”）是利用海洋活动、沿海生态系统——红树林、柽柳、藻类、海草等海洋生物吸收大气中的二氧化碳，并将其固定、储存在海洋中。

一直以来，相对于“蓝碳”，人们对“绿碳”更为熟悉。其实，海洋储存了地球上约93%的二氧化碳，据估算为40万亿吨，是地球上最大的碳汇体，并且每年清除30%以上排放到大气中的二氧化碳。海岸带植物生物量虽然只有陆地植物生物量的0.05%，但每年的固碳量却与陆地植物相当，所以说海洋也是固定碳、储存碳的一座大宝库。

海草床、红树林、潮汐盐沼都依靠储存数百甚至数千年的碳来生长，被认为是三个重要的海岸带蓝碳生态系统。研究表明，大型海藻、贝类乃至微型生物也能高效固定并储存碳。如今，蓝碳被认为是地球上最强的碳汇集之一，尽管它覆盖不到2%的海洋面积，但还是约有一半的碳被固定储存在海洋沉积物中。

在陆地生态系统中，暴露在空气中的绿碳会有更多的以二氧化碳的形式返回到大气中。而在蓝碳环境（潮湿、含盐、低氧）中，树叶等有机物慢慢分解成富含碳的沉积物，也就是说几乎所有碳都存储在沉积物中，而不是植物的结构中，这意味着这些沿海生态系统的碳存储能力几乎是无限的。由于这些沉积物大部分时间都被泡在或淹没在水中，因此碳储存的时间比陆地生态系统中储存的时间要长得多。

天然碳汇的生态系统当前正受到气候危机的威胁：森林火灾、红树林正在以每年约2%的速度消失、全球潮汐沼泽面积减少了一半、大约30%的海草消失等。

推进绿碳和蓝碳这种回归自然的固碳方式是应对气候变化的重要途径，在分担和缓解碳排放压力的同时，还为人类带来更多的好处：更高的生物多样性、更繁荣的旅游业、更丰富的植被、改善水质、限制海岸侵蚀、抵御风暴潮和海啸等极端事件、为人类食用的海产品提供栖息地和苗圃、惠及当地就业等。

中国是世界上少数几个同时拥有海草床、红树林、盐沼这三大蓝碳生态系统的国家之一，滨海湿地也为蓝碳发展提供了广阔空间。我国“南红北柳”湿地修复工程的实施，为推动蓝碳发展积累了经验（在南方以种植红树林为主、在北方以种植柽柳为主，芦苇、海草、盐藻等植物为辅）。

直接空气碳捕获DACCS：目前技术尚不完全成熟的直接空气碳捕获与封存技术（Direct Air Carbon Capture and Storage）是面向存量排放，直接从空气中捕获CO2（也被称为碳清除CDR-Carbon dioxide removal），是实现负碳排放必须的技术手段。

直接空气碳捕获技术DAC不是从化石燃料燃烧的烟气中清除CO2，而是借助独立式机器传递气流与捕集设备进行接触，采用化学吸收（高温碱液吸收）、物理吸附（低温固态吸附）、膜分离等方法选择性地对大气中的二氧化碳进行捕集及浓缩，从而解决当前和遗留的二氧化碳排放问题。当捕获的二氧化碳被永久封存，阻止其释放到大气中时，就会形成负碳排放——这是帮助实现深度脱碳气候目标的关键技术，在助力碳减排和实现碳中和方面具有巨大的应用潜力。

DACCS技术因其能耗和成本原因，还未进行大规模工业化。二氧化碳在大气中的含量很低（约0.04% V/V），从大气中直接捕获、浓缩二氧化碳需要消耗大量的电能。如果采用传统的化石燃料作为电能的来源，不但增加成本而且不利于推进能源结构的转变。降低DACCS技术的能耗和成本的关键在于可再生能源的利用、高效低成本吸附材料的开发和工艺设备的优化。

瑞士初创公司Climeworks AG在冰岛建成的世界上最大、利用可再生能源运行的二氧化碳直接空气捕获和封存工厂“奥卡”Orca已开始运营：首先，空气通过风扇吸入收集器。二氧化碳被捕获在位于收集器内部的高度选择性过滤材料的表面上。其次，在过滤材料充满二氧化碳后，收集器关闭，将温度提高到80至100℃之间 使其释放出二氧化碳，然后利用Carbfix公司的技术将这种高纯度、高浓度的二氧化碳与水混合，泵入地下深处，最后通过自然矿化过程存储在石头中,从而实现了二氧化碳的永久处理，有效地将其从大气中永久清除，年捕获能力可以达到4000吨。

