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实现碳中和目标?专家:急需构建捕集技术新体系

作者:
来源:
中国科学报
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日前,生态环境部提出未来10年我国将开展二氧化碳排放达峰行动,有关工作将纳入中央生态环境保护督查,并对各地方进展情况开展考核评估。

这是在我国提出“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值、努力争取2060年前实现碳中和”的目标后,所出台的一系列二氧化碳排放严管措施之一。

除了要严管外,二氧化碳“善用”也是需要考虑的问题。

而碳捕集、利用与封存(以下简称CCUS)作为解决我国以煤为主能源体系低碳化发展的重要战略性技术之一,正成为当下的研究热点。

“煤基工业和燃煤发电行业减排二氧化碳是当前我国减排的关键,而CCUS是目前唯一能够实现大规模减排的技术手段。”

北京师范大学中国绿色发展协同创新中心执行主任张九天在接受《中国科学报》采访时表示,我国在未来实现碳达峰和碳中和目标的进程中,CCUS 技术不可或缺。

而碳达峰和碳中和目标的提出,也给CCUS这一重大技术的发展提出了新的要求。

CCUS技术不可或缺

对于CCUS在应对气候变化方面的重要性,目前学界已达成共识。

中国科学院武汉岩土力学研究所研究员李琦直接引用了政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告《综合评估》结论中的一句话:“如果没有CCUS,绝大多数气候模式都不能实现减排目标。更为关键的是,没有CCUS技术,减排成本将会成倍增加,估计增幅平均高达138%。”

在全球共同应对气候变暖之际,国际能源署近日发布的《CCUS在低碳发电系统中的作用》报告也指出,CCUS技术是化石燃料电厂降低排放的关键解决方案。

“如果不用CCUS,要实现全球气候目标可能需要关闭所有化石燃料发电厂。”

“CCUS可捕集发电和工业过程中使用化石能源所产生的多达90%的CO2,防止其进入大气,而当前尚无其它成熟技术可达到如此高的脱碳水平。”张九天告诉《中国科学报》。

清华大学低碳经济研究院院长何建坤介绍,从实现二氧化碳排放达峰到实现碳中和,欧洲有70年左右的时间,美国约50年的时间,而我国只有30年的时间。

“所以我国每年碳排放下降的速度和减排的力度要比发达国家大得多,任务也更加艰巨。”

因此,在新目标下,发展CCUS技术就成为当下业界热议的话题和研究方向。

自2006年以来,CCUS就被列为中国中长期技术发展规划的前沿技术,并得到国家科研资金的大力支持。

张九天发现,2006年至今,中国给予CCUS的研发资金支持从未中断,支持资金面向自由探索、基础研究、技术开发和工程示范等多个阶段,覆盖包括捕集、运输、利用和封存在内的全流程技术链条,形成了比较广泛和稳定的 CCUS 研究队伍。

然而,虽然CCUS在我国已有近20年的发展,并初步形成CCUS发展的技术体系,但在新目标下,CCUS技术在不同领域的结合还将会产生新的技术组合。

“善用”更为关键

“人人都知道二氧化碳资源化利用,关键是要找到好的切入口。”

中国科学院院士、上海交通大学常务副校长丁奎岭在接受《中国科学报》采访时表示,二氧化碳是惰性分子,惰性到可以用来灭火,“在温和条件下让它发生化学反应太难了”。

正是在国家科研资金的支持下,丁奎岭带领中国科学院上海有机化学所研究团队从2001年开始便在二氧化碳的世界里不断探索。

直到去年,丁奎岭团队历经近20年的基础研究,开发了二氧化碳催化转化合成二甲基甲酰胺(DMF)的新催化剂体系、成套新技术,建成了全球首套千吨级中试装置。

据丁奎岭介绍,与过去以一氧化碳为原料的工业化技术相比,新工艺原料成本更低且来源丰富,“三废”排放大幅减少。

由于新工艺使用二氧化碳和氢气为原料,对于富余氢气和二氧化碳的行业与企业,不仅可以产生显著的经济效益,还将同时减少二氧化碳排放,是一种延长产业链和提高竞争力的选项。

