捕獲二氧化碳！低碳生活的“點(diǎn)石成金術(shù)”

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監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

2021年8月23日，第31個(gè)全國(guó)節(jié)能宣傳周正式拉開了帷幕。在本屆節(jié)能宣傳周上，“碳”這一概念穩(wěn)居C位，不僅“節(jié)能降碳，綠色發(fā)展”被選作宣傳主題，“碳達(dá)峰”、“碳中和”、“碳交易”、“碳固定”等概念也被多次提及。

當(dāng)前，我國(guó)不斷完善綠色低碳政策和市場(chǎng)體系，力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，一方面需要人們踐行綠色低碳的生活方式，減少碳排放；另一方面，還需要運(yùn)用工程技術(shù)手段，合理處置已排放的碳。

2021年6月17日，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于請(qǐng)報(bào)送二氧化碳捕集利用與封存（CCUS）項(xiàng)目有關(guān)情況的通知》，點(diǎn)名CCUS技術(shù)為“碳回收”這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。此文件一出，在學(xué)界與工業(yè)界內(nèi)都掀起了不小的波瀾。

那么，究竟什么是CCUS技術(shù)？怎么利用CCUS技術(shù)？它對(duì)于“碳中和”又有哪些幫助呢？

被循環(huán)的碳的“一生”

CCUS，全稱Carbon Capture, Utilization and Storage，意為碳捕集、利用與封存技術(shù)，為了理解這一技術(shù)的意義，我們不妨先來(lái)看看碳的“一生”是如何度過的。

如同地球上的水以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的形式，在陸地、海洋和大氣間不斷循環(huán)一樣，地球上的碳元素也不斷地在生物圈、巖石圈、水圈及大氣圈中交換，并隨地球的運(yùn)動(dòng)循環(huán)不止。

碳是一種常見卻奇妙的元素，它們通過彼此鏈接，可以構(gòu)成各種有機(jī)物，進(jìn)而演化出豐富的生命體。生物活動(dòng)與繁衍生息的過程，也時(shí)刻伴隨著碳的代謝循環(huán)過程。

由于地球上很少發(fā)生元素的轉(zhuǎn)變，因此地球上的碳基本上是守恒的。任何涉及碳的物理及化學(xué)過程都必須從一處取得碳，并在過程后轉(zhuǎn)移到另一處。

上古時(shí)期，伴隨著未開化的人類首次在木頭上點(diǎn)燃文明的火種，二氧化碳排出。隨后的某個(gè)時(shí)刻，這些二氧化碳被一片森林吸收，變成了森林木材的一部分。這些木材中的碳，或被燃燒重新進(jìn)入大氣，繼續(xù)參與流動(dòng)過程，成為“流動(dòng)碳”；或被埋葬在地底逐漸碳化為化石燃料，進(jìn)入巖石圈，成為“休眠碳”。這就形成一個(gè)簡(jiǎn)單“碳循環(huán)”過程。

碳元素在地球中的循環(huán)路徑和量級(jí)（紅色部分為人類影響下的排放部分，黃色為自然界的碳循環(huán)通量，白色數(shù)字表示儲(chǔ)存的碳，單位十億噸碳元素）

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

在以萬(wàn)年為單位的地球演變中，99.9%以上的碳元素變成了碳酸鹽、煤炭、石油、天然氣等物質(zhì)，深埋地下或海中，進(jìn)入了“休眠”狀態(tài)，不再參與循環(huán)。

然而，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)化石燃料的需求與日俱增，深眠在巖石圈的“休眠碳”被大量采掘和利用，重新進(jìn)入了大氣循環(huán)，變成了“流動(dòng)碳”。自1965年以來(lái)，全球GDP的增長(zhǎng)與二氧化碳的排放趨勢(shì)高度一致，可以看出，化石能源的消耗推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展。

