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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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二氧化碳捕集、封存和利用技术前景可期

2022-01-12 19:04:00

  中国在实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的“双碳”目标过程中,二氧化碳捕集、封存和利用技术不可或缺,良好的经济可行性是其未来被大规模采用的关键。

betway88必威体育  2020年,中国提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的宏伟目标。要实现碳达峰和碳中和必须从两方面入手。一方面是从工业、交通、建筑等碳排放源头上减少碳排放。具体路径包括利用太阳能、风能、氢能、核能等各种清洁与可再生能源提供生产和生活所需的电能和其他能源,用可再生的生物基材料替代石油、天然气等化石材料。另一方面,制造业和生活中产生的碳排放不可能完全归零,这就要采用相关技术将排出的二氧化碳和其他温室气体吸收、固定、利用起来,也就是将释放的二氧化碳和其他温室气体从工业尾气等排放源头分离出来,进行长期封存或者再利用,这就是所谓的二氧化碳捕集、封存和利用(CCUS)技术。


  中国CCUS技术起步较晚

betway88必威体育  CCUS项目的实施始于20世纪70年代,根据领先的新技术行业研究公司壹行研(Innova Research)对全球CCUS项目的统计,美国和一些欧洲国家在20世纪70年代至80年代开始进行二氧化碳捕集和地质封存项目的建设。早期的CCUS项目包括美国得克萨斯州的一家天然气加工厂的CCUS项目。该项目是将天然气加工过程中产生的二氧化碳用管道输送到周边的油田,利用二氧化碳驱油技术(Enhanced Oil Recovery,EOR)提高油田的产量,同时实现二氧化碳在油井下长期的地质封存。据报道,该项目每年能处理约40万吨二氧化碳。

betway88必威体育  中国CCUS项目起步相对较晚,其中大部分相关项目是从2000年以后开始逐步实施的。这些项目最初的技术路线与欧美国家相似,也是从地质封存以及二氧化碳驱油技术的运用开始。相关的早期项目包括大庆油田的二氧化碳驱油项目等。自2010年起,中国的CCUS项目开始出现多种二氧化碳利用的技术路线,其中包括发电厂的燃烧前捕集、热电联用等,利用催化加氢等手段将二氧化碳升级为甲醇等化工原料、二氧化碳基塑料等技术路线也开始崭露头角。

  CCUS碳减排规模虽小但不可或缺

betway88必威体育  中国是全球主要的碳排放国家,每年的净碳排放已经达到百亿吨级别。相对于这么大的碳排放基数,目前中国CCUS项目能处理的二氧化碳排放显得微不足道。壹行研(Innova Research)估计,2020年中国CCUS项目能减少的二氧化碳排放量不到这百亿吨碳排放总量的1‰。不过,从全球来看,CCUS技术在整个碳减排中所占的比例也普遍不高。例如,在最早实施CCUS项目的美国和加拿大,二氧化碳减排量仅占总排放量的4‰~5‰。目前,全球CCUS处理碳排放比例最高的国家是挪威,但从CCUS路径达成的碳排放比例也不足5%。

betway88必威体育  壹行研(Innova Research)预测,未来40年,也就是中国达成“双碳”目标的过程中,中国需要每年净减排4.23亿吨至6.96亿吨的二氧化碳。这些碳减排主要来自3个方面:一是以清洁能源(如风能、太阳能、核能、氢能等)替代化石能源;二是植树造林等生态固碳方法;三是CCUS。相比前两个减排方法,CCUS碳减排所占的份额相对较小。

  壹行研(Innova Research)认为,虽然在可预见的将来CCUS仍无法挑起碳减排的大梁,但是在中国实现“双碳”目标的过程中,CCUS不可或缺。原因是即使有清洁能源替代等方法,制造业或其他产业完全实现零碳排放是很困难的,而植树造林的固碳路径则受到土地等条件的制约。在这种情况下,要实现碳中和的目标,大力发展CCUS是必然的选择。

betway88必威体育  可以预见,随着CCUS技术越来越成熟,尤其是未来二氧化碳处理和利用成本的逐步降低,转化升级的产品进一步拓展到市场规模更大的大宗化学品领域,从CCUS路径达成的二氧化碳减排比例将会逐步提高。壹行研(Innova Research)预测,到2060年,CCUS的碳减排比例将占总减排的10%左右。

  CCUS技术路径多种多样

  CCUS技术得到国家相关研发项目和资金的大力支持,从目前就已经完成了的“十二五”“十三五”国家规划来看,相关的国家级别的扶持项目及基金支持项目包括“万吨级二氧化碳制芳烃关键技术研究”“二氧化碳高效合成重要化学品新技术”“二氧化碳烟气微藻减排技术”等科技部重大专项。2020年,中国开展了一个由科技部资助的国家重点研发计划——由清华大学和上海交通大学承担的“煤炭清洁高效利用和新型节能技术:煤炭超临界水气化制氢和H2O/CO2混合工质热力发电多联产基础研究”。毫无疑问,这些国家级扶持项目代表了中国CCUS技术的几个重点投入方向。

