二氧化碳捕集、封存和利用技術(shù)前景可期

■文/吳穎蘭

中國在實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的“雙碳”目標(biāo)過程中，二氧化碳捕集、封存和利用技術(shù)不可或缺，良好的經(jīng)濟(jì)可行性是其未來被大規(guī)模采用的關(guān)鍵。

2020年，中國提出力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和必須從兩方面入手。一方面是從工業(yè)、交通、建筑等碳排放源頭上減少碳排放。具體路徑包括利用太陽能、風(fēng)能、氫能、核能等各種清潔與可再生能源提供生產(chǎn)和生活所需的電能和其他能源，用可再生的生物基材料替代石油、天然氣等化石材料。另一方面，制造業(yè)和生活中產(chǎn)生的碳排放不可能完全歸零，這就要采用相關(guān)技術(shù)將排出的二氧化碳和其他溫室氣體吸收、固定、利用起來，也就是將釋放的二氧化碳和其他溫室氣體從工業(yè)尾氣等排放源頭分離出來，進(jìn)行長期封存或者再利用，這就是所謂的二氧化碳捕集、封存和利用（CCUS）技術(shù)。

中國CCUS 技術(shù)起步較晚

CCUS 項(xiàng)目的實(shí)施始于20 世紀(jì)70年代，根據(jù)領(lǐng)先的新技術(shù)行業(yè)研究公司壹行研（Innova Research）對(duì)全球CCUS 項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，美國和一些歐洲國家在20 世紀(jì)70年代至80年代開始進(jìn)行二氧化碳捕集和地質(zhì)封存項(xiàng)目的建設(shè)。早期的CCUS 項(xiàng)目包括美國得克薩斯州的一家天然氣加工廠的CCUS 項(xiàng)目。該項(xiàng)目是將天然氣加工過程中產(chǎn)生的二氧化碳用管道輸送到周邊的油田，利用二氧化碳驅(qū)油技術(shù)（Enhanced Oil Recovery，EOR）提高油田的產(chǎn)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二氧化碳在油井下長期的地質(zhì)封存。據(jù)報(bào)道，該項(xiàng)目每年能處理約40 萬噸二氧化碳。

中國CCUS 項(xiàng)目起步相對(duì)較晚，其中大部分相關(guān)項(xiàng)目是從2000年以后開始逐步實(shí)施的。這些項(xiàng)目最初的技術(shù)路線與歐美國家相似，也是從地質(zhì)封存以及二氧化碳驅(qū)油技術(shù)的運(yùn)用開始。相關(guān)的早期項(xiàng)目包括大慶油田的二氧化碳驅(qū)油項(xiàng)目等。自2010年起，中國的CCUS 項(xiàng)目開始出現(xiàn)多種二氧化碳利用的技術(shù)路線，其中包括發(fā)電廠的燃燒前捕集、熱電聯(lián)用等，利用催化加氫等手段將二氧化碳升級(jí)為甲醇等化工原料、二氧化碳基塑料等技術(shù)路線也開始嶄露頭角。

CCUS 碳減排規(guī)模雖小但不可或缺

中國是全球主要的碳排放國家，每年的凈碳排放已經(jīng)達(dá)到百億噸級(jí)別。相對(duì)于這么大的碳排放基數(shù)，目前中國CCUS項(xiàng)目能處理的二氧化碳排放顯得微不足道。壹行研（Innova Research）估計(jì)，2020年中國CCUS 項(xiàng)目能減少的二氧化碳排放量不到這百億噸碳排放總量的1‰。不過，從全球來看，CCUS 技術(shù)在整個(gè)碳減排中所占的比例也普遍不高。例如，在最早實(shí)施CCUS 項(xiàng)目的美國和加拿大，二氧化碳減排量僅占總排放量的4‰～5‰。目前，全球CCUS 處理碳排放比例最高的國家是挪威，但從CCUS 路徑達(dá)成的碳排放比例也不足5%。

壹行研（Innova Research）預(yù)測，未來40年，也就是中國達(dá)成“雙碳”目標(biāo)的過程中，中國需要每年凈減排4.23 億噸至6.96 億噸的二氧化碳。這些碳減排主要來自3 個(gè)方面：一是以清潔能源（如風(fēng)能、太陽能、核能、氫能等）替代化石能源；二是植樹造林等生態(tài)固碳方法；三是CCUS。相比前兩個(gè)減排方法，CCUS 碳減排所占的份額相對(duì)較小。