二氧化碳排放量與GDP增長(zhǎng)曲線（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

然而，隨著化石燃料的加速開采，大氣溫室氣體濃度持續(xù)上升，從1985年至2020年，大氣內(nèi)二氧化碳的濃度從345ppm增加到了412ppm（注：ppm，百萬(wàn)分之一），增加了20%，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)0.51%。

溫室氣體濃度升高促使溫度顯著上升。根據(jù)世界氣象組織的數(shù)據(jù)，2020年的全球平均溫度比1850～1900年年均溫度基準(zhǔn)高1.2±0.1°C，全球平均海平面上升率達(dá)到3.3±0.3mm/year。

溫度上升提高了海洋的蒸發(fā)量，大量水被輸入大氣，導(dǎo)致陸地局部地區(qū)短時(shí)間內(nèi)降雨量突然升高，綿延不絕的鄭州暴雨即是典例。溫室效應(yīng)的加劇降低了環(huán)境的穩(wěn)定性，極端天氣的出現(xiàn)更加頻繁，“百年、千年難遇”的天氣逐漸增多。

全球工業(yè)革命均溫差，以1850~1900年均溫為基礎(chǔ)（單位℃）

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

要避免情況繼續(xù)惡化，人類必須同心協(xié)力降低“流動(dòng)碳”的含量。目前主要有兩種路徑：第一，降低碳排放，從源頭上減少“流動(dòng)碳”；第二，捕獲、利用和儲(chǔ)存更多的“流動(dòng)碳”，使其被消耗回收。而后者即是指CCUS技術(shù)。

什么是CCUS：碳捕集、利用與封存技術(shù)

碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）的整個(gè)環(huán)節(jié)可以簡(jiǎn)單總結(jié)為四個(gè)字：收，運(yùn)，儲(chǔ)，用。

“收”是指二氧化碳捕集，是將二氧化碳從工業(yè)生產(chǎn)、能源利用或大氣中分離出來(lái)，以備后續(xù)處理的過程。主要分為燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒、化學(xué)鏈捕集和直接從大氣中捕集（DACCS）。

“運(yùn)”是指二氧化碳輸送，是將捕集的二氧化碳通過管道、壓縮運(yùn)輸?shù)确绞?，運(yùn)送到可利用或可封存場(chǎng)地的過程。

“儲(chǔ)”是指二氧化碳封存，是將捕集的二氧化碳注入深部地質(zhì)儲(chǔ)層，使二氧化碳與大氣長(zhǎng)期隔絕，從而進(jìn)入“休眠態(tài)”。主要的封存方式有陸地封存、海洋封存和碳酸鹽化固體封存三種。

“用”是指二氧化碳利用，是通過工程技術(shù)手段，對(duì)捕集的二氧化碳實(shí)現(xiàn)資源化利用的過程。這也是“化碳為寶”的關(guān)鍵一步。

此外，直接利用樹木等生物對(duì)二氧化碳進(jìn)行一步到位的固定處理，也被納入CCUS技術(shù)的框架下，單列為生物質(zhì)利用過程（BECCS），區(qū)別于其他人工技術(shù)。

總體上來(lái)說(shuō)，CCUS技術(shù)能夠?qū)⒍趸紡墓I(yè)過程、能源利用或大氣中分離出來(lái)，直接加以利用或注入地層，將碳“資源化”或“休眠化”，從而實(shí)現(xiàn)永久減排。

CCUS技術(shù)環(huán)節(jié)流程示意（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

“化碳為寶”：二氧化碳能怎么用？

通過CCUS技術(shù)捕集的二氧化碳，如果全部填埋到地下、深海，可能造成資源的浪費(fèi)，能不能想想辦法把它用起來(lái)？又要怎么做呢？

根據(jù)工程技術(shù)手段的不同，“用”這一步可以分為地質(zhì)利用、化工利用和生物利用。

地質(zhì)利用方面，中國(guó)的二氧化碳地質(zhì)利用和封存項(xiàng)目以提高石油采收率（二氧化碳強(qiáng)化采油，CO2-EOR）為主，主要圍繞幾個(gè)油氣盆地開展，包括東北松遼盆地、華北渤海灣盆地、西北鄂爾多斯盆地和準(zhǔn)噶爾盆地；與此同時(shí)，還有二氧化碳驅(qū)替煤層氣（CO2-ECBM）技術(shù)，用于提高煤層氣采收。

