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分清碳的双重身份 走中国特色的碳中和之路

发布日期:2021-04-13 09:00:06 作者:admin 点击:197

 目前,欧盟、英国、中国、美国、日本、韩国、新加坡等50多个国家相继宣布在本世纪中叶实现碳中和,还有近100个国家正在研究自己的目标,碳中和已成为一场全球规模的运动,涉及人类的共同命运。

     但欧洲许多企业和机构提出的碳中和路径存在两大问题:一是碳和二氧化碳(CO₂)不分,存在“逢碳必反”的倾向,没有正确认识到碳元素在人类当今和未来的作用。二是在处理CO₂问题上,强调以长期地质封存为最终目的的碳捕获与封存(CCS),而对碳转换和利用不够重视。


01 碳还是二氧化碳?

     在气候问题成为政治正确的许多欧洲国家,碳几乎成为了一只人人喊打的过街老鼠。在“低碳、减碳、去碳、零碳”的舆论环境下,不仅是环保组织强烈反对任何含碳化石能源的生产和消费,一些大型跨国石油公司也在自己的“零碳”战略中主动减少油气产量,实现生产过程的零排放,承诺要将销售给终端客户产品的碳足迹也降到零,并将碳捕获与地质封存作为碳中和的主要技术手段。

     欧洲许多研究机构提出,能源系统的低碳转型路径要以零碳电力代替化石能源,国内有些机构也沿着这样的思路在开展国家、企业和地方的碳中和路径研究。然而,这些研究没有正确认识碳的重要性,也忽略了能源系统不仅提供能量还提供化工原材料这一事实。

     碳是自然界最普遍的元素之一,是地球上能够形成生命的最核心要素,没有碳,就没有生命。碳与我们日常生活息息相关。铅笔的笔芯由碳组成,钻石也是。米饭蔬果都是以碳为基本元素的化合物组成,衣服和日常用品也全是碳化合物产品。在人类的发展历史上,碳不仅是食物的来源、能量的来源,更是材料的来源。

     所以,问题不在于碳,而在于CO₂。但从严格意义上来说,CO₂本身也不是问题。没有CO₂,都零碳了,植物靠什么来进行光合作用呢?问题的核心是自工业革命以来,化石能源的大量燃烧带来的CO₂过量排放。随着大气中CO₂浓度的增加,越来越多地吸收地面反射的红外线,使得大量进入大气层的太阳辐射能保留在地面附近的大气中,从而使地球表面变得更暖,类似于温室截留太阳辐射,这一过程被称为温室效应。温室效应导致气候变化,而气候变化的后果十分严重,包括极端天气、干旱、飓风、洪涝、森林大火、冰川消融、永久冻土层融化、珊瑚礁死亡、海平面上升、农作物欠收、生态系统改变、致命热浪、以及更广泛的健康危害等,威胁人类在地球上的生存和发展。

     因此,需要以控制地表温度上升为目的,控制温室气体在大气中的浓度,使得全球气候处于适合人类居住的范围内。

     但是,能够产生温室效应的气体除了CO₂,还有甲烷(CH₄)、氧化亚氮(N2O)、以及氢氟碳化物(HFCs),含氯氟烃HCFCs、六氟化硫(SF6)等人造气体。据美国环境署统计,2015年全球温室气体排放由CO₂(76%),CH₄(16%),N2O(6%)和其他气体(2%)构成。“碳中和”是使得人类活动往大气中排放的CO₂总量为零,而“气候中和”则包括所有的温室气体,比“碳中和”更进一步。

     在未来的人类发展进程中,我们不仅摆脱不了对碳的依赖,相反,随着人口的增加和生活水平的提高,人类对碳基材料与产品的需求会与日俱增,即使在未来实现碳中和的年代,人类对碳基材料的需求还会保持在高位。因此,正确处理能源系统的能源服务和碳基材料两重性对于能源转型的路径设计尤为重要。

     碳中和的挑战正在于,既要满足人类不断增长的能量需求、碳素需求和持续经济增长需求,又要把CO₂的排放降到最低,实在无法减排的部分,再通过碳循环利用和封存来进行对冲。

02 碳封存还是碳利用

     按照物质不灭定律,地球上(包括地下和地表大气)的碳元素总量是稳定的,自远古到今天,既不会增加也不会减少,只是通过碳固定和碳释放的方式,在地球的大气圈、陆地生态圈、海洋圈和岩石圈中进行循环。

     碳固定是指植物的光合作用吸收CO₂、海水溶解大气中的CO₂、干旱区盐碱土吸收CO₂、含碳元素岩石的形成,以及利用人工技术将CO₂转化为化学品或燃料等。碳释放主要来自于植物和动物的呼吸作用、化石燃料的消耗、岩石圈中含碳元素岩石的分解等。

     值得关注的是碳封存与碳利用之间的选择,因为这不仅是碳减排技术路径之争,更是体现了东西方文化的差异。

     西方主流认为,CO₂是罪恶的源泉,应该通过极端的手段,将其深埋地下几千年,永世不得翻身,不再跑入地球大气层。因此,欧洲多家企业在碳封存方面投入大量资金。挪威政府宣称,挪威大陆架可以为整个欧洲的CO₂提供封存地,并已经启动了在奥斯陆水泥厂和垃圾焚烧厂捕获并液化CO₂,通过专用船只运输600公里到挪威西海岸,再通过海底管道注入到海床以下2600米封存点的“长船”(Longship)项目。英国政府则是在假设北海海底拥有巨大封存能力的基础上于去年8月发布了CCS商业模式白皮书。

