隨著碳達峰與碳中和的不斷演進,各種類型的相關技術快速涌現,呈現出“八仙過海”的態勢。在這之中,CCUS技術稱得上是集“強大”和“神秘”于一體——常常被人提起,卻鮮少能夠得見。
生態環境部環境規劃院發布的《中國二氧化碳捕集利用與封存年度報告》中指出,CCUS技術是我國化石能源低碳利用的唯一技術選擇、保持電力系統靈活性的主要技術手段、鋼鐵水泥等難減排行業的可行技術方案,CCUS與新能源耦合的負排放技術還是抵消無法削減碳排放、實現碳中和目標的托底技術保障。
那么,CCUS到底是什么?何以得到如此多的頭銜加身?
2020年9月,總書記明確提出碳達峰、碳中和目標,既為我國社會發展指明了工作重心,也揭示了我們應對大氣中CO2含量不斷增長的兩條重要路徑:
一是從源頭減少CO2排放,即降低石油、煤炭、天然氣等化石燃料在能源消費中的比重,轉變當下的能源消費模式,同時減少人類活動產生的CO2,從而使得CO2的排放水平降低到一個合理數值,這便是“碳達峰”。
二是增強對CO2的吸收轉化能力,即通過植樹造林、植被恢復及相應科學技術將CO2和其他溫室氣體進行長期儲存或回收轉化,這便是“碳中和”。此處提到的科學技術,指的就是CCUS技術。
CCUS的英文全稱是“Carbon Capture,Utilization and Storage”,即二氧化碳捕集、利用和封存。CCUS是由CCS(二氧化碳捕集和封存)發展而來的,最早可追溯到20世紀70年代。CCS指的是從碳密集型行業捕集CO2,將其壓縮到超臨界狀態并注入地下地層,如深層鹽層、枯竭油氣層等進行永久封存。該技術一度被認為是應對氣候難題的關鍵技術,還有專家預測到2050年借此可減少32%的溫室氣體排放。然而,截至目前,全球的CCS設施年存儲容量只達到全年CO2排放量的千分之一。
在對CCS深入研究的基礎上,科學家們進一步提出了CCUS技術,不僅能夠實現CO2減排的目標,還可以創造額外的經濟效益。利用CCUS技術,可以捕集發電和工業過程中排放的90%以上的CO2,還能將其應用于化學、生物和食品加工的各個領域。
CCUS技術自提出以來,就在全球范圍內被廣泛接納和推廣,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)、國際能源署(IEA)、國際可再生能源機構(IRENA)等權威機構均在研究報告中指出,CCUS是應對氣候變化、實現巴黎協定目標以及碳中和的重要技術。從技術流程來看,CCUS分為捕集、輸送、利用與封存等環節。
CCUS技術流程示意圖
二氧化碳捕集是指將CO2從工業生產、能源利用或大氣中分離出來的過程,主要分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集。
二氧化碳捕集各類別特點
除了上述傳統的CCUS技術路線以外,BECCS和DACCS作為負碳技術,在碳捕集中也占有一席之地。BECCS意為生物質能碳捕集與封存,是指將生物質燃燒或轉化過程中產生的CO2進行捕集、利用或封存的過程;DACCS意為直接空氣碳捕集與封存,是指直接從大氣中捕集CO2,并將其利用或封存的過程。
二氧化碳輸送是指將捕集的CO2運送到可利用或封存場地的過程。根據運輸方式的不同,分為船舶運輸、罐車運輸和管道運輸,其中罐車運輸涵蓋了公路運輸和鐵路運輸兩種方式。
二氧化碳運輸各方式優缺點
二氧化碳利用各手段特點
二氧化碳封存是指通過工程技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層,實現與大氣長期隔絕的過程。按照封存位置不同,可分為陸地封存和海洋封存。
陸地封存是模擬自然界化石燃料的一種封存機制,即將CO2運輸至廢棄油田、不可開采煤層、高含鹽構造層等區域進行封存;海洋封存是將CO2運輸并封存在深海水或深海海床上,主要有溶解型和湖泊型兩種,溶解型指的是通過溶解的方式讓捕集的CO2緩慢加入自然界碳循環,湖泊型指的是在海底把CO2變成液態,延緩其釋放到環境中的周期。
總體而言,二氧化碳封存技術發展潛力巨大,但是成本仍居高不下,從遠期來看還存在著泄漏風險,現階段表現劣于二氧化碳利用技術。
2022年1月底,中國石化新聞辦發布消息,我國首個百萬噸級CCUS項目齊魯石化—勝利油田項目全面建成。該項目由齊魯石化二氧化碳捕集和勝利油田二氧化碳驅油與封存兩部分組成,于2021年7月啟動建設。
通過深冷和壓縮技術回收齊魯石化所屬第二化肥廠尾氣中的CO2,提純處理后的液態CO2純度可達到99%以上。
利用綠色運輸方式將液態CO2從齊魯石化送至勝利油田。
勝利油田將超臨界CO2注入油井,從而增加原油流動性,驅替微孔中的原油,達到大幅提高石油采收率的目的。與此同時,還能通過置換油氣、溶解與礦化作用等方式實現CO2封存。
齊魯石化—勝利油田項目是目前國內最大的CCUS全產業鏈示范基地和標桿工程,實現了二氧化碳捕集、驅油與封存一體化應用。該項目預計每年可減少CO2排放量100萬噸,相當于900萬棵樹一年的固碳量,或60萬輛車一年產生的CO2排放量。
近年來,在生態環境部、科技部、發改委等多個部門的共同推動下,針對CCUS的相關政策逐步完善,科研技術能力和水平日益提升,試點示范項目規模不斷壯大,呈現出良好的發展勢頭。作為我國實現碳中和目標的關鍵性技術,CCUS的順利推進有賴于每一個決策者的重點研判和超前部署,我們也期待CCUS在不久的將來發揮出更為重要的作用。