二氧化碳強(qiáng)化采油，CO2-EOR（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4）

化工利用方面，應(yīng)用場(chǎng)景則十分多樣化，比如：注入啤酒、碳酸飲料；制成干冰用于食品等的冷藏運(yùn)輸；二氧化碳超臨界萃?。缓铣捎袡C(jī)小分子等精細(xì)化學(xué)品或尿素、碳酸鹽等常用化學(xué)品；二氧化碳合成制塑料；催化制甲醇、烯烴、合成氣；鋼渣、磷石膏礦化利用等許多用途。

生物利用方面，就地球的整體碳循環(huán)過程而言，通過生物的方法固定并轉(zhuǎn)化二氧化碳是地球上最符合自然規(guī)律的利用方式，二氧化碳可以用來(lái)養(yǎng)殖生長(zhǎng)周期短的植物或藻類以生產(chǎn)生物燃料。目前主要是利用微藻等生物進(jìn)行二氧化碳固定，轉(zhuǎn)化為生物燃料和化學(xué)品，可進(jìn)一步處理為生物肥料、食品添加劑等。

與此同時(shí)，由于微藻能夠利用生活及工農(nóng)業(yè)廢水作為氮、磷和其它營(yíng)養(yǎng)物的來(lái)源，因此可以實(shí)現(xiàn)廢水處理、二氧化碳固定和生物燃料合成三種過程的耦合，從而使過程的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益最大。

中國(guó)的CCUS技術(shù)全景圖（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

CCUS技術(shù)助力低碳生活

在我國(guó)的“碳中和”之路中，CCUS技術(shù)能起到什么樣的作用呢？或者說(shuō)，通過CCUS技術(shù)的應(yīng)用，期望達(dá)到什么樣的目標(biāo)？

國(guó)際能源署數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2050年，CCUS將貢獻(xiàn)全世界約14%的二氧化碳減排量。這是什么概念呢，我們來(lái)看幾個(gè)數(shù)字：

全球碳排放總量：2020年為322.8億噸；

中國(guó)碳排放總量：2020年為98.94億噸。

按照CCUS技術(shù)貢獻(xiàn)14%的減排量來(lái)看，全球一年可以減排45億噸，約等于中國(guó)的一半排放量；中國(guó)一年可以減排14億噸，接近中國(guó)整個(gè)鋼鐵行業(yè)的總排放量。

2025-2060年各行業(yè)CCUS二氧化碳減排需求潛力（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)3）

也許某一天，我們將用CO2-ECBM技術(shù)供給的天然氣將天然氣爐點(diǎn)燃，用CCUS技術(shù)供給的干冰冷藏食品，喝著DACCS技術(shù)制作的罐裝啤酒可樂，真正將低碳融入日常生活。到那時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)CCUS其實(shí)離你我并不遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

（1）Wikipedia-ZH,碳循環(huán).

（2）王荊杰. 全球碳排放權(quán)交易市場(chǎng)的發(fā)展之路[N]. 期貨日?qǐng)?bào),2021-07-21(003).

（3）中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，2021年中國(guó)二氧化碳捕集利用與封存(CCUS)年度報(bào)告.

（4）National Research Council,Division on Earth and Life Studies,Board on Earth Sciences and Resources,Committee on Seismology and Geodynamics,Committee on Geological and Geotechnical Engineering,Committee on Earth Resources,Committee on Induced Seismicity Potential in Energy Technologies. Induced Seismicity Potential in Energy Technologies[M].National Academies Press:2013-09-14.