分清碳的雙重身份,走中國特色的碳中和之路
更新日期:2021-04-04 19:01:28

  原標題:分清碳的雙重身份,走中國特色的碳中和之路

  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。

  筆者在歐洲及歐洲企業工作多年,最近在與歐洲機構和企業交流過程中,發現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(CO2)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CO2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。

  正視這兩大問題并對此進行思辯,對中國制定基于科學、切實可行的碳中和路徑具有重要意義。

  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。

  挪威與荷蘭,歐洲這兩大天然氣生產大國已在討論禁用天然氣。歐洲投資銀行決定,除了天然氣加CCS(碳捕獲與封存)或生物質制氣項目,從今年起不再給天然氣項目貸款。

  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,一些難以減排的領域(如重卡、船舶、石化、水泥和鋼鐵)則以零碳電力制取的綠氫來代替化石能源。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。

  原英國石油(BP)公司首席執行官約翰.布朗勛爵退休后寫了好多書,其中一本書叫《七個改變了世界的元素》。 七個元素分別是鐵、碳、金、銀、鈾、鈦和硅, 碳就是其中之一,位居鐵之后的第二位。在布朗勛爵眼里,碳如鋼鐵,是幫助人類建成了今天現代社會的“七大元帥”之一,功不可沒。

  隨著科技的進展,碳材料將扮演越來越重要的角色。由二維碳材料組成的石墨烯(Graphene)是一種革命性的材料,具有優異的光學、電學、力學特性,在包括材料、能源、化工、生物醫學、航空航天等多個領域具有廣闊的應用前景。由碳原子組成的納米碳材料(碳納米管,碳納米纖維,納米碳球)在硬度、光學特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學藥品特性、電絕緣性、導電性、表面與界面特性等方面都比其他材料優異,對未來科技的發展將起到重要的支撐作用。

  所以,問題不在于碳,而在于CO2。但從嚴格意義上來說,CO2本身也不是問題。沒有CO2,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CO2 過量排放。隨著大氣中CO2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、農作物歉收、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CO2,還有甲烷(CH₄)、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CO2 (76%),CH₄(16%),N2O(6%)和其他氣體(2%)構成。

  由于CO2在所有溫室氣體中占有絕對優勢,它就成為了控排和減排的主要對象。“碳中和”就是把某個實體(如一個企業、一個城市、一個國家等)在某一時期的CO2排放量減到最低限度,實在無法減少的則通過對沖手段來中和,使得人類活動往大氣中排放的CO2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。

  能源系統一直有兩個重要的職能:一是為人類活動提供所需要的能源服務,這些服務包括電力、熱力和交通移動力;二是通過能源化工,提供人類生活與生產活動所必需的原材料,如塑料、化肥和各種化纖材料。國際能源署在2018年發布的《石化行業的未來》報告中指出,為人類生活提供各類必需品(塑料、化肥、包裝、衣服、醫療器具、洗衣粉、汽車輪胎等碳基化合物)的石化行業已經是全球能源行業的重要組成部分,分別占全球石油消費的14%和天然氣消費的8%。然而,因為它提供的是化工產業的原材料而不是能源產品,一直被能源界所忽視。同理,在討論能源轉型時,人們往往只關注能源服務部分,而忽略后者的存在。

  在中國,現代煤化工行業已經占到煤炭消費總量的3.9%并還呈增長趨勢。

  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CO2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。

  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CO2、海水溶解大氣中的CO2、干旱區鹽堿土吸收CO2、含碳元素巖石的形成,以及利用人工技術將CO2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。

  中國科學院院士、中國石油勘探開發研究院副院長鄒才能在最近發表的文章中指出,CO2是地球碳循環的重要介質,具有實現生態系統有機物轉換和造成地球表面溫室效應的雙重屬性。對應這兩種屬性,他將大氣圈中的CO2分成兩類,可以被固定或可利用的CO2為“灰碳”, 而無法被固定或利用并留存在大氣圈中的CO2被稱為“黑碳”。碳中和的任務,是捕獲和循環利用“灰碳”,通過可再生能源替代化石能源和通過節能等方式從源頭上減少“黑碳”排放,并對CO2進行捕集與地質封存,將CO2與大氣隔離。

  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,CO2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CO2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CO2,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。

  2010年,時任國家能源局局長張國寶會見來訪的美國能源部長朱棣文時,就此話題進行了有趣的對話。朱棣文極力推崇 CCS,認為這是解決氣候問題的主要技術手段之一。但張國寶認為,這種做法事倍功半,效果甚微。

  張國寶指出,且不論能否確保這些封存于地下的CO2將來不會泄露到大氣中來,單說為了捕捉CO2所需消耗的能源,CCS是否值得就令人懷疑?即便能夠捕捉到一億噸的CO2,和全球每年排放到大氣中的300多億噸總量相比,也是一個微乎其微的數據,對氣候變化的影響很小。花這些代價,莫如綠化荒漠,多種樹種草,通過植物的光合作用來捕集CO2,也許更經濟適用,事半功倍。