     而东方的智慧告诉我们,任何垃圾都是有价值的资源,只是放错了地方而已,应该更加强调循环利用,而不是简单的封存。

     国内方面,某能源集团煤制油分公司原定每年捕集与封存100万吨CO2的项目,但在2011-2015年间封存了30万吨后停止。另一发电集团原定要在天津建设的250MW IGCC(整体煤气化联合循环发电系统)加CCS项目也是无疾而终。国内已经建成的CCUS(碳捕集与利用)示范项目,加起来每年处理的CO₂不到100万吨。目前的示范项目大多是以科研为目的,需要来自不同渠道科研经费的支持。这些项目在示范后不久就因技术和商用价值缺乏等原因而停运,或处于间歇式运营状态。

     技术不成熟与成本居高不下造成此类项目无法实现市场化运营,而没有市场化运营就难以扩大应用规模。无论是按照国际能源署在2020年9月发布的《能源技术展望》,还是中国科技部2019年5月发布的《中国CCUS发展路线图(2019年版)》的分析,按照目前的技术路径,未来40年内CCS还很难看到商业化前景。

     国际专利文献检索发现,自2016年开始,国际社会已经将CO₂处置的重点从封存转移到利用上,即CCU,将捕获到的CO₂转换成有规模化市场需求的燃料、化工产品或建筑材料。一方面通过现有的基础设施有效减少碳增量排放,另一方面以多种高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存,实现高排放产业的循环经济,并为未来以产品的方式进行封存打下基础。在这方面,国内外有很多机构都在研究示范,并已经有了一些突破性的进展。

     在国内,多个研究团队在CO₂转换利用方面做出了令人瞩目的成绩。中海油于2020年9月实现了年产500吨的CO₂加氢制甲醇试点项目。中科院大连化物所李灿院士的团队也在兰州建成了千吨级“液态太阳燃料合成示范项目”,并于2020年10月通过了评审。

     最让人振奋的是北京光合新能科技有限公司的等离激元技术。该技术利用电厂余热或太阳能光热,在常温常压下低成本地将CO₂合成为清洁燃料,目前已经完成了实验室小试而进入了中等规模工业示范的阶段。在CO₂的转换率、废热到合成产品的能量转换效率、成本竞争力等方面都取得了很好的效果,有望很快就可以商业化推广。

     这些把CO₂从减排负担变成高价值资源的技术,可以满足提供能量与化工原材料的双重功能,如能成熟且大规模利用,或将开创一个全新的碳中和技术范式。

     人病了,可以选择中医调理或者西医手术。地球病了,在基于西医的对抗式封存大行其道且面临困境时,何不努力开发基于中医疏通调理思路,通过转换利用的中国方案呢?

     这里的核心思想是以渐进而非冒进的方法来解决问题,不追求在今天就做出完美解决方案,而是让今天的不完美为未来技术进步留下空间。这样可以动态制定各行各业的碳中和技术路径,让未来的技术在今天的碳中和解决方案中扮演自己的角色,并建立相应的体制机制和商业模式。


03 科学理性的碳中和之路

     在低碳转型实践上,欧美国家有着非常丰富的经验,值得我们学习与借鉴。但在本文探讨的两大核心问题上,我们要保持清醒的头脑,走科学理性、符合自己国情且富有中国特色的碳中和之路。

     首先,应该将碳中和问题聚焦于CO₂的过量排放上。正确理解碳元素对于人类社会生存与发展的重要性,以及碳和CO₂的关系,围绕CO₂的过量排放来寻找气候变化问题的解决方案。

    其次,应该以科学的态度与方法研究CO₂过量排放问题的系统性解决方案,方案需要包括循环和资源化利用的“顺治”,而不是简单粗暴、事倍功半地封存的“逆治”。任何垃圾都是放错了位置的有用资产,CO₂也是如此。解决CO₂问题在于中医全面系统性调理,而不是西医的头痛医头,脚痛治脚。

     第三,碳中和不应以牺牲经济的合理发展和老百姓的生活福祉为代价。按照中央财经委员会的要求,“以系统观念推进碳中和的工作,处理好减污降碳和能源安全、产业链供应链安全、粮食安全、群众正常生活的关系”,避免碳系统与能源系统之间,能源系统与经济系统之间的顾此失彼。

     鉴于能源系统具有提供能源产品与化工原材料的双重功能,能源系统需要考虑的不只是能量,还有物料。未来的能源系统肯定是以电力为核心,但全面电气化的能源系统无法提供人类社会需要的碳基原材料。在能量去碳化的进程中,需要考虑如何满足碳基物料的需求和相关产业链、供应链的安全。

    第四,采取渐进而不是冒进的方法来解决问题。在碳中和问题上,我们可以借鉴欧洲很多好的做法,但不能仿效部分欧洲机构否定所有化石能源,避免逢碳必反,急躁冒进。