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碳中和背景下,碳捕获、碳封存大规模商用还远吗?

每日经济新闻 2022-01-05 21:50:32

每经记者 张凌霄    每经编辑 兰素英    

为应对日益严峻的全球气候变化形势,IPCC呼吁各国减少碳排放并推动碳中和,力求实现二氧化碳的净零排放。要实现这一目标,除大规模实施可再生能源替代以及挖掘可再生能源制氢等节能降碳技术的潜力外,还需要大力研发碳捕获与碳封存(Carbon Capture and Storage,以下简称CCS)以及零碳工业流程再造等技术。CCS指的是将工业生产、能源利用或大气中的二氧化碳分离出来,并通过工程技术手段将捕获到的二氧化碳注入深部地质储层,使其与大气长期隔绝,从而遏制气候变暖的趋势。

爱尔兰市场研究机构Research and Markets发布的数据显示,2020年,全球CCS市场规模预计达到约28亿美元,2026年这一数字将达到49亿美元。作为CCS价值链中非常重要的一环,碳捕获可以多种方式进行,主要包括燃烧前捕获、富氧捕获、燃烧后捕获以及直接空气碳捕获(DAC)。其中,DAC被部分科学家认为是抑制全球变暖的利器,在国际社会上的认可度日益提升。

2021年12月,硅谷技术“狂人”马斯克在社交媒体上表示,旗下美国太空探索技术公司SpaceX正在启动一项新计划,准备从地球大气中提取二氧化碳,并将其用作火箭燃料。他曾宣称:“从长远来看,使用太阳能从大气中取出二氧化碳,并与水结合,能制造火箭使用的燃料和氧气。”

就在数月前,号称是全球目前规模最大的DAC工厂“奥卡”在冰岛西南部投入运营。据报道,该工厂每年将能够捕获4000吨二氧化碳,大约是790辆乘用车一年的排放量,然后通过开创性的矿化过程将其永久存储在地下。

如何在空气中捕获二氧化碳?捕获到的二氧化碳会如何存储和利用呢?CCS是否能有效遏制全球气候变暖趋势呢?市场前景有多大?距离规模化应用还有多远?就此,《每日经济新闻》记者(以下简称NBD)专访到苏格兰碳捕获与封存研究中心主任斯图尔特·哈泽尔丁(Stuart Haszeldine)和英国碳捕获与碳封存研究中心主任乔恩·吉宾斯(Jon Gibbins),探究CCS技术的发展现状及应用潜力。

苏格兰碳捕获与封存研究中心是英国最大的碳捕获与碳封存技术实验室,哈泽尔丁是全球最早一批开始研究碳捕获与碳封存技术的学者之一。吉宾斯所在的英国碳捕获与碳封存研究中心由英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)资助,是英国国家研究与创新署(UKRI)的能源项目的一部分。

空气中“捕碳”可行?

NBD:直接空气碳捕获(DAC)被认为是少有的可从大气中去除二氧化碳的技术。您能否介绍一下这项技术,以及相比其他的碳捕获技术,DAC技术具有什么样的优势?

斯图尔特·哈泽尔丁:DAC技术是一种刚刚兴起的二氧化碳捕获技术,用于在正常空气中提取出二氧化碳,净化率可达到90%或更高,相关的技术创新和发展潜力巨大。DAC最重要的优势是可以在世界上任何有能源供应和二氧化碳安全储存场所的地方应用。

从二氧化碳的运输和储存来说,DAC所采用的方式与工业机构或发电厂非常相似,但由于DAC设施可以放置在靠近储存点的位置,因此可最大程度地降低压缩和运输成本。

NBD:DAC主要技术方式有哪些?

斯图尔特·哈泽尔丁:目前,正研究的DAC类型包括液体吸附法,吸附剂会以非常大的表面积接触大气;固体吸附剂,二氧化碳被吸附到多孔固体中,之后又被重新释放出来;以及静电吸附法,充满二氧化碳的液体吸附剂可以通过短电荷被激活,这比加热吸附剂消耗的能源要少得多。

NBD:这项技术市场潜力大吗?