  為了讓事實說話,張國寶還給客人介紹了中石油在國家發改委的支持下,在塔克拉瑪干大沙漠建設500公里公路綠化帶的案例。

  當然,光靠植樹造林所吸收的那些量是解決不了全球CO2排放問題的。但十年來全球CCS的發展證明張國寶當時的疑慮是對的。盡管西方各國對CCS都寄予厚望,但該技術的進展并不盡人意。2005年,歐盟提出要在2015年前建成12個CCS示范項目,至今仍一個都沒有落實。

  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CO2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。

  根據現有項目估算,CCS項目的商業化運行成本需要每噸CO2約70美元左右(美國一機構最近評估需要95美元)的碳價,而無論歐盟、美國還是中國,這樣的碳價還是過高。

  CCS最大的問題在于封存,沒有封存就沒有CCS。人們都假設地球上有很大的封存能力,但實際上封存方面存在許多問題。封存工作需要在地質和地球物理方面進行大量研究,找到最適合封存CO2的地質構造,研究它的封存能力,確定打井數量,探討降低封存成本的途徑。在美國,大規模地下封存為獲得地面土地擁有者的準許需要曠日持久的溝通與協商過程。

  挪威是全球CCS最成功的國家,其最大的Sleipner封存項目自1996年開始每年封存100萬噸CO2,每噸60美元的碳稅,加上項目作為天然氣田的重要組成部分,可通過天然氣銷售來補貼封存的開支是其成功的主要因素。然而,前述挪威政府涵蓋CCS全價值鏈的“長船”項目總投資18.5億歐元,10年的總運營成本為8.64億歐元,按照每年封存80萬噸,10年封存800萬噸算,合計每噸CO2封存的總成本為337.5歐元,其中運營成本為108歐元每噸。即使未來該項目封存能力大幅提升,每噸CO2的封存成本也將是高得無法接受。

  許多人將CO2驅油認為是封存的一種,但驅油和封存存在巨大差異。驅油是一個短期過程,往往是幾年,最長也不過40年,而封存的時間維度是幾千年。驅油項目所用的CO2大約有三分之二會回到地表,但封存項目要求將100%的CO2永久地封存在地下。每年逸散1%的CO2對驅油項目無關緊要,但對封存來說是完全不合格的。封存有更高要求,需要更多監測。

  大規模地質封存在商業模式、法律責任、生態影響、公共接受度方面都存在巨大挑戰,無論對于全球還是中國的減排需求,都遠水不解近渴。

  國際專利文獻檢索發現,自2016年開始,國際社會已經將CO2處置的重點從封存轉移到利用上,即CCU,將捕獲到的CO2轉換成有規模化市場需求的燃料、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。

  2020年6月,美國能源部決定投入1700萬美元的聯邦資金,用于碳利用研發計劃的11個項目。這些項目重點研發和測試將電力系統或其他工業排放的CO2作為主要原料的創新技術,旨在減少排放,并將CO2轉化為增值產品。項目覆蓋四個重點領域:有機增值產品的合成,無機固體碳制品生產,藻類捕集CO2,無機材料的生產-最大限度利用混凝土和水泥。

  今年3月22日,日本東芝宣布開發出全球最高效的CO2電催化技術,比之前技術處理的速度提高了60倍。該技術利用底面積為信封大小的機器(底面積約300平方厘米,高23厘米),每年最多可將1噸CO2轉化成一氧化碳,然后再加氫合成為燃料或化工原料。東芝計劃2025年推出試制品。

  在國內,多個研究團隊在CO2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CO2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CO2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CO2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。

  此外,中國工程院院士、四川大學校長謝和平團隊于2014年就已經在實驗室成功完成了CO2礦化發電并生產碳酸鹽的實驗,據他們測算,每噸CO2能夠產出140度電,同時產出1.91噸碳酸氫鈉。

  這些把CO2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?

  或許您會說,燃料燃燒以后CO2還會回到空中,碳轉換和利用解決不了碳總量降低的問題。是的,但如果有了高效率低成本大的CO2轉換成產品的技術,我們可以先對高濃度的CO2進行轉換利用,不再燃燒化石能源,實現增量減排。第二步再從空氣中捕集并轉換利用,實現CO2的循環利用,在滿足能源需求的過程中不再往大氣排放CO2,這樣就可與可再生能源取得同樣的效果。第三步才從空氣中捕獲并轉換成可以封存的產品,實現地球降溫減排。封存CO2轉換的產品要比CO2地質封存要簡單得多。

  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。

  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CO2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CO2的關系,圍繞CO2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CO2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,CO2也是如此。解決CO2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。

  (作者為北京國際能源專家俱樂部總裁,國際能源署前署長特別助理,聯合國氣候變化第三次締約方會議參與者,曾在多家歐洲大型跨國能源企業擔任高管。)

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