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行業動態

分清碳的雙重身份 走中國特色的碳中和之路

發布日期:2021-04-13 09:00:06 作者:admin 點擊:178

 目前,歐盟、英國、中國、美國、日本、韓國、新加坡等50多個國家相繼宣布在本世紀中葉實現碳中和,還有近100個國家正在研究自己的目標,碳中和已成為一場全球規模的運動,涉及人類的共同命運。

     但歐洲許多企業和機構提出的碳中和路徑存在兩大問題:一是碳和二氧化碳(CO?)不分,存在“逢碳必反”的傾向,沒有正確認識到碳元素在人類當今和未來的作用。二是在處理CO?問題上,強調以長期地質封存為最終目的的碳捕獲與封存(CCS),而對碳轉換和利用不夠重視。


01 碳還是二氧化碳?

     在氣候問題成為政治正確的許多歐洲國家,碳幾乎成為了一只人人喊打的過街老鼠。在“低碳、減碳、去碳、零碳”的輿論環境下,不僅是環保組織強烈反對任何含碳化石能源的生產和消費,一些大型跨國石油公司也在自己的“零碳”戰略中主動減少油氣產量,實現生產過程的零排放,承諾要將銷售給終端客戶產品的碳足跡也降到零,并將碳捕獲與地質封存作為碳中和的主要技術手段。

     歐洲許多研究機構提出,能源系統的低碳轉型路徑要以零碳電力代替化石能源,國內有些機構也沿著這樣的思路在開展國家、企業和地方的碳中和路徑研究。然而,這些研究沒有正確認識碳的重要性,也忽略了能源系統不僅提供能量還提供化工原材料這一事實。

     碳是自然界最普遍的元素之一,是地球上能夠形成生命的最核心要素,沒有碳,就沒有生命。碳與我們日常生活息息相關。鉛筆的筆芯由碳組成,鉆石也是。米飯蔬果都是以碳為基本元素的化合物組成,衣服和日常用品也全是碳化合物產品。在人類的發展歷史上,碳不僅是食物的來源、能量的來源,更是材料的來源。

     所以,問題不在于碳,而在于CO?。但從嚴格意義上來說,CO?本身也不是問題。沒有CO?,都零碳了,植物靠什么來進行光合作用呢?問題的核心是自工業革命以來,化石能源的大量燃燒帶來的CO?過量排放。隨著大氣中CO?濃度的增加,越來越多地吸收地面反射的紅外線,使得大量進入大氣層的太陽輻射能保留在地面附近的大氣中,從而使地球表面變得更暖,類似于溫室截留太陽輻射,這一過程被稱為溫室效應。溫室效應導致氣候變化,而氣候變化的后果十分嚴重,包括極端天氣、干旱、颶風、洪澇、森林大火、冰川消融、永久凍土層融化、珊瑚礁死亡、海平面上升、農作物欠收、生態系統改變、致命熱浪、以及更廣泛的健康危害等,威脅人類在地球上的生存和發展。

     因此,需要以控制地表溫度上升為目的,控制溫室氣體在大氣中的濃度,使得全球氣候處于適合人類居住的范圍內。

     但是,能夠產生溫室效應的氣體除了CO?,還有甲烷(CH?)、氧化亞氮(N2O)、以及氫氟碳化物(HFCs),含氯氟烴HCFCs、六氟化硫(SF6)等人造氣體。據美國環境署統計,2015年全球溫室氣體排放由CO?(76%),CH?(16%),N2O(6%)和其他氣體(2%)構成?!疤贾泻汀笔鞘沟萌祟惢顒油髿庵信欧诺?span style="color: rgb(51, 51, 51); font-size: 14px; text-align: justify; font-family: arial;">CO?總量為零,而“氣候中和”則包括所有的溫室氣體,比“碳中和”更進一步。

     在未來的人類發展進程中,我們不僅擺脫不了對碳的依賴,相反,隨著人口的增加和生活水平的提高,人類對碳基材料與產品的需求會與日俱增,即使在未來實現碳中和的年代,人類對碳基材料的需求還會保持在高位。因此,正確處理能源系統的能源服務和碳基材料兩重性對于能源轉型的路徑設計尤為重要。

     碳中和的挑戰正在于,既要滿足人類不斷增長的能量需求、碳素需求和持續經濟增長需求,又要把CO?的排放降到最低,實在無法減排的部分,再通過碳循環利用和封存來進行對沖。

02 碳封存還是碳利用

     按照物質不滅定律,地球上(包括地下和地表大氣)的碳元素總量是穩定的,自遠古到今天,既不會增加也不會減少,只是通過碳固定和碳釋放的方式,在地球的大氣圈、陸地生態圈、海洋圈和巖石圈中進行循環。

     碳固定是指植物的光合作用吸收CO?、海水溶解大氣中的CO?、干旱區鹽堿土吸收CO?、含碳元素巖石的形成,以及利用人工技術將CO?轉化為化學品或燃料等。碳釋放主要來自于植物和動物的呼吸作用、化石燃料的消耗、巖石圈中含碳元素巖石的分解等。