斯图尔特·哈泽尔丁:DAC技术有很多潜在客户,主要可分为三类:首先是精炼碳氢化合物的机构或是行业,他们的二氧化碳捕获率需求为100%,而捕获率在70%~90%的时候,成本会很高,而DAC可以(作为补充)对剩余的二氧化碳进行二次捕获;其次是拥有计算机服务器场的大型软件公司或机构,由于他们会直接或间接排放二氧化碳,因此可聘请DAC运营商捕获和储存二氧化碳;第三类是希望捕获二氧化碳进行循环再利用的机构,在循环经济中,二氧化碳从大气中回收,经过技术加工,可被制成甲烷或碳氢化合物,然后作为运输燃料出售。

NBD:分析认为,该技术尚处于早期发展阶段。您认为其当前面临的主要挑战是什么?

斯图尔特·哈泽尔丁:DAC面临的重大挑战是如何消耗最少的能源或是以极低的成本来捕获二氧化碳。DAC通常是利用化学溶剂来捕获二氧化碳,在捕获过程中,需要能源来加热溶剂以改变其化学状态。与发电厂或工业应用中的碳捕获和储存相比,DAC需要消耗更多的能源,因为空气中的二氧化碳浓度比烟气或工业废气中的低。

储碳入地是否安全?

NBD:捕获到的二氧化碳会如何进行封存呢?

斯图尔特·哈泽尔丁:其实,碳封存技术(不包括二氧化碳分离和净化)已经在世界范围内被广为应用。地质封存是最安全、最容易监测,同时也有助于减少气候变化的长期封存二氧化碳的方法之一。

在自然环境中,火山活动产生的二氧化碳被天然地储存在多孔的沉积岩中,在数百万年甚至数千万年的时间中一直被安全储存着。而在工业领域,1972年以来,为了提高石油采收率,石油工业已开始应用二氧化碳封存技术。从天然渠道或工业来源获得的二氧化碳,可以通过管道输送到水资源匮乏或原油黏度非常低的油田,将其注入油田中(让石油体积膨胀),就可以有更多的石油被开采出来。由于石油产量增加能带来很高的价值,所以这项活动可以创造很多的利润,并且二氧化碳也能够被封存进石油中。

其中难点在于把握可注入的二氧化碳量。监管机构可强制要求工厂在石油和天然气开采完毕后,继续将更多二氧化碳封存进开采完的油田和气田中,不能任由石油公司单纯以利益为考量来确定注入量。

NBD:长期的应用基础是否意味着碳封存在技术上已经非常成熟?

斯图尔特·哈泽尔丁:总体而言,我认为碳封存面临的问题不是关于技术或监测,而是提升公众、决策者、政治家和银行投资者等对碳封存的认识,因为这项技术的应用已经达50年之久。

全世界有许多小规模和大规模碳封存测试的例子。目前,有100多个项目通过注入二氧化碳来回收石油,并将二氧化碳安全地储存在了地下;有20多个项目以注入二氧化碳的方式实现碳封存,对修复环境,应对气候变化做出了贡献。

乔恩·吉宾斯:二氧化碳的地质封存在技术层面上已经被广为了解,且已经发展到相对成熟的水平。但不可否认,地质封存还存在不可避免的不确定性,因为无法完全准确地探知地下岩石的特征情况,也就是说,难以确定某个特定场地可以储存多少二氧化碳以及应以何种速度把二氧化碳注入到这个区域中。不过,鉴于大多数场地都设有多个密封的屏障,所以出现二氧化碳泄露的可能性不大。

设施建设需因地制宜

NBD:如今,CCS设施建设正在经历飞跃性发展。从设施规模看,您认为CCS设施宜大还是宜小?

斯图尔特·哈泽尔丁:CCS设施的规模最好以年处理量来定。如果处理的气体量非常大,每年总量达数百万吨,那么建造和共享大型管道,且建造大型碳捕获设施将二氧化碳从炼油厂、发电厂或制氢厂的大型工业设施中分离出来,运输和储存每吨二氧化碳的成本无疑会大大降低,因为一些碳捕获过程需要加热,而大型设备工作具有成规模的热经济性。当然,大型设备也有其缺点,即耗资巨大、施工时间长、操作灵活度相对低。

另一方面,在部分领域,小规模的二氧化碳分离已经得以实现并投入商用,例如利用变压吸附法提纯氢气,使其变为纯度大于99%的清洁气体等。这些设备所处理的气体量规模通常在每年数千吨,而不是数百万吨。因此,重要的是化学工程师们需要了解设施在纯度和效率方面的需求。

NBD:CCS工厂应如何保证其捕获的碳量多于自身运营中产生的碳量呢?

