陳新華：分清碳的雙重身份走 中國特色的碳中和之路

 

按照物質(zhì)不滅定律，地球上（包括地下和地表大氣）的碳元素總量是穩(wěn)定的，自遠(yuǎn)古到今天，既不會增加也不會減少，只是通過碳固定和碳釋放的方式，在地球的大氣圈、陸地生態(tài)圈、海洋圈和巖石圈中進(jìn)行循環(huán)。

 

碳固定是指植物的光合作用吸收CO2、海水溶解大氣中的CO2、干旱區(qū)鹽堿土吸收CO2、含碳元素巖石的形成，以及利用人工技術(shù)將CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。

 

中國科學(xué)院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院副院長鄒才能在最近發(fā)表的文章中指出，CO2是地球碳循環(huán)的重要介質(zhì)，具有實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物轉(zhuǎn)換和造成地球表面溫室效應(yīng)的雙重屬性。對應(yīng)這兩種屬性，他將大氣圈中的CO2分成兩類，可以被固定或可利用的CO2為“灰碳”， 而無法被固定或利用并留存在大氣圈中的CO2被稱為“黑碳”。碳中和的任務(wù)，是捕獲和循環(huán)利用“灰碳”，通過可再生能源替代化石能源和通過節(jié)能等方式從源頭上減少“黑碳”排放，并對CO2進(jìn)行捕集與地質(zhì)封存，將CO2與大氣隔離。

 

值得關(guān)注的是碳封存與碳利用之間的選擇，因?yàn)檫@不僅是碳減排技術(shù)路徑之爭，更是體現(xiàn)了東西方文化的差異。西方主流認(rèn)為，CO2是罪惡的源泉，應(yīng)該通過極端的手段，將其深埋地下幾千年，永世不得翻身，不再跑入地球大氣層。因此，歐洲多家企業(yè)在碳封存方面投入大量資金。挪威政府宣稱，挪威大陸架可以為整個(gè)歐洲的CO2提供封存地，并已經(jīng)啟動了在奧斯陸水泥廠和垃圾焚燒廠捕獲并液化CO2，通過專用船只運(yùn)輸600公里到挪威西海岸，再通過海底管道注入到海床以下2600米封存點(diǎn)的“長船”（Longship）項(xiàng)目。英國政府則是在假設(shè)北海海底擁有巨大封存能力的基礎(chǔ)上于去年8月發(fā)布了CCS商業(yè)模式白皮書。而東方的智慧告訴我們，任何垃圾都是有價(jià)值的資源，只是放錯(cuò)了地方而已，應(yīng)該更加強(qiáng)調(diào)循環(huán)利用，而不是簡單的封存。

 

2010年，時(shí)任國家能源局局長張國寶會見來訪的美國能源部長朱棣文時(shí)，就此話題進(jìn)行了有趣的對話。朱棣文極力推崇 CCS，認(rèn)為這是解決氣候問題的主要技術(shù)手段之一。但張國寶認(rèn)為，這種做法事倍功半，效果甚微。

 

張國寶指出，且不論能否確保這些封存于地下的CO2將來不會泄露到大氣中來，單說為了捕捉CO2所需消耗的能源，CCS是否值得就令人懷疑？即便能夠捕捉到一億噸的CO2，和全球每年排放到大氣中的300多億噸總量相比，也是一個(gè)微乎其微的數(shù)據(jù)，對氣候變化的影響很小?；ㄟ@些代價(jià)，莫如綠化荒漠，多種樹種草，通過植物的光合作用來捕集CO2，也許更經(jīng)濟(jì)適用，事半功倍。

 

為了讓事實(shí)說話，張國寶還給客人介紹了中石油在國家發(fā)改委的支持下，在塔克拉瑪干大沙漠建設(shè)500公里公路綠化帶的案例。

 

當(dāng)然，光靠植樹造林所吸收的那些量是解決不了全球CO2排放問題的。但十年來全球CCS的發(fā)展證明張國寶當(dāng)時(shí)的疑慮是對的。盡管西方各國對CCS都寄予厚望，但該技術(shù)的進(jìn)展并不盡人意。2005年，歐盟提出要在2015年前建成12個(gè)CCS示范項(xiàng)目，至今仍一個(gè)都沒有落實(shí)。

 

