传统CCUS的痛点分析
财新ESG30人/碳中和首席科学家
霖和气候科技（北京）有限公司首席科学家
哥伦比亚大学地球工程中心主任、终身教授
陈曦
本文首发于《财新》观点
国际能源署（IEA）2020年10月发布报告《碳捕获、利用与封存（CCUS）在能源转型中的作用》中表示：“如果不广泛应用碳捕捉、利用和封存（CCUS，Carbon Capture，Utilization and Storage）技术，各国的净零排放目标几乎都将无法实现，只有在全球范围内大规模部署CCUS设施，才能达到深度减排目标以缓解气候变化的不利影响。”此前，英国皇家工程院向全球发布权威报告《温室气体移除》中提出:“唯一有希望的、可以直接掌控和驾驭温室气体的工程化方法，就是直接空气捕集（DAC，Direct Air Capture），以及后续的碳元素大规模利用和永久封存。”现世界首富特斯拉CEO埃隆·马斯克在2021年1月22日宣布将捐赠1亿美元奖励最佳碳捕集技术，随后原世界首富微软创始人比尔·盖茨表示将投资约20亿美元用于开发清洁技术，并看好碳捕集技术的发展潜力。
CCUS和工程化负排放（直接空气捕集，DAC）两个板块，都属于碳天平右端的工程化技术路线。国际上之所以如此重视碳天平右端，是因为其出发点与碳天平左端的截然不同。上一期专栏我们分析了碳天平左端的典型技术路线，其本质是通过新旧动能转换来减少碳排放，虽然可以让大气中二氧化碳的含量增速不断变缓，却无法将大气中二氧化碳的含量降下来，且目前仍然存在诸多的以大规模储能为代表的技术上的“卡脖子”难点。基于化石能源的强大惯性，碳天平右端直接针对“碳”这个核心，包括集中源烟气排放以及已经排放到大气和大气中原有的“碳”，分别通过CCUS和DAC等工程化的捕碳、用碳及封存，可以实现对大气中二氧化碳含量的有效控制。做大做强碳天平右端不仅一定程度上可为碳天平左端“兜底”，减缓左端部分企业急于转型而面临能源结构调整的压力，而且对现有的产业结构冲击最小。碳天平右端在打造新赛道将二氧化碳变废为宝的同时，能够兼顾绿色发展和经济效益要求，从而左右端一起循序渐进地迈向碳中和（图1）。
（图1）碳中和天平：做大做强碳中和天平右端，
可以减缓天平左端能源结构调整的压力
CCUS和DAC是实现碳中和的必然选择，由于碳既是燃料也是原料的双重属性，保守估计2060年中国还会有至少数十亿吨的碳排放，届时只能依靠碳天平右端来兜底。更进一步来说，碳中和只是应对气候变化万里长征第一步：碳天平左端的各路径以及CCUS只能减缓大气中二氧化碳含量的增速；在全球所有国家实现碳中和之日，大气中二氧化碳含量将会达到最高峰——彼时的温室效应、极端气候等也会达到顶峰。想要扭转该趋势的唯一工程化路径就是必须从大气中直接捕集二氧化碳（DAC），将大气中二氧化碳含量有效地降下来，最终消除历史上由工业进程产生的碳排放。也就是说，CCUS是实现碳达峰碳中和的必经之路，而DAC和工程化负排放代表着地球的未来。
但是，由于受到投资成本和二氧化碳利用场景的限制，目前国内外CCUS在整个碳天平中所占的比例普遍不高。从全球来看，在最早实施CCUS项目的美国和加拿大，目前二氧化碳捕集量仅能占到总排放量的4‰-5‰，而在碳排放排名全球第一，排放量超过百亿吨的中国，CCUS项目实际运行所能捕集的二氧化碳更不到排放总量的1‱。根据生态环境部发布的《2021年中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告》数据显示，目前我国已投运和建设中的CCUS示范项目约有40个，多以石油、煤化工、电力行业的小规模集中捕集，二氧化碳捕集量10万吨级规模为主。然而这些已经建成CCUS项目的企业其实也都非常苦恼，受制于项目高昂的投资成本，以及所捕集的二氧化碳找不到合适的下游应用场景，导致CCUS项目根本无法产生经济效益，严重缺乏经济可行性，从而进一步导致我国CCUS历经20多年的发展，至今依然停滞在建设示范阶段，无法走向商业化、规模化推广应用这条能够保障CCUS长久发展的必经道路。
（图2）国内部分CCS/CCUS项目情况 图片来源：《现代化工》
EOR（Enhanced oil recovery，强化采油）
