陈新华:碳中和下理性对碳,碳材料越来越重要,是该碳封存还是碳利用?

2021-04-12

碳基物料是人类社会不可或缺的原材料,碳中和应在满足人类不断增长的能量需求和物料需求的前提下,把二氧化碳的排放降到最低,避免逢碳必反,急躁冒进。

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。

笔者在欧洲及欧洲企业工作多年,最近在与欧洲机构与企业交流过程中,发现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。

正视这两大问题并对此进行思辩,对中国制定基于科学、切实可行的碳中和路径具有重要意义。

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,一些难以减排的领域(如重卡、船舶、石化、水泥和钢铁)则以零碳电力制取的绿氢来代替化石能源。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。

原英国石油(BP)公司首席执行官约翰.布朗勋爵退休后写了好多书,其中一本书叫《七个改变了世界的元素》。七个元素分别是铁、碳、金、银、铀、钛和硅, 碳就是其中之一,位居铁之后的第二位。在布朗勋爵眼里,碳如钢铁,是帮助人类建成了今天现代社会的“七大元帅”之一,功不可没。

随着科技的进展,碳材料将扮演越来越重要的角色。由二维碳材料组成的石墨烯(Graphene)是一种革命性的材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在包括材料、能源、化工、生物医学、航空航天等多个领域具有广阔的应用前景。由碳原子组成的纳米碳材料(碳纳米管,碳纳米纤维,纳米碳球)在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面都比其它材料优异,对未来科技的发展将其中重要的支撑作用。

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。

由于CO2在所有温室气体中占有绝对优势,它就成为了控排和减排的主要对象。“碳中和”就是把某个实体(如一个企业、一个城市、一个国家等)在某一时期的CO2排放量减到最低限度,实在无法减少的则通过对冲手段来中和,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。

能源系统一直有两个重要的职能:一是为人类活动提供所需要的能源服务,这些服务包括电力、热力和交通移动力;二是通过能源化工,提供人类生活与生产活动所必需的原材料,如塑料、化肥和各种化纤材料。国际能源署在2018年发布的《石化行业的未来》报告中指出,为人类生活提供各类必需品(塑料、化肥、包装、衣服、医疗器具、洗衣粉、汽车轮胎等碳基化合物)的石化行业已经是全球能源行业的重要组成部分,分别占全球石油消费的14%和天然气消费的8%。然而,因为它提供的是化工产业的原材料而不是能源产品,一直被能源界所忽视。同理,在讨论能源转型时,人们往往只关注能源服务部分,而忽略后者的存在。

在中国,现代煤化工行业已经占到煤炭消费总量的3.9%并还呈增长趋势。

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。

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。

中国科学院院士、中国石油勘探开发研究院副院长邹才能在最近发表的文章中指出,CO2是地球碳循环的重要介质,具有实现生态系统有机物转换和造成地球表面温室效应的双重属性。对应这两种属性,他将大气圈中的CO2分成两类,可以被固定或可利用的CO2为“灰碳”, 而无法被固定或利用并留存在大气圈中的CO2被称为“黑碳”。碳中和的任务,是捕获和循环利用“灰碳”,通过可再生能源替代化石能源和通过节能等方式从源头上减少“黑碳”排放,并对CO2进行捕集与地质封存,将CO2与大气隔离。

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。

2010年,时任国家能源局局长张国宝会见来访的美国能源部长朱棣文时,就此话题进行了有趣的对话。朱棣文极力推崇碳捕获与封存(CCS),认为这是解决气候问题的主要技术手段之一。但张国宝认为,这种做法事倍功半,效果甚微。

张国宝指出,且不论能否确保这些封存于地下的CO2将来不会泄露到大气中来,单说为了捕捉CO2所需消耗的能源,CCS是否值得就令人怀疑?即便能够捕捉到一亿吨的CO2,和全球每年排放到大气中的300多亿吨总量相比,也是一个微乎其微的数据,对气候变化的影响很小。花这些代价,莫如绿化荒漠,多种树种草,通过植物的光合作用来捕集CO2,也许更经济适用,事半功倍。