國內(nèi)方面，某能源集團(tuán)煤制油分公司原定每年捕集與封存100萬噸CO2的項(xiàng)目，但在2011-2015年間封存了30萬噸后停止。另一發(fā)電集團(tuán)原定要在天津建設(shè)的250MW IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）加CCS項(xiàng)目也是無疾而終。國內(nèi)已經(jīng)建成的CCUS（碳捕集與利用）示范項(xiàng)目，加起來每年處理的CO2不到100萬噸。目前的示范項(xiàng)目大多是以科研為目的，需要來自不同渠道科研經(jīng)費(fèi)的支持。這些項(xiàng)目在示范后不久就因技術(shù)和商用價(jià)值缺乏等原因而停運(yùn)，或處于間歇式運(yùn)營狀態(tài)。

 

技術(shù)不成熟與成本居高不下造成此類項(xiàng)目無法實(shí)現(xiàn)市場化運(yùn)營，而沒有市場化運(yùn)營就難以擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模。無論是按照國際能源署在2020年9月發(fā)布的《能源技術(shù)展望》，還是中國科技部2019年5月發(fā)布的《中國CCUS發(fā)展路線圖（2019年版）》的分析，按照目前的技術(shù)路徑，未來40年內(nèi)CCS還很難看到商業(yè)化前景。

 

根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目估算，CCS項(xiàng)目的商業(yè)化運(yùn)行成本需要每噸CO2約70美元左右（美國一機(jī)構(gòu)最近評估需要95美元）的碳價(jià)，而無論歐盟、美國還是中國，這樣的碳價(jià)還是過高。

 

CCS最大的問題在于封存，沒有封存就沒有CCS。人們都假設(shè)地球上有很大的封存能力，但實(shí)際上封存方面存在許多問題。封存工作需要在地質(zhì)和地球物理方面進(jìn)行大量研究，找到最適合封存CO2的地質(zhì)構(gòu)造，研究它的封存能力，確定打井?dāng)?shù)量，探討降低封存成本的途徑。在美國，大規(guī)模地下封存為獲得地面土地?fù)碛姓叩臏?zhǔn)許需要曠日持久的溝通與協(xié)商過程。

 

挪威是全球CCS最成功的國家，其最大的Sleipner封存項(xiàng)目自1996年開始每年封存100萬噸CO2，每噸60美元的碳稅，加上項(xiàng)目作為天然氣田的重要組成部分，可通過天然氣銷售來補(bǔ)貼封存的開支是其成功的主要因素。然而，前述挪威政府涵蓋CCS全價(jià)值鏈的“長船”項(xiàng)目總投資18.5億歐元，10年的總運(yùn)營成本為8.64億歐元，按照每年封存80萬噸，10年封存800萬噸算，合計(jì)每噸CO2封存的總成本為337.5歐元，其中運(yùn)營成本為108歐元每噸。即使未來該項(xiàng)目封存能力大幅提升，每噸CO2的封存成本也將是高得無法接受。

 

許多人將CO2驅(qū)油認(rèn)為是封存的一種，但驅(qū)油和封存存在巨大差異。驅(qū)油是一個(gè)短期過程，往往是幾年，最長也不過40年，而封存的時(shí)間維度是幾千年。驅(qū)油項(xiàng)目所用的CO2大約有三分之二會回到地表，但封存項(xiàng)目要求將100%的CO2永久地封存在地下。每年逸散1％的CO2對驅(qū)油項(xiàng)目無關(guān)緊要，但對封存來說是完全不合格的。封存有更高要求，需要更多監(jiān)測。

 

大規(guī)模地質(zhì)封存在商業(yè)模式、法律責(zé)任、生態(tài)影響、公共接受度方面都存在巨大挑戰(zhàn)，無論對于全球還是中國的減排需求，都遠(yuǎn)水不解近渴。

 

國際專利文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，自2016年開始，國際社會已經(jīng)將CO2處置的重點(diǎn)從封存轉(zhuǎn)移到利用上，即CCU，將捕獲到的CO2轉(zhuǎn)換成有規(guī)模化市場需求的燃料、化工產(chǎn)品或建筑材料。一方面通過現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施有效減少碳增量排放，另一方面以多種高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存，實(shí)現(xiàn)高排放產(chǎn)業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，并為未來以產(chǎn)品的方式進(jìn)行封存打下基礎(chǔ)。在這方面，國內(nèi)外有很多機(jī)構(gòu)都在研究示范，并已經(jīng)有了一些突破性的進(jìn)展。