壹行研（Innova Research）認(rèn)為，雖然在可預(yù)見的將來CCUS 仍無法挑起碳減排的大梁，但是在中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的過程中，CCUS 不可或缺。原因是即使有清潔能源替代等方法，制造業(yè)或其他產(chǎn)業(yè)完全實(shí)現(xiàn)零碳排放是很困難的，而植樹造林的固碳路徑則受到土地等條件的制約。在這種情況下，要實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，大力發(fā)展CCUS 是必然的選擇。

可以預(yù)見，隨著CCUS 技術(shù)越來越成熟，尤其是未來二氧化碳處理和利用成本的逐步降低，轉(zhuǎn)化升級(jí)的產(chǎn)品進(jìn)一步拓展到市場規(guī)模更大的大宗化學(xué)品領(lǐng)域，從CCUS 路徑達(dá)成的二氧化碳減排比例將會(huì)逐步提高。壹行研（Innova Research）預(yù)測，到2060年，CCUS 的碳減排比例將占總減排的10%左右。

CCUS 技術(shù)路徑多種多樣

CCUS 技術(shù)得到國家相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目和資金的大力支持，從目前就已經(jīng)完成了的“十二五”“十三五”國家規(guī)劃來看，相關(guān)的國家級(jí)別的扶持項(xiàng)目及基金支持項(xiàng)目包括“萬噸級(jí)二氧化碳制芳烴關(guān)鍵技術(shù)研究”“二氧化碳高效合成重要化學(xué)品新技術(shù)”“二氧化碳煙氣微藻減排技術(shù)”等科技部重大專項(xiàng)。2020年，中國開展了一個(gè)由科技部資助的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——由清華大學(xué)和上海交通大學(xué)承擔(dān)的“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)：煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/CO2混合工質(zhì)熱力發(fā)電多聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)研究”。毫無疑問，這些國家級(jí)扶持項(xiàng)目代表了中國CCUS 技術(shù)的幾個(gè)重點(diǎn)投入方向。

一些產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的CCUS 技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化努力也在不斷取得進(jìn)展。其中比較有代表性的研究包括：對(duì)二氧化碳生產(chǎn)的初級(jí)產(chǎn)品的進(jìn)一步升級(jí)，從甲酸、一氧化碳這樣的C1 產(chǎn)物升級(jí)到多碳產(chǎn)物；開發(fā)二氧化碳基綠色塑料；把二氧化碳直接還原到碳單質(zhì)產(chǎn)物，如石墨、碳納米管和石墨烯等；利用藻類吸收二氧化碳，生產(chǎn)多肽和其他高附加值的保健產(chǎn)品。此外，鑒于工業(yè)煙氣中二氧化碳的純化富集是企業(yè)額外的成本支出，利用工業(yè)煙氣直接制造水泥混凝土以及建筑材料也是一個(gè)研究方向。

這些基于現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)條件研究和開發(fā)的CCUS 項(xiàng)目更有可能做到規(guī)模化生產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目盈利，而良好的經(jīng)濟(jì)可行性是未來CCUS 技術(shù)被大規(guī)模采用的關(guān)鍵。

降低二氧化碳處理成本是關(guān)鍵

對(duì)CCUS 技術(shù)而言，二氧化碳處理成本過高是其主要瓶頸。目前，很大一部分運(yùn)行中的CCUS 項(xiàng)目都是依托能源、煤礦、鋼鐵等行業(yè)的領(lǐng)頭企業(yè)，以及各大院校和科研院所等進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)營。這些CCUS項(xiàng)目的目的主要是做技術(shù)儲(chǔ)備，絕大部分都不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

為了降低CCUS 技術(shù)處理二氧化碳的成本，“CCUS +清潔能源”等跨界技術(shù)整合成為趨勢(shì)。例如，二氧化碳電化學(xué)還原制甲酸和一氧化碳是全世界都非常關(guān)注的CCUS 研究方向之一，但這是一個(gè)高能耗的過程。目前，國內(nèi)已有研發(fā)團(tuán)隊(duì)在研究利用太陽能光伏供電來完成這個(gè)高能耗的反應(yīng)過程。再如，甲烷二氧化碳重整也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，這個(gè)過程需要消耗大量熱能，有科研團(tuán)隊(duì)在研究用太陽能光熱聚焦鏡為這個(gè)過程供熱。還有一些項(xiàng)目是利用工業(yè)煙氣的廢熱來驅(qū)動(dòng)二氧化碳升級(jí)化學(xué)過程的。