下面介绍除了DACCS外的其它几种二氧化碳捕获技术：

酶法碳捕获技术： 生物酶法碳捕获技术是从植物（例如香蕉）中提取出制造乙烯的酶的基因，并将其设计到选定的宿主微生物中，该微生物能够以二氧化碳和水作为合成原料，在光的作用下生成生物乙烯（Ethylene C2H4）。

与传统碳捕集工艺有机胺相比，酶法碳捕获技术通过生物酶的催化作用，能够在更低温度下发挥活性并减少热量投入，通过适度地使用化学品和能源，进而减少有害废物的产生。酶法碳捕获技术在环境方面更具有可持续性且具有更好的经济效益。

电化学薄片碳捕获：利用电化学薄片从空气中捕获二氧化碳的方法是让空气通过一系列电化学极板，这些极板在充电时吸收二氧化碳，在放电时释放二氧化碳。与目前大多数的碳捕获技术不同，这种方法可以吸收几乎任何浓度的二氧化碳。

电化学薄片捕碳技术的关键优势是电极独特的吸收能力(或者更准确地说“吸附”能力)，并在充放电过程中有效地捕获释放二氧化碳，而不需要中间步骤。这种二元亲和力允许从任何浓度的二氧化碳中捕获，包括大气中的二氧化碳，并允许其释放到任何载体流中，包括100%的二氧化碳。

与传统的二氧化碳捕集技术相比，电化学薄片碳捕获方法可能比目前的一些碳捕获和吸收技术的效率高10倍，而且相对容易扩大规模（更大的容量，只需要制造更多的薄片），是一种具有可持续性和广阔应用前景的负碳方案。

另外，化学链作为一种新型的含碳能源转化过程中CO2分离技术,可以在能量释放与转换过程中有效实现CO2的分离和捕集,具有广阔的发展应用前景。

现有的碳捕集技术主要针对工业生产碳排放，若要实现更多的二氧化碳捕集，则需要发展生物能源技术和大气中二氧化碳直接捕集技术。下一代碳捕集技术将会在材料的创新、工艺或设备的改进上取得突破，这些新进展将使得能耗和投资运营成本降低的同时，提高捕集效率。

许多专家、学者甚至无政府组织强烈质疑碳捕获技术对于减少大气中温室气体排放的效果，认为这一技术将阻碍全球能源结构调整的步伐，不利于减少石油等传统化石燃料的使用。

碳运输

CarbonTransportation

CO2运输是指将捕集的CO2以气态和液态的形式从捕获地点以商业运输的方式运送到可利用或封存场地的过程。无论采用哪种碳捕获技术，二氧化碳的转移和运输都是碳减排中重要的一步。

根据运输距离和存储地点的位置，运输方式分为罐车运输、船舶运输和管道运输，其中罐车运输包括卡车运输和铁路运输两种方式。

卡车运输对于商业应用来说是首选，可以用来运输少量的二氧化碳，并且可以灵活地从多个地点收集和运送。而对于强化采油EOR（Enhanced Oil Recovery）和存储（封存）应用，管道在陆上和海上都是首选，因为从长远来看它们提供较低的成本。目前有51条陆上管道用于输送二氧化碳，其中38条位于北美。  

液化二氧化碳（LCO2）运输船：向海上废弃的油气田中注入二氧化碳，是保护大气环境的绝佳方法之一，而将二氧化碳运送到那里的方式，管道并不能提供运输的全部解决方案。相关计算显示，运距在650公里之内，二氧化碳管道运输具有一定的成本效益，超出这个距离，就需要另寻它法。

从不同国家或地区在全球贸易供应链的发展趋势来看，海运在碳捕集及封存价值链中将发挥重要作用。与通过管道运输二氧化碳相比，二氧化碳运输船是另一种商业可行的安全运输方式，越来越成为去碳化链条中的重要环节之一，液化二氧化碳（LCO2）运输船的需求也受到了越来越多的关注。

利用绿色高效船舶（LCO2）将各个捕获点的液化CO2运输至终端站，在那里，液态的CO2将通过管道输送至储存点永久储存。这种方式可以最大限度地提高灵活性，显著增加运输量，从而降低成本。

