陈曦：用工程化手段掌控和驾驭碳循环

二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）的若干科学与工程化思路

从工程化视野出发，结合国际上最新的科技进展，主要针对二氧化碳空气捕集和综合利用的颠覆性创新路径，面向掌控和驾驭碳循环而展开相关的新科学理念和工程化体系的概述。本文纯属个人观点，欢迎批评指正。

碳循环是地球上几十亿年来一直稳定存在的一种循环形式，它不单单是影响环境和气候的关键因素，同时也渗透到了人类生产生活中的每一个角落。碳循环不仅是能源和工程的核心，也是生命循环的一部分。然而自工业革命以来，各工程领域工业的飞速发展使得碳循环的平衡遭到了严重破坏。大气中的二氧化碳（CO2）浓度在较短时间内快速上升，除了导致目前公认的全球气候变化，使极端气候变化进一步加剧之外，作为酸性气体的二氧化碳也会并已经开始导致海水酸化及珊瑚礁融化等一系列的生态问题，被相当一部分科学家视为是第六次生命大灭绝的开始。因此，空气中过量的二氧化碳给地球同时带来了气候和生态的两大威胁, 给人类的生存和地球的生态环境造成了严峻形势，是迫在眉睫的巨大挑战。

碳中和是一项全球使命，迄今已有110多个国家和地区宣布了实现碳中和的意向。中国是全世界第一排放大国，近年排放量高达约每年百亿吨二氧化碳。作为一个负责任的大国，中国提出“碳达峰”“碳中和”的目标，不仅是对世界做出的重大承诺，更是要以此来促进重大的创新产业链的发展。因此，能否形成一个完整、协调、共生、开放、高效，同时具有重要的社会影响力和重大经济效益的战略体系，是“碳达峰”“碳中和”成败之关键。

目前，各级政府和各行各业都在制定碳中和政策，归纳起来大致包括以下六大板块（数据来源于中国能源互联网组织在2021年3月的报告）：一是清洁能源发电，比如风力、光伏、核电等清洁能源；二是经济活动的电气化取代化石能源；三是能源互联网；四是能效提升即减排；五是二氧化碳捕集、利用、封存（CCUS）；六是负排放，其中包括空气直接捕集。 

从工程学的角度，碳中和可以比喻为一个天平：天平左端是碳排放量，天平右端是一个国家或地区可以吸纳碳的碳汇（包括碳吸收、利用、封存等）的总量。天平达到平衡为碳中和（见图1）。前述六大板块的前四个（新能源、电能替代、能源互联、能效提升）都是减少天平左端的砝码；而CCUS和负排放是加强天平右端的砝码——这一端发展起来，则是可以直接降低空气中的二氧化碳浓度并确保实现碳中和的有效路径。

图1   “碳天平”

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

二氧化碳的捕集是CCUS第一步。通常意义上，第一代捕集技术指现阶段已能进行大规模示范的技术，如胺基吸收剂、整体煤气化联合循环（IGCC）燃烧前捕集、常压富氧燃烧等；第二代捕集技术指技术成熟后能耗和成本可比成熟后的第一代技术降低 30%以上的新技术，如化学链燃烧、新型膜分离、增压富氧燃烧等。尽管日趋成熟，大部分这些集中捕集 （Point Source Capture，PSC）技术都只针对少部分工 业领域（如发电厂）以及如何改进其燃烧特性。而我们知道，除了发电厂以外，汽车和飞机等交通工具的二氧化碳排放大约占到了全球四分之一而且无法被集中捕集，因此集中捕集的覆盖领域较小，且成本高昂 （PSC捕集每吨二氧化碳仅运营费至少100美元，加上设备投资更是天文数字）。并且由于大多数PSC技术都聚焦于捕集100%浓度的二氧化碳，后续需要建设大规模专用管路系统用于运输集中捕集的二氧化碳，其运输过程成本往往也很高昂（每吨每百公里约15美元）且造成新的碳排放。同时，100%浓度的二氧化碳未必为下游的二氧化碳利用所青睐。例如，富碳农业中植物作物的光合作用仅需极低浓度的二氧化碳，按照传统捕集方法，从电厂集中捕集后，气体需要净化、从专用管路花费巨大运输成本到达农业大棚，并且稀释为合适浓度之后再利用，显然得不偿失。因此，传统的PSC和很多下游的二氧化碳利用脱节或不兼容，没有做到面向对象的按需捕集，也没有集成CCUS。

另外，从碳循环的角度讲，化石燃料的“开采—加工—储存—利用—排放—回收—再生—再利用”的循环过程，本质上是使碳元素在其不同形式的化合物之间进行转换，并利用其产出的有附加值的产品（如化工产品）和衍生物（如发电）的过程。二氧化碳排放也是在这个转换路径当中的一环，但这一环却有其非常独特、鲜明的特点：在整个碳循环过程当中，几乎每一步碳的化合物及其衍生物（电力、化工产品等）都有着鲜明的国籍和商标，比如中国的煤、沙特的油、华能的电、中石化的汽油等，唯独空气中的二氧化碳既没有国籍也没有商标，是完全免费的碳元素资源。因此，如果我们能够从空气中直接捕集二氧化碳（Direct Air Capture，DAC），并且能够将捕集的二氧化碳就地实现低成本和高效的利用，除了转变为有附加值的产品获取重要经济效益，以及实现全碳循环实现重大社会效益之外，从全球战略意义的眼光出发，哪一个国家和地区先行布局DAC及相关碳的转化和再利用，就有可能对全球碳资源进行重新分配，从空气当中获取免费的无国籍的二氧化碳，并且变为本国本地的相应企业的碳资源，实现对全球碳资源的重新调配：这具有重大的战略性意义，可以为国家能源战略安全保驾护航。