那么传统CCUS的问题到底出在哪里了呢？首先，“谁排放谁治理”的观点并不完全地市场化，不能把处理二氧化碳的问题全部推给煤电厂、化工厂这些高排放企业，而是要从全国和全产业一盘棋的角度来综合考虑二氧化碳的捕集、利用与封存。
不可否认煤电厂、化工厂等确实是二氧化碳大排放源，但是他们普遍建设在比较偏远的地方，本身的盈利能力也有限，对企业而言，负担建设一个二氧化碳捕集设施的投资成本压力已然很大了，后续所集中捕集二氧化碳的高昂运输成本将难以承压。常见的煤电厂每年排放数百万吨二氧化碳，而仅仅建设一个年10万吨级的二氧化碳捕集设施投资就需要1亿多元（另有年运行费数千万元），而且所捕集二氧化碳无法就地利用，还需要通过建设管道或者槽车（将造成新的碳排放）把液化的二氧化碳运输出去给需求二氧化碳的企业。但是高昂的二氧化碳运输管道建设成本是任何一方都缺乏意愿去承担的。
其次，二氧化碳的封存也存在不少问题。二氧化碳封存不产生任何经济效益，纯靠政府补贴，而我国此类机制的建设尚待时日。二氧化碳封存还可能产生巨大的安全隐患。封存本意上是希望二氧化碳作为酸性气体，遇到碱性岩石或者咸水层通过化学反应将二氧化碳固化。但这个化学反应很慢，反应充分的速度以千万年计；这就意味着如果建设一个二氧化碳封存设施，可能长期运行的监测系统，投入巨大。因此二氧化碳封存在我国还处于非常初步的阶段，而且从经济性上是单纯增加经济性负担。
（图3）传统CCUS框架：集中捕集、管道运输、封存和利用完全脱节
由此可见，CCUS中，由于只有“U”碳利用方是唯一的市场化创造效益方，因此市场化的CCUS模式必须要以U为核心，基于U的需求打造合理的商业路径（结合相应的C或S）。传统CCUS模式以C端为主导，从而导致了C和U严重脱节，所以“显得”昂贵且不实用。而正因为U端的利用（二氧化碳需求方）五花八门遍布各地，因此，市场化的CCUS模式应当是分布式的。下面以和每个人都息息相关的农业举例说明。
农业生产依靠作物在光合作用下吸收水、二氧化碳和氮磷钾等肥料形成有机物。在室内栽培（设施栽培）中，由于控制外部空气的流动，且耕种季（秋冬）阳光不足，作物渴望二氧化碳。研究表明，很多单花单果类植物，如西红柿、黄瓜等常见大棚作物，在一定的富碳氛围（见下）可增产百分三十以上。因此，将二氧化碳作为气肥大量地使用，改善农作物品质并增加产量，对提升我国农业现代化、农业经济效益以及粮食战略安全具有重要意义。
然而，传统的CCUS模式无法助力富碳农业。抛开中国有6000万亩设施农农业其管道建设成本不可想象之外，即便假想将集中排放源（如电厂）捕集的二氧化碳通过管道给到农民，这个模式仍然不是市场化的。C端管道输送的二氧化碳是24小时不间断的100%纯度（液化的）二氧化碳，这和U端的需求大相径庭。一般来说植物光合作用最强的时间段是上午8-11点，其他时候基本上不需要二氧化碳，这也意味着管道提供的剩余20几个小时二氧化碳流量没有意义。此外，植物光合作用的最佳二氧化碳浓度氛围为约1000-1400ppm，这意味着农民需要将收到的二氧化碳稀释1000倍，无论是能耗、成本还是碳足迹都是巨大浪费。打个比喻，农民每天只需要约三个小时的金矿砂（一般含金量千分之一，约1000ppm），而传统CCUS管道模式却是给予每天24小时的24k金（对应纯二氧化碳），因此农民（U端）不可能为此买单。由此可见，从U端需求出发的话，富碳农业唯一合适的二氧化碳来源为DAC，因为DAC不需要管道成本，从空气中（大棚外）随捕随用（大棚内），且将空气中二氧化碳浓度升高3倍（从420ppm到约1200ppm最优值）的能耗、成本、碳足迹肯定优于传统的从集中排放源（如电厂的10%二氧化碳浓度）捕集到100%浓度并液化和长途运输最终再稀释1000倍的复杂路径。
类似地，很多U端的化工合成，如合成纯碱，也不需要纯的二氧化碳。由于U端的分布式特性以及需要的二氧化碳的流量、等级的多样性，从市场角度来说，只有从创造经济效益的利用端（U）入手，确定合理的捕集端（C）的模式和技术路线，也就是从谁需要二氧化碳入手而不是谁排放二氧化碳入手，这样才能解决当前捕集端（C）和利用端（U）严重脱节的问题，打破传统CCUS的痛点，通过科技赋能创造新赛道，将二氧化碳真正地变废为宝。
在后续的系列文章中，我们将阐述分布式CCU（以U定C）的产业化路径和市场前景。
本文是《碳中和目标带来的科技创新与产业机遇》系列文章第三篇，仅代表作者个人观点，欢迎批评指正。