 

2020年6月，美國能源部決定投入1700萬美元的聯(lián)邦資金，用于碳利用研發(fā)計(jì)劃的11個(gè)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目重點(diǎn)研發(fā)和測試將電力系統(tǒng)或其他工業(yè)排放的CO2作為主要原料的創(chuàng)新技術(shù)，旨在減少排放，并將CO2轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品。項(xiàng)目覆蓋四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域：有機(jī)增值產(chǎn)品的合成，無機(jī)固體碳制品生產(chǎn)，藻類捕集CO2，無機(jī)材料的生產(chǎn)-最大限度利用混凝土和水泥。

 

今年3月22日，日本東芝宣布開發(fā)出全球最高效的CO2電催化技術(shù)，比之前技術(shù)處理的速度提高了60倍。該技術(shù)利用底面積為信封大小的機(jī)器（底面積約300平方厘米，高23厘米），每年最多可將1噸CO2轉(zhuǎn)化成一氧化碳，然后再加氫合成為燃料或化工原料。東芝計(jì)劃2025年推出試制品。

 

在國內(nèi)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在CO2轉(zhuǎn)換利用方面做出了令人矚目的成績。中海油于2020年9月實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)500噸的CO2加氫制甲醇試點(diǎn)項(xiàng)目。中科院大連化物所李燦院士的團(tuán)隊(duì)也在蘭州建成了千噸級“液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目”，并于2020年10月通過了評審。

 

最讓人振奮的是北京光合新能科技有限公司的等離激元技術(shù)。該技術(shù)利用電廠余熱或太陽能光熱，在常溫常壓下低成本地將CO2合成為清潔燃料，目前已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)室小試而進(jìn)入了中等規(guī)模工業(yè)示范的階段。在CO2的轉(zhuǎn)換率、廢熱到合成產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換效率、成本競爭力等方面都取得了很好的效果，有望很快就可以商業(yè)化推廣。

 

此外，中國工程院院士、四川大學(xué)校長謝和平團(tuán)隊(duì)于2014年就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室成功完成了CO2礦化發(fā)電并生產(chǎn)碳酸鹽的實(shí)驗(yàn)，據(jù)他們測算，每噸CO2能夠產(chǎn)出140度電，同時(shí)產(chǎn)出1.91噸碳酸氫鈉。

 

這些把CO2從減排負(fù)擔(dān)變成高價(jià)值資源的技術(shù)，可以滿足提供能量與化工原材料的雙重功能，如能成熟且大規(guī)模利用，或?qū)㈤_創(chuàng)一個(gè)全新的碳中和技術(shù)范式。

 

人病了，可以選擇中醫(yī)調(diào)理或者西醫(yī)手術(shù)。地球病了，在基于西醫(yī)的對抗式封存大行其道且面臨困境時(shí)，何不努力開發(fā)基于中醫(yī)疏通調(diào)理思路，通過轉(zhuǎn)換利用的中國方案呢？

 

或許您會說，燃料燃燒以后CO2還會回到空中，碳轉(zhuǎn)換和利用解決不了碳總量降低的問題。是的，但如果有了高效率低成本大的CO2轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品的技術(shù)，我們可以先對高濃度的CO2進(jìn)行轉(zhuǎn)換利用，不再燃燒化石能源，實(shí)現(xiàn)增量減排。第二步再從空氣中捕集并轉(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)CO2的循環(huán)利用，在滿足能源需求的過程中不再往大氣排放CO2，這樣就可與可再生能源取得同樣的效果。第三步才從空氣中捕獲并轉(zhuǎn)換成可以封存的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)地球降溫減排。封存CO2轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品要比CO2地質(zhì)封存要簡單得多。

 

這里的核心思想是以漸進(jìn)而非冒進(jìn)的方法來解決問題，不追求在今天就做出完美解決方案，而是讓今天的不完美為未來技術(shù)進(jìn)步留下空間。這樣可以動態(tài)制定各行各業(yè)的碳中和技術(shù)路徑，讓未來的技術(shù)在今天的碳中和解決方案中扮演自己的角色，并建立相應(yīng)的體制機(jī)制和商業(yè)模式。