碳利用

CarbonUtilization

二氧化碳是空气中常见的化合物，也是一种非常稳定的分子，存在不易活化、反应路径复杂、产品选择性低等问题，因此需要很高的能量才能将其转化为有用的产品。

二氧化碳利用是指通过工程技术手段将从化石燃料燃烧的烟气中或者直接从大气中捕集的CO2来实现矿产资源增采、化学品转化增效、生物农产品增产和消费品生产增量等，是具有附带经济效益的减排途径。

根据学科领域和工程技术手段的不同，二氧化碳利用可细分为地质利用、化工利用和生物利用三个主要领域。

1. 地质利用

将CO2注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气、页岩气采收率，强化开采地热、深部咸（卤）水、 铀矿，驱替煤层气等多种类型资源，其中最成熟的二氧化碳利用途径是将二氧化碳泵入到枯竭的油田中来提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery, EOR）。

目前通过碳捕获技术捕获的二氧化碳很大一部分用于提高石油采收率（全球每年在油、气开采过程中使用的CO2大约在1亿吨），这就意味着油气公司会生产更多的石油，从而增加石油在能源结构中的比重，排放更多的温室气体，加剧全球气候变暖的趋势。欧盟就明确不支持利用二氧化碳来提高石油采收率的解决方案。

2. 化工利用

CO2是重要的化工原料，资源化利用技术有很多，市场对CO2的需求量很大。目前大家所熟知的应用有：合成高纯一氧化碳、生产干冰、饮料添加剂、焊接保护气、烟丝膨化、灭火产品、尿素、纯碱等化工行业。特别是尿素生产企业，大致每年消耗CO2规模约为1.25亿吨。

利用CO2合成可降解聚合物技术不仅将二氧化碳制成了对环境友好的产品，而且避免了传统塑料等产品对环境的二次污染，在一次性包装材料、餐具、食品保鲜和储存、一次性医用材料、地膜、缓冲包装材料、外墙保温阻燃建筑材料等多个领域的应用前景广阔。

在未来的氢经济中，CO2可以与氢气结合，合成制备液体燃料（如甲醇）来代替汽油、柴油、航空燃油以及重整制备合成气等。

3. 生物利用

CO2生物利用包括以捕获的二氧化碳为原料来生产食品或饲料、生物肥料、化学品和生物燃料等。具体应用有：与电解产生的氢气为原料生产淀粉、促进温室大棚里蔬菜水果的生长、生产气泡水饮料等。

4.CO2利用的技术研发：

Ø 瑞士的一家企业利用Climeworks捕获的二氧化碳来帮助温室大棚里蔬菜水果的生长；与可口可乐瑞士公司合作，生产气泡水；生产合成燃料（synthetic fuel），用来代替汽油、柴油以及航空燃油；

Ø LanzaTech 改造了一种来自于兔肠道的梭菌，可将废碳源发酵产生乙醇（ethanol-C2H6O俗称酒精），基于细菌的气体发酵技术形成了 LanzaTech 的核心技术，正同科蒂、联合利华、欧莱雅等公司开展碳捕获乙醇制造香水及化妆品行业合作，世界首批使用碳捕获乙醇的香水产品已经面市；

Ø 产生电能和氢燃料：受海洋作为自然碳汇作用的启发，蔚山国家科学技术研究所(UNIST)和佐治亚理工学院的研究人员开发了一种新的系统，可以吸收CO2，产生电力和可用的氢燃料。这种通过CO2溶解机制的新设备为混合钠CO2系统，基本上是一种大型液体电池。钠金属阳极放在有机电解质中，而阴极放在水溶液中。这两种液体由钠超离子导体膜分开。

当CO2注入到含水电解质溶液中时，它与阴极反应，使溶液变成酸性，进而发电并产生氢气。在正常运行期间，CO2转换效率为50%，剩余的一半CO2作为普通的小苏打从电解液中回收。

目前来看，CO2的利用还处于相对初级阶段。全球各地的创新公司都在开发提高二氧化碳转化能效的技术，重点放在突破高温、高压环境瓶颈和寻找合适的催化剂两个方面。可再生能源技术的不断发展，有助于将二氧化碳变废为宝，创造出更多的社会和经济价值。