二氧化碳捕集、封存和利用技術前景可期

■文/吳穎蘭

中國在實現2030年前碳達峰、2060年前碳中和的“雙碳”目標過程中，二氧化碳捕集、封存和利用技術不可或缺，良好的經濟可行性是其未來被大規模采用的關鍵。

2020年，中國提出力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的宏偉目標。要實現碳達峰和碳中和必須從兩方面入手。一方面是從工業、交通、建筑等碳排放源頭上減少碳排放。具體路徑包括利用太陽能、風能、氫能、核能等各種清潔與可再生能源提供生產和生活所需的電能和其他能源，用可再生的生物基材料替代石油、天然氣等化石材料。另一方面，制造業和生活中產生的碳排放不可能完全歸零，這就要采用相關技術將排出的二氧化碳和其他溫室氣體吸收、固定、利用起來，也就是將釋放的二氧化碳和其他溫室氣體從工業尾氣等排放源頭分離出來，進行長期封存或者再利用，這就是所謂的二氧化碳捕集、封存和利用（CCUS）技術。

中國CCUS 技術起步較晚

CCUS 項目的實施始于20 世紀70年代，根據領先的新技術行業研究公司壹行研（Innova Research）對全球CCUS 項目的統計，美國和一些歐洲國家在20 世紀70年代至80年代開始進行二氧化碳捕集和地質封存項目的建設。早期的CCUS 項目包括美國得克薩斯州的一家天然氣加工廠的CCUS 項目。該項目是將天然氣加工過程中產生的二氧化碳用管道輸送到周邊的油田，利用二氧化碳驅油技術（Enhanced Oil Recovery，EOR）提高油田的產量，同時實現二氧化碳在油井下長期的地質封存。據報道，該項目每年能處理約40 萬噸二氧化碳。

中國CCUS 項目起步相對較晚，其中大部分相關項目是從2000年以后開始逐步實施的。這些項目最初的技術路線與歐美國家相似，也是從地質封存以及二氧化碳驅油技術的運用開始。相關的早期項目包括大慶油田的二氧化碳驅油項目等。自2010年起，中國的CCUS 項目開始出現多種二氧化碳利用的技術路線，其中包括發電廠的燃燒前捕集、熱電聯用等，利用催化加氫等手段將二氧化碳升級為甲醇等化工原料、二氧化碳基塑料等技術路線也開始嶄露頭角。

CCUS 碳減排規模雖小但不可或缺

中國是全球主要的碳排放國家，每年的凈碳排放已經達到百億噸級別。相對于這么大的碳排放基數，目前中國CCUS項目能處理的二氧化碳排放顯得微不足道。壹行研（Innova Research）估計，2020年中國CCUS 項目能減少的二氧化碳排放量不到這百億噸碳排放總量的1‰。不過，從全球來看，CCUS 技術在整個碳減排中所占的比例也普遍不高。例如，在最早實施CCUS 項目的美國和加拿大，二氧化碳減排量僅占總排放量的4‰～5‰。目前，全球CCUS 處理碳排放比例最高的國家是挪威，但從CCUS 路徑達成的碳排放比例也不足5%。

壹行研（Innova Research）預測，未來40年，也就是中國達成“雙碳”目標的過程中，中國需要每年凈減排4.23 億噸至6.96 億噸的二氧化碳。這些碳減排主要來自3 個方面：一是以清潔能源（如風能、太陽能、核能、氫能等）替代化石能源；二是植樹造林等生態固碳方法；三是CCUS。相比前兩個減排方法，CCUS 碳減排所占的份額相對較小。

壹行研（Innova Research）認為，雖然在可預見的將來CCUS 仍無法挑起碳減排的大梁，但是在中國實現“雙碳”目標的過程中，CCUS 不可或缺。原因是即使有清潔能源替代等方法，制造業或其他產業完全實現零碳排放是很困難的，而植樹造林的固碳路徑則受到土地等條件的制約。在這種情況下，要實現碳中和的目標，大力發展CCUS 是必然的選擇。

可以預見，隨著CCUS 技術越來越成熟，尤其是未來二氧化碳處理和利用成本的逐步降低，轉化升級的產品進一步拓展到市場規模更大的大宗化學品領域，從CCUS 路徑達成的二氧化碳減排比例將會逐步提高。壹行研（Innova Research）預測，到2060年，CCUS 的碳減排比例將占總減排的10%左右。

CCUS 技術路徑多種多樣

CCUS 技術得到國家相關研發項目和資金的大力支持，從目前就已經完成了的“十二五”“十三五”國家規劃來看，相關的國家級別的扶持項目及基金支持項目包括“萬噸級二氧化碳制芳烴關鍵技術研究”“二氧化碳高效合成重要化學品新技術”“二氧化碳煙氣微藻減排技術”等科技部重大專項。2020年，中國開展了一個由科技部資助的國家重點研發計劃——由清華大學和上海交通大學承擔的“煤炭清潔高效利用和新型節能技術：煤炭超臨界水氣化制氫和H2O/CO2混合工質熱力發電多聯產基礎研究”。毫無疑問，這些國家級扶持項目代表了中國CCUS 技術的幾個重點投入方向。