betway88必威体育  一些产学研相结合的CCUS技术研发与产业化努力也在不断取得进展。其中比较有代表性的研究包括:对二氧化碳生产的初级产品的进一步升级,从甲酸、一氧化碳这样的C1产物升级到多碳产物;开发二氧化碳基绿色塑料;把二氧化碳直接还原到碳单质产物,如石墨、碳纳米管和石墨烯等;利用藻类吸收二氧化碳,生产多肽和其他高附加值的保健产品。此外,鉴于工业烟气中二氧化碳的纯化富集是企业额外的成本支出,利用工业烟气直接制造水泥混凝土以及建筑材料也是一个研究方向。

betway88必威体育  这些基于现有的技术和产业条件研究和开发的CCUS项目更有可能做到规模化生产并实现项目盈利,而良好的经济可行性是未来CCUS技术被大规模采用的关键。

  降低二氧化碳处理成本是关键

betway88必威体育  对CCUS技术而言,二氧化碳处理成本过高是其主要瓶颈。目前,很大一部分运行中的CCUS项目都是依托能源、煤矿、钢铁等行业的领头企业,以及各大院校和科研院所等进行开发和运营。这些CCUS项目的目的主要是做技术储备,绝大部分都不能产生经济效益。

  为了降低CCUS技术处理二氧化碳的成本,“CCUS +清洁能源”等跨界技术整合成为趋势。例如,二氧化碳电化学还原制甲酸和一氧化碳是全世界都非常关注的CCUS研究方向之一,但这是一个高能耗的过程。目前,国内已有研发团队在研究利用太阳能光伏供电来完成这个高能耗的反应过程。再如,甲烷二氧化碳重整也是一个研究热点,这个过程需要消耗大量热能,有科研团队在研究用太阳能光热聚焦镜为这个过程供热。还有一些项目是利用工业烟气的废热来驱动二氧化碳升级化学过程的。

betway88必威体育  上述利用太阳能、风能等清洁能源和废热回收的能源与二氧化碳转化过程相结合的整合技术能够有效降低成本,提高CCUS项目的经济可行性。预计这些结合了工业应用场景开发的CCUS减排技术对未来CCUS项目的大规模推广与实施将起到很大的促进作用。

  CCUS技术投资前景可期

  中国“双碳”目标的实现是要横跨40年的漫长过程。这个过程将为碳中和产业链带来巨大的市场机会。很难预计政府部门和相关企业从2021年到2060年这40年间对碳中和产业链的相关投资会达到多少,但可以肯定这是一个天文数字。从行业来看,相关新材料、氢能、储能、光伏发电等行业都存在巨大机会,其中的每一个行业都有可能发展到超过万亿元人民币的规模。

betway88必威体育  虽然眼下CCUS的规模还很小,其二氧化碳处理量目前还不足千万吨,但是未来CCUS一定是整个碳中和产业链上不可或缺的一个环节。壹行研(Innova Research)预测,从2021年到2030年这10年间,中国CCUS二氧化碳处理量的年复合增长率将超过100%。

  CCUS技术路径趋于成熟,但一个项目成功与否还取决于该项目的经济效益。提高收入、克服成本瓶颈成为CCUS项目成功运营的关键。投资人对成本低、经济可行性高的CCUS技术路线和项目可以加以关注。事实上,与欧美的CCUS技术开发者相比,中国的CCUS技术开发者更善于结合本国产业与相关应用挖掘技术的经济效应。

  除了上述“CCUS +清洁能源”的成本降低方案,有些CCUS项目在处理含二氧化碳的工业尾气的过程中,既能获得营收(尾气处理服务费用),也能为后续CCUS项目带来转化所需的二氧化碳原料,从而进一步提高项目的经济可行性。近几年,相关企业和研究团队也致力于提高产品的附加值和开拓新的产品应用领域。例如,利用二氧化碳还原生产高附加值的碳纳米管和石墨烯,以及利用藻类吸收二氧化碳生产多肽及其他极高附加值的保健品等。这些CCUS项目是投资人可以重点关注的潜在投资标的。

  另外,碳排放交易可以为CCUS项目带来可观的额外收益。中国碳排放权交易市场的进一步完善和发展也为CCUS项目的实施提供了额外的经济来源。

  综上所述,CCUS是碳中和产业链上不可或缺的一环。虽然中国CCUS技术起步较晚,目前CCUS处理二氧化碳的量也还微不足道,但是中国相关研究团队已经开发了种类繁多的二氧化碳利用与转化技术路径。目前,CCUS技术面临的主要瓶颈是成本太高,经济可行性不强。因此,降低二氧化碳处理、转化成本是未来CCUS获得大规模应用的关键。另外,碳排放权交易的完善与发展有助于CCUS项目达成经济可行性。对投资者而言,CCUS市场具有确定的、巨大的发展潜力。这个市场中技术成熟度高、经济可行性好的CCUS项目和相关公司将成为投资者趋之若鹜的投资标的。

  吴颖兰,壹行研(Innova Research)联合创始人、研究总监。壹行研是领先的、专注于前沿技术的行业研究公司,研究领域涵盖新材料、新能源与环保科技、储能、工业互联网和机器人等。

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