为了让事实说话,张国宝还给客人介绍了中石油在国家发改委的支持下,在塔克拉玛干大沙漠建设500公里公路绿化带的案例。

当然,光靠植树造林所吸收的那些量是解决不了全球CO2排放问题的。但十年来全球CCS的发展证明张国宝当时的疑虑是对的。尽管西方各国对CCS都寄予厚望,但该技术的进展并不尽人意。2005年,欧盟提出要在2015年前建成12个CCS示范项目,至今仍一个都没有落实。

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。

根据现有项目估算,CCS项目的商业化运行成本需要每吨CO2约70美元左右(美国一机构最近评估需要95美元)的碳价,而无论欧盟、美国还是中国,这样的碳价还是过高。

CCS最大的问题在于封存,没有封存就没有CCS。人们都假设地球上有很大的封存能力,但实际上封存方面存在许多问题。封存工作需要在地质和地球物理方面进行大量研究,找到最适合封存CO2的地质构造,研究它的封存能力,确定打井数量,探讨降低封存成本的途径。在美国,大规模地下封存为获得地面土地拥有者的准许需要旷日持久的沟通与协商过程。

挪威是全球CCS最成功的国家,其最大的Sleipner封存项目自1996年开始每年封存100万吨CO2,每吨60美元的碳税,加上项目作为天然气田的重要组成部分,可通过天然气销售来补贴封存的开支是其成功的主要因素。然而,前述挪威政府涵盖CCS全价值链的“长船”项目总投资18.5亿欧元,10年的总运营成本为8.64亿欧元,按照每年封存80万吨,10年封存800万吨算,合计每吨CO2封存的总成本为337.5欧元,其中运营成本为108欧元每吨。即使未来该项目封存能力大幅提升,每吨CO2的封存成本也将是高得无法接受。

许多人将CO2驱油认为是封存的一种,但驱油和封存存在巨大差异。驱油是一个短期过程,往往是几年,最长也不过40年,而封存的时间维度是几千年。驱油项目所用的CO2大约有三分之二会回到地表,但封存项目要求将100%的CO2永久地封存在地下。每年逸散1%的CO2对驱油项目无关紧要,但对封存来说是完全不合格的。封存有更高要求,需要更多监测。

大规模地质封存在商业模式、法律责任、生态影响、公共接受度方面都存在巨大挑战,无论对于全球还是中国的减排需求,都远水不解近渴。

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。

2020年6月,美国能源部决定投入1700万美元的联邦资金,用于碳利用研发计划的11个项目。这些项目重点研发和测试将电力系统或其他工业排放的CO2作为主要原料的创新技术,旨在减少排放,并将CO2转化为增值产品。项目覆盖四个重点领域:有机增值产品的合成,无机固体碳制品生产,藻类捕集CO2,无机材料的生产-最大限度利用混凝土和水泥。

今年3月22日,日本东芝宣布开发出全球最高效的CO2电催化技术,比之前技术处理的速度提高了60倍。该技术利用底面积为信封大小的机器(底面积约300平方厘米,高23厘米),每年最多可将1吨CO2转化成一氧化碳,然后再加氢合成为燃料或化工原料。东芝计划2025年推出试制品。

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。

此外,中国工程院院士、四川大学校长谢和平团队于2014年就已经在实验室成功完成了CO2矿化发电并生产碳酸盐的实验,据他们测算,每吨CO2能够产出140度电,同时产出1.91吨碳酸氢钠。

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?

或许您会说,燃料燃烧以后CO2还会回到空中,碳转换和利用解决不了碳总量降低的问题。是的,但如果有了高效率低成本大的CO2转换成产品的技术,我们可以先对高浓度的CO2进行转换利用,不再燃烧化石能源,实现增量减排。第二步再从空气中捕集并转换利用,实现CO2的循环利用,在满足能源需求的过程中不再往大气排放CO2,这样就可与可再生能源取得同样的效果。第三步才从空气中捕获并转换成可以封存的产品,实现地球降温减排。封存CO2转换的产品要比CO2地质封存要简单的多。

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。

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。

作者简介

陈新华,北京国际能源专家俱乐部总裁,国际能源署前署长特别助理,联合国气候变化第三次缔约方会议参与者,曾在多家欧洲大型跨国能源企业担任高管。

原题为:陈新华:分清碳的双重身份,走中国特色的碳中和之路


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