     值得關注的是碳封存與碳利用之間的選擇,因為這不僅是碳減排技術路徑之爭,更是體現了東西方文化的差異。

     西方主流認為,CO?是罪惡的源泉,應該通過極端的手段,將其深埋地下幾千年,永世不得翻身,不再跑入地球大氣層。因此,歐洲多家企業在碳封存方面投入大量資金。挪威政府宣稱,挪威大陸架可以為整個歐洲的CO?提供封存地,并已經啟動了在奧斯陸水泥廠和垃圾焚燒廠捕獲并液化CO?,通過專用船只運輸600公里到挪威西海岸,再通過海底管道注入到海床以下2600米封存點的“長船”(Longship)項目。英國政府則是在假設北海海底擁有巨大封存能力的基礎上于去年8月發布了CCS商業模式白皮書。

     而東方的智慧告訴我們,任何垃圾都是有價值的資源,只是放錯了地方而已,應該更加強調循環利用,而不是簡單的封存。

     國內方面,某能源集團煤制油分公司原定每年捕集與封存100萬噸CO2的項目,但在2011-2015年間封存了30萬噸后停止。另一發電集團原定要在天津建設的250MW IGCC(整體煤氣化聯合循環發電系統)加CCS項目也是無疾而終。國內已經建成的CCUS(碳捕集與利用)示范項目,加起來每年處理的CO?不到100萬噸。目前的示范項目大多是以科研為目的,需要來自不同渠道科研經費的支持。這些項目在示范后不久就因技術和商用價值缺乏等原因而停運,或處于間歇式運營狀態。

     技術不成熟與成本居高不下造成此類項目無法實現市場化運營,而沒有市場化運營就難以擴大應用規模。無論是按照國際能源署在2020年9月發布的《能源技術展望》,還是中國科技部2019年5月發布的《中國CCUS發展路線圖(2019年版)》的分析,按照目前的技術路徑,未來40年內CCS還很難看到商業化前景。

     國際專利文獻檢索發現,自2016年開始,國際社會已經將CO?處置的重點從封存轉移到利用上,即CCU,將捕獲到的CO?轉換成有規?;袌鲂枨蟮娜剂?、化工產品或建筑材料。一方面通過現有的基礎設施有效減少碳增量排放,另一方面以多種高附加值的碳利用形式替代高成本的碳封存,實現高排放產業的循環經濟,并為未來以產品的方式進行封存打下基礎。在這方面,國內外有很多機構都在研究示范,并已經有了一些突破性的進展。

     在國內,多個研究團隊在CO?轉換利用方面做出了令人矚目的成績。中海油于2020年9月實現了年產500噸的CO?加氫制甲醇試點項目。中科院大連化物所李燦院士的團隊也在蘭州建成了千噸級“液態太陽燃料合成示范項目”,并于2020年10月通過了評審。

     最讓人振奮的是北京光合新能科技有限公司的等離激元技術。該技術利用電廠余熱或太陽能光熱,在常溫常壓下低成本地將CO?合成為清潔燃料,目前已經完成了實驗室小試而進入了中等規模工業示范的階段。在CO?的轉換率、廢熱到合成產品的能量轉換效率、成本競爭力等方面都取得了很好的效果,有望很快就可以商業化推廣。

     這些把CO?從減排負擔變成高價值資源的技術,可以滿足提供能量與化工原材料的雙重功能,如能成熟且大規模利用,或將開創一個全新的碳中和技術范式。

     人病了,可以選擇中醫調理或者西醫手術。地球病了,在基于西醫的對抗式封存大行其道且面臨困境時,何不努力開發基于中醫疏通調理思路,通過轉換利用的中國方案呢?

     這里的核心思想是以漸進而非冒進的方法來解決問題,不追求在今天就做出完美解決方案,而是讓今天的不完美為未來技術進步留下空間。這樣可以動態制定各行各業的碳中和技術路徑,讓未來的技術在今天的碳中和解決方案中扮演自己的角色,并建立相應的體制機制和商業模式。


03 科學理性的碳中和之路

     在低碳轉型實踐上,歐美國家有著非常豐富的經驗,值得我們學習與借鑒。但在本文探討的兩大核心問題上,我們要保持清醒的頭腦,走科學理性、符合自己國情且富有中國特色的碳中和之路。

     首先,應該將碳中和問題聚焦于CO?的過量排放上。正確理解碳元素對于人類社會生存與發展的重要性,以及碳和CO?的關系,圍繞CO?的過量排放來尋找氣候變化問題的解決方案。

    其次,應該以科學的態度與方法研究CO?過量排放問題的系統性解決方案,方案需要包括循環和資源化利用的“順治”,而不是簡單粗暴、事倍功半地封存的“逆治”。任何垃圾都是放錯了位置的有用資產,CO?也是如此。解決CO?問題在于中醫全面系統性調理,而不是西醫的頭痛醫頭,腳痛治腳。

     第三,碳中和不應以犧牲經濟的合理發展和老百姓的生活福祉為代價。按照中央財經委員會的要求,“以系統觀念推進碳中和的工作,處理好減污降碳和能源安全、產業鏈供應鏈安全、糧食安全、群眾正常生活的關系”,避免碳系統與能源系統之間,能源系統與經濟系統之間的顧此失彼。

     鑒于能源系統具有提供能源產品與化工原材料的雙重功能,能源系統需要考慮的不只是能量,還有物料。未來的能源系統肯定是以電力為核心,但全面電氣化的能源系統無法提供人類社會需要的碳基原材料。在能量去碳化的進程中,需要考慮如何滿足碳基物料的需求和相關產業鏈、供應鏈的安全。

    第四,采取漸進而不是冒進的方法來解決問題。在碳中和問題上,我們可以借鑒歐洲很多好的做法,但不能仿效部分歐洲機構否定所有化石能源,避免逢碳必反,急躁冒進。

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