斯图尔特·哈泽尔丁:DAC设备的目标是从二氧化碳浓度仅为 0.04%的大气中捕获和净化二氧化碳,而工业领域的二氧化碳捕获则是从更高浓度的混合物(二氧化碳含量为4%~15%)中分离出二氧化碳。这两者都需要通过化学溶剂来实现,对于溶剂的选择,一方面是需要对二氧化碳有强烈吸附力,另一方面是能够用较少的能源释放捕获到更多的二氧化碳。

(在使用溶剂前提下)二氧化碳的解吸要通过加热溶剂或在溶液中放出静电脉冲等方法进行。因此,只要能源输入过程是低碳的,整个碳捕获过程就是高效的。

大规模商用还有多远

NBD:实现低成本高效率的CCS一直被认为是业界难题。您认为如何才能有效降低成本?

斯图尔特·哈泽尔丁:实际上,在欧洲,CCS的成本已经有了大幅降低,主要通过两个路径实现:一个是改进分离设备的设计和组成,碳捕获是成本最高的环节,目前该环节的成本已经降低20%~50%;另一个是将来自多个源头的二氧化碳聚合在一起,形成工业区二氧化碳排放者“集群”。这些工业区域的跨度为1~50公里,可以通过共享管道以较低的成本来输送、压缩和封存二氧化碳。

现在许多不同的项目有多个二氧化碳来源,并且能够将二氧化碳封存在多个储存点,大幅提高了捕获、运输和储存二氧化碳的效率,商业项目所需价格也因此降低。

乔恩·吉宾斯:只要CCS被大规模应用,就可以有机会不断从先前进行的项目中获得经验,然后将得到的经验融入到现有电厂的改造和新电厂的建设中。

除通过提高产业规模和自然的市场竞争来降低成本外,政府可以鼓励那些前期获得大量政府补贴、较早开始运营的CCS工厂广泛分享其获得的相关知识,回馈社会,推动正在运营的工厂进行技术改进。

NBD:CCS技术在哪些领域的商用最值得期待?

斯图尔特·哈泽尔丁:只要有买家购买二氧化碳,其所处的市场就是CCS被商用的领域。目前市场上有许多不同的二氧化碳来源、不同的碳捕获类型、不同的二氧化碳价格。一些市场为二氧化碳买家提供了政策优惠,例如,加州低碳燃料标准(California Clean Fuel Standard)对长期储存的每吨二氧化碳奖励100美元以上,美国45Q税收抵免计划则为每吨二氧化碳提供50美元的奖励金。

乔恩·吉宾斯:CCS技术可以应用在任何使用化石燃料或人为排放二氧化碳或其他温室气体的领域——CCS的目标就是从“减少”(二氧化碳)变为清零(二氧化碳)。因此,几乎所有的人类商业活动都需要思考,未来应该如何最好地利用各种CCS方法。

NBD:您觉得在CCS的推广和商业化过程中,政府应该扮演什么样的角色?

斯图尔特·哈泽尔丁:现在是时候从研究和计划转向实际应用了。关于这项技术的大量信息有助于为政府鼓励和支持CCS的商业化提供参考。

英国爱丁堡和牛津大学的相关研究表明,以2050年实现净零排放,履行“碳回收义务”为目标,从国家政策层面要求实行碳封存,是最可靠、最快速、最便宜的脱碳和发展二氧化碳封存技术的路径。这将为二氧化碳创造更多的买家,并且比现下流行的碳税或排放定价方法成本更低,也更公平。

乔恩·吉宾斯:政府能做的最重要的事情是支持大规模二氧化碳管道系统和地质封存场所的建设。这种基础设施对CCS产业来说是至关重要的,但很难自行建设——就像公路、铁路、电网、水、污水等基础设施一样。

对于DACCS(直接空气碳捕获和碳封存)而言,政府应支持企业或个人尽可能多地使用DACCS来间接捕获排放的二氧化碳,同时要求企业为其他温室气体排放进行补偿。这点至关重要,可以缓解气候变暖趋势。

另外,政府可以提供一些资金来帮助DAC的发展和监管(就像早期发展可再生能源一样),当然也应该促进二氧化碳运输与封存基础设施的建设。

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