空气直接捕集二氧化碳（DAC）不但是PSC的重要补充，而且其拥有的诸多优势是传统的PSC无法比拟的。

首先，DAC可捕集的二氧化碳体量巨大。空气捕集二氧化碳可应对全球任何国家任何企业的排放，在全球任何地点开展分布式捕集。 

其次，DAC是分布式捕集且无需管道网络。DAC可以在任意地点随时随地捕集并就地应用（零运输成本），可以完美地衔接任何二氧化碳的再生和再利用方式，而再生和再利用过程中产生的相关碳排放再次通过DAC捕集，这样就可以把CCUS当中的捕集（C）和利用（U）无缝衔接在一起形成全碳循环。同时，地质封存的二氧化碳如有任何泄露，唯一的应对方法也是通过空气捕集，这样捕集（C）和封存（S）也发生关联形成闭环。如是，C、U和S可以通过空气捕集技术衔接在一起，使得CCUS融为一个整体科学体系。

第三，DAC可以实现按需捕集和利用凸显重大经济效益。DAC带来的一个突出优点是，可以高效地捕集任意浓度的二氧化碳，而且特别是获取的二氧化碳相对浓度较低时候，DAC捕集的成本极低。比如笔者所领导的哥伦比亚大学课题组开发的全世界领先的特有干湿法空气捕集（Moisture Swing Direct Air Capture，MSDAC）材料，相比传统方式，投资和运营成本均明显降低，是捕集技术的重要革命。 

我们研发的和纸片一样的MSDAC材料成本非常低廉，是全世界首创的干湿法DAC技术。其在干燥状态下可自动化学吸附二氧化碳，而只需少量水汽就可以释放出二氧化碳。通过调节释放过程中的真空度，可以获取任意浓度的二氧化碳/空气混合气，且分布式捕集可衔接任何后续利用，运输成本基本为零（见图2）。我们预期这将奠定第三代捕集技术的革命性飞跃。

目前，全球范围内开展最多的碳捕集项目为工业化集中捕集，但均限于试点规模，其高昂的初期投资费用与运行费用限制了推广，特别是如果捕集（C）端远离利用（U）端，更是难以创造经济效益。而按需捕集的突出优势，则是可以按照企业所需的二氧化碳的浓度进行定向、分布式捕集，例如MSDAC可以在大棚外直接空气捕集干净的近乎零成本的低浓度二氧化碳并直接送进大棚，完全略去中间环节，极低成本的碳使得富碳农业有了新的增长空间。

同时，掌控和驾驭碳循环必须通过工程化的加速和增效。我们最新的科研进展诠释了对于二氧化碳综合利用的几条主要的工程化路径均无需依赖百分之百纯度的二氧化碳，这样就可以完美衔接其上游按需捕集的DAC和PSC。其中，两个体量最大的应用分别是将二氧化碳通过热催化直接还原为合成燃料，以及将二氧化碳固化在水泥建材、矿渣以及尾矿里实现资源化利用。 

按需捕集和工程化综合利用的多路径结合，不仅能够应对行业和企业对二氧化碳的需求，同时还能够催生一系列新的产业和产业链，并且能够以此为契机，进一步重新定义碳市场以及相应的政策法规。过去所有的碳交易和碳经济全是建立在100%纯度的二氧化碳基础上，然而，几乎所有企业排放的均不是纯的二氧化碳。同理，二氧化碳的捕集和利用如果也是基于实际的面向不同对象和配比浓度的二氧化碳，那么我们有望通过按需的和面向对象应用的CCUS一体化思维，来对碳足迹、碳经济、碳税的计量方式进行全新的考量，并催生工程化碳经济的新增长点和新的产业链等。这些全新的商业模式，将吸引大量的企业参与到CCUS并获得回报，CCUS将不再是单一无回报的政府公益性投入，而成为为国家创造新的就业岗位和经济增长点，同时能够为全球气候变化和生态稳定做出贡献、也能够实现战略性碳资源重新分配的巨大产业，产生显著的经济效益和社会效益（见图3）。

图3   用工程化的手段掌控和驾驭碳循环，打造碳捕集和碳利用产业链

此外，对于没有能力或根据行业特点无法很好落实碳中和的企业，或能源结构转型升级效果不好的企业，鼓励和推动第三方（非碳排放方）协助处理碳的排放和利用，也有利于创造新的机遇。例如，过去一昧聚焦电厂集中捕集二氧化碳，对其经济利益损失巨大，而由非碳排放方开展的按需捕集DAC可以减轻相关涉排放行业的经济负担，依靠技术进步和创新驱动来促进传统企业的低碳转型。

掌控和驾驭碳循环不仅直接关系到人类社会的前进和发展，同时也关系到国际博弈和国家话语权。很少有一个科学领域有CCUS这样的广泛影响力吸引全球的科学家来共同参与。这不单单是一个影响广泛的、影响到人类生存发展和生态稳定的全球战略性重大问题，而且可以辐射众多的学科领域及其科技进步。

 “解铃还须系铃人”，我们通过将二氧化碳捕集、利用、封存有机地结合起来，用多学科交叉的科学理念和工程化的CCUS来应对二氧化碳的巨大挑战，通过低成本捕集并通过多种方式将二氧化碳变废为宝，实现CCUS的颠覆性创新路径，能够打造新的经济增长点并推动可持续发展。