一些產學研相結合的CCUS 技術研發與產業化努力也在不斷取得進展。其中比較有代表性的研究包括：對二氧化碳生產的初級產品的進一步升級，從甲酸、一氧化碳這樣的C1 產物升級到多碳產物；開發二氧化碳基綠色塑料；把二氧化碳直接還原到碳單質產物，如石墨、碳納米管和石墨烯等；利用藻類吸收二氧化碳，生產多肽和其他高附加值的保健產品。此外，鑒于工業煙氣中二氧化碳的純化富集是企業額外的成本支出，利用工業煙氣直接制造水泥混凝土以及建筑材料也是一個研究方向。

這些基于現有的技術和產業條件研究和開發的CCUS 項目更有可能做到規模化生產并實現項目盈利，而良好的經濟可行性是未來CCUS 技術被大規模采用的關鍵。

降低二氧化碳處理成本是關鍵

對CCUS 技術而言，二氧化碳處理成本過高是其主要瓶頸。目前，很大一部分運行中的CCUS 項目都是依托能源、煤礦、鋼鐵等行業的領頭企業，以及各大院校和科研院所等進行開發和運營。這些CCUS項目的目的主要是做技術儲備，絕大部分都不能產生經濟效益。

為了降低CCUS 技術處理二氧化碳的成本，“CCUS +清潔能源”等跨界技術整合成為趨勢。例如，二氧化碳電化學還原制甲酸和一氧化碳是全世界都非常關注的CCUS 研究方向之一，但這是一個高能耗的過程。目前，國內已有研發團隊在研究利用太陽能光伏供電來完成這個高能耗的反應過程。再如，甲烷二氧化碳重整也是一個研究熱點，這個過程需要消耗大量熱能，有科研團隊在研究用太陽能光熱聚焦鏡為這個過程供熱。還有一些項目是利用工業煙氣的廢熱來驅動二氧化碳升級化學過程的。

上述利用太陽能、風能等清潔能源和廢熱回收的能源與二氧化碳轉化過程相結合的整合技術能夠有效降低成本，提高CCUS 項目的經濟可行性。預計這些結合了工業應用場景開發的CCUS 減排技術對未來CCUS 項目的大規模推廣與實施將起到很大的促進作用。

CCUS 技術投資前景可期

中國“雙碳”目標的實現是要橫跨40年的漫長過程。這個過程將為碳中和產業鏈帶來巨大的市場機會。很難預計政府部門和相關企業從2021年到2060年這40年間對碳中和產業鏈的相關投資會達到多少，但可以肯定這是一個天文數字。從行業來看，相關新材料、氫能、儲能、光伏發電等行業都存在巨大機會，其中的每一個行業都有可能發展到超過萬億元人民幣的規模。

雖然眼下CCUS 的規模還很小，其二氧化碳處理量目前還不足千萬噸，但是未來CCUS 一定是整個碳中和產業鏈上不可或缺的一個環節。壹行研（Innova Research）預測，從2021年到2030年這10年間，中國CCUS 二氧化碳處理量的年復合增長率將超過100%。

CCUS 技術路徑趨于成熟，但一個項目成功與否還取決于該項目的經濟效益。提高收入、克服成本瓶頸成為CCUS 項目成功運營的關鍵。投資人對成本低、經濟可行性高的CCUS 技術路線和項目可以加以關注。事實上，與歐美的CCUS 技術開發者相比，中國的CCUS 技術開發者更善于結合本國產業與相關應用挖掘技術的經濟效應。

除了上述“CCUS + 清潔能源”的成本降低方案，有些CCUS項目在處理含二氧化碳的工業尾氣的過程中，既能獲得營收（尾氣處理服務費用），也能為后續CCUS 項目帶來轉化所需的二氧化碳原料，從而進一步提高項目的經濟可行性。近幾年，相關企業和研究團隊也致力于提高產品的附加值和開拓新的產品應用領域。例如，利用二氧化碳還原生產高附加值的碳納米管和石墨烯，以及利用藻類吸收二氧化碳生產多肽及其他極高附加值的保健品等。這些CCUS 項目是投資人可以重點關注的潛在投資標的。

另外，碳排放交易可以為CCUS 項目帶來可觀的額外收益。中國碳排放權交易市場的進一步完善和發展也為CCUS 項目的實施提供了額外的經濟來源。

綜上所述，CCUS 是碳中和產業鏈上不可或缺的一環。雖然中國CCUS 技術起步較晚，目前CCUS 處理二氧化碳的量也還微不足道，但是中國相關研究團隊已經開發了種類繁多的二氧化碳利用與轉化技術路徑。目前，CCUS 技術面臨的主要瓶頸是成本太高，經濟可行性不強。因此，降低二氧化碳處理、轉化成本是未來CCUS 獲得大規模應用的關鍵。另外，碳排放權交易的完善與發展有助于CCUS 項目達成經濟可行性。對投資者而言，CCUS 市場具有確定的、巨大的發展潛力。這個市場中技術成熟度高、經濟可行性好的CCUS 項目和相關公司將成為投資者趨之若鶩的投資標的。