上述利用太陽能、風(fēng)能等清潔能源和廢熱回收的能源與二氧化碳轉(zhuǎn)化過程相結(jié)合的整合技術(shù)能夠有效降低成本，提高CCUS 項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。預(yù)計(jì)這些結(jié)合了工業(yè)應(yīng)用場景開發(fā)的CCUS 減排技術(shù)對(duì)未來CCUS 項(xiàng)目的大規(guī)模推廣與實(shí)施將起到很大的促進(jìn)作用。

CCUS 技術(shù)投資前景可期

中國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是要橫跨40年的漫長過程。這個(gè)過程將為碳中和產(chǎn)業(yè)鏈帶來巨大的市場機(jī)會(huì)。很難預(yù)計(jì)政府部門和相關(guān)企業(yè)從2021年到2060年這40年間對(duì)碳中和產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)投資會(huì)達(dá)到多少，但可以肯定這是一個(gè)天文數(shù)字。從行業(yè)來看，相關(guān)新材料、氫能、儲(chǔ)能、光伏發(fā)電等行業(yè)都存在巨大機(jī)會(huì)，其中的每一個(gè)行業(yè)都有可能發(fā)展到超過萬億元人民幣的規(guī)模。

雖然眼下CCUS 的規(guī)模還很小，其二氧化碳處理量目前還不足千萬噸，但是未來CCUS 一定是整個(gè)碳中和產(chǎn)業(yè)鏈上不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。壹行研（Innova Research）預(yù)測，從2021年到2030年這10年間，中國CCUS 二氧化碳處理量的年復(fù)合增長率將超過100%。

CCUS 技術(shù)路徑趨于成熟，但一個(gè)項(xiàng)目成功與否還取決于該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。提高收入、克服成本瓶頸成為CCUS 項(xiàng)目成功運(yùn)營的關(guān)鍵。投資人對(duì)成本低、經(jīng)濟(jì)可行性高的CCUS 技術(shù)路線和項(xiàng)目可以加以關(guān)注。事實(shí)上，與歐美的CCUS 技術(shù)開發(fā)者相比，中國的CCUS 技術(shù)開發(fā)者更善于結(jié)合本國產(chǎn)業(yè)與相關(guān)應(yīng)用挖掘技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

除了上述“CCUS + 清潔能源”的成本降低方案，有些CCUS項(xiàng)目在處理含二氧化碳的工業(yè)尾氣的過程中，既能獲得營收（尾氣處理服務(wù)費(fèi)用），也能為后續(xù)CCUS 項(xiàng)目帶來轉(zhuǎn)化所需的二氧化碳原料，從而進(jìn)一步提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。近幾年，相關(guān)企業(yè)和研究團(tuán)隊(duì)也致力于提高產(chǎn)品的附加值和開拓新的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。例如，利用二氧化碳還原生產(chǎn)高附加值的碳納米管和石墨烯，以及利用藻類吸收二氧化碳生產(chǎn)多肽及其他極高附加值的保健品等。這些CCUS 項(xiàng)目是投資人可以重點(diǎn)關(guān)注的潛在投資標(biāo)的。

另外，碳排放交易可以為CCUS 項(xiàng)目帶來可觀的額外收益。中國碳排放權(quán)交易市場的進(jìn)一步完善和發(fā)展也為CCUS 項(xiàng)目的實(shí)施提供了額外的經(jīng)濟(jì)來源。

綜上所述，CCUS 是碳中和產(chǎn)業(yè)鏈上不可或缺的一環(huán)。雖然中國CCUS 技術(shù)起步較晚，目前CCUS 處理二氧化碳的量也還微不足道，但是中國相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了種類繁多的二氧化碳利用與轉(zhuǎn)化技術(shù)路徑。目前，CCUS 技術(shù)面臨的主要瓶頸是成本太高，經(jīng)濟(jì)可行性不強(qiáng)。因此，降低二氧化碳處理、轉(zhuǎn)化成本是未來CCUS 獲得大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。另外，碳排放權(quán)交易的完善與發(fā)展有助于CCUS 項(xiàng)目達(dá)成經(jīng)濟(jì)可行性。對(duì)投資者而言，CCUS 市場具有確定的、巨大的發(fā)展?jié)摿Α＿@個(gè)市場中技術(shù)成熟度高、經(jīng)濟(jì)可行性好的CCUS 項(xiàng)目和相關(guān)公司將成為投資者趨之若鶩的投資標(biāo)的。