纵观全球,关于CCUS技术的相关研究也是从2000年左右开始。

科技部中国21世纪议程管理中心研究员张贤等学者系统统计与分析了2000至2020年来自Web of Science 数据库中CCUS相关科学文献,结果发现,全球主要机构中,美国能源部、中国科学院和伦敦帝国理工学院对CCUS技术的研究实力和投入远远高于其他机构,其出版总量占全球出版总量的10.01%。

张贤介绍,中国学者于2004年发表了第1篇CCUS相关文章,发文量自2009年迅速增加,并于2016年超越美国成为年发文量最多的国家。

遗憾的是,中国发文篇均被引频次较低,中国相关文章总体影响力有待提升。

他同时指出,2016年以后,二氧化碳利用途径和利用方式的相关研究逐渐增加,“CO2 利用”成为热点研究领域。

其间,生物能源、负排放、生物质能结合碳捕集与封存技术等关键词热度迅速上升,CCUS技术经济性研究热度也不断攀升。

“在现阶段气候变化影响逐渐加剧、二氧化碳减排日益紧迫的情况下,CCUS技术结合生物能源的负排放技术将成为未来研究重点。”张贤说。

目前关于CCUS 技术尤其是二氧化碳资源化利用的论文铺天盖地,但丁奎岭希望涌现更多让企业感兴趣、用得上的技术方案。

急需构建新技术体系

在当下,张九天认为,我国应该考虑构建面向碳中和目标的CCUS技术体系。

“过去学者定义CCUS技术时,往往因为减排目标难以定量,而大多从科学角度进行分类,且分类的角度也比较多元化。”

张九天表示,随着控制温室气体排放目标逐渐提高,CCUS的内涵和外延也在不断发展,CCUS技术在不同领域的结合会产生新的技术组合,且主要是在捕集端有所不同。

他提出,面向碳中和目标按捕集的二氧化碳源进行分类。

张九天进一步解释道,具体分类包括:一是将化石能源燃烧过程产生的二氧化碳排放作为捕集的碳源,面向人类活动特别是能源活动产生的二氧化碳排放,可称之为FECCS;

二是将生物质能源使用产生的排放作为捕集的碳源,这个碳源的捕集开始介入自然界的碳循环过程,即生物质吸收大气中的二氧化碳,称为BECCS;

三是直接将大气作为捕集的碳源,是典型的负排放技术,可称之为 DACCS。

但就全球而言,国际能源署发布的上述报告显示,碳捕集在发电领域的进展并未达到预期。

报告指出,在运行的2个大型CCUS项目和在建的20个项目,预计总碳捕集能力将达到5000万吨/年,但国际能源署可持续发展情景中到2030年电力碳捕集能力须达到3.1亿吨/年,CCUS的发展尚未步入正轨。

张九天表示,当前很多国家都提出了碳中和目标,CCUS与相关能源系统的结合有可能培育出CCUS发展的新的技术经济范式,如集成CCUS技术与氢能生产技术系统、CCUS与可再生能源和储能系统集成可行性与发展潜力等。

但由于CCUS技术链条比较长,应用的领域范围比较宽,技术路径应如何配置,是学界关注的焦点。

同时,紧密结合碳中和目标下我国煤炭、电力、工业等领域能源结构的变化,还需要考虑非二氧化碳温室气体排放中和的问题。

在碳中和目标提出之后,另一个问题不容忽视,即国内顺应国际社会应对气候变化而禁煤的呼声和趋势渐长,国内控煤措施趋紧,电力和工业部门为此提出大力发展可再生能源以替代煤炭的目标。

在这种情况下,张九天提醒,不要误认为CCUS技术可以发挥作用的空间随着煤炭的逐步替代而减少,CCUS在难脱碳的工业部门和负排放领域将发挥不可替代的关键作用。