CCUS是未来必不可少的负排放工程更耐用的氧载体研发能让CLC系统成本不断降低DAC路线的大致过程
01
碳中和“两条腿”走路
在向“双碳（碳达峰、碳中和）”目标进发的过程中，除了节能减排、打通储能环节、用风光等新能源逐步替代化石燃料发电外，还有一个更直接的方法，那就是尽可能控制、减少已排放和正在排放的二氧化碳，用“负碳技术”实现真正的“零碳”。
这件事原本是不需要人类来操心的，因为我们生活的地球应该是一个具有碳平衡能力的星球，它可以通过森林、土壤、岩石、海洋在一个较长的周期中吸收并释放一定的二氧化碳，使大气中的二氧化碳含量保持在一个安全范围内循环。
然而持续增长的人口和工业革命打破了这种自然界的平衡。近百年来，人类社会工业活动产生的二氧化碳以及其他温室气体的排放早已威胁到生态环境，空气又是公平的，全人类都是无差别承受其变化的命运共同体，这才有了全球“碳中和”的大背景。
需要明确的是，在如今实现“双碳”目标的过程中，大气中的二氧化碳含量仍然会不断增加，只是增速变缓。尽管煤炭等化石燃料的占比会逐步压缩，但绝不会全部退出，就像现在新能源车带动的电化学储能如烈火烹油，却仍然无法改变煤炭发电为主的现实。
正如中国21世纪议程管理中心主任黄晶所言，即使到了2060年，化石能源消费再强大的惯性下依然会小比例保留，“2060年中国的化石燃料至少仍将占一次能源消费结构的19%左右”，而这部分碳排放就需要依靠CCUS这样的“负排放”系统工程来人为抵消。
CCUS（Carbon Capture Usage Storage），即碳的捕集、利用与封存，指的是把二氧化碳从大气或发电、化工、炼钢等过程中分离出来加以利用，或进行地质封存的过程。如上所述，它与通过新旧动能转换来减少碳排放的出发点完全不同，为的是实现对大气中原有“碳”的有效控制。
在整个CCUS系统中，“捕集”碳只是第一步，“利用”碳则是使这一链条完美实现商业化运营的关键落点。但光是捕集碳就占据了CCUS项目总成本的一半以上，想要厘清这一链条，就必须要先了解这背后的技术原理。
02
尚处高位的技术成本
在冰岛的一片荒凉平原上，能看到80个大型风扇和过滤器矗立于此。当这些呈“Z”型排布的巨型风扇同时启动，会发出流水般的声音，而在肉眼不可见的地方，空气中的二氧化碳会被整套装置捕集到地下，与玄武岩发生反应、转化为石头，进而永久储存于地下——这就是世界最大的碳捕集工厂Mammoth（猛犸）近期正式运行、开始捕集第一批二氧化碳的景象。
这家工厂是由瑞士初创企业Climeworks开发的第二个大型直接空气捕集（Direct Air Capture，DAC）工厂，正常状态下该工厂每年的二氧化碳捕集能力将高达3.6万吨，虽然和去年全球374亿吨的二氧化碳排放量相比还是杯水车薪，但在未来，“猛犸”不会只有一家。
先详细解释一下什么空气中的碳是如何被捕集的。按照生产过程来区分的话，二氧化碳捕集技术可以分为三类：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。
燃烧前捕集技术是指在碳基燃料燃烧前，首先将其化学能从碳中转移出来，然后再将碳和携带能量的其他物质进行分离，从而实现碳在燃烧利用前进行捕集。比如将燃料转化为氢气和二氧化碳的气态混合物，氢气被分离出来后，可以在不产生任何二氧化碳的情况下进行燃烧，而二氧化碳则被压缩以便运输和封存。不过了解氢气储存的读者大概能了解，这种燃烧前捕集技术涉及到的燃料转换步骤太复杂，不适合燃煤电厂的应用。
富氧燃烧捕集技术也可以视作燃烧中捕集，它顾名思义，是用氧气而不是传统氮气含量较高的空气作为氧化剂来燃烧燃料，这样就能避免氮气的稀释作用，燃烧中产生的废气就变成了单纯的水蒸气和二氧化碳，水蒸气经过冷却会凝结，结果剩下的是几乎纯净的二氧化碳流，意味着更容易分离、收集。
还有一种比较前沿的化学循环燃烧（Chemical Looping Combustion，CLC）技术，也属于富氧燃烧捕集这一大类。它的工作原理是使用金属氧化物作为固体氧载体，将传统燃料与空气直接接触的燃烧分解为两个气固反应。这样一来，燃料与空气同样无需直接接触，再生的金属氧化物又可以在燃烧器中反复循环。
值得一提的是，我国在CLC为代表的第三代捕集技术路线上和国际同行也算齐头并进。去年9月，全球最大规模的3兆瓦CLC碳捕集中试装置就落户于四川德阳，该装置由法国能源巨头道达尔能源与东方锅炉、清华大学等单位共同设计，总投资约2000万欧元。据了解，在生产蒸汽的同时，该项目可捕获高纯度二氧化碳，并使碳捕集引起的供电效率损失从10个百分点以上降低到4个百分点以内。
但这种技术路线因目前技术还不够成熟、成本过高，尚未投入大规模商业应用。由于涉及多种复杂的化学反应和工艺，需要大量高精尖的专业设备，如反应器、分离塔、换热器等，CLC光是初期设备搭建就是高投入，加上研发投入和维护成本，如果没法形成规模效益（百兆瓦级别），那么按照上述CLC装置来计算，碳捕获的成本能高达100美元/吨。
03
落地环境如何抉择
总的来说，现在产业界更看好、应用最广泛的还是“燃烧后捕集”技术，DAC就属于这一领域。根据应用场景不同，燃烧后捕集其实分为工业排放源直接捕集和DAC，场景不同意味着参与主体的不同，但从技术原理上看，两者其实没多大区别。
工业排放源直接捕集指的是国家能源集团、中海油、中石化这种高排放企业自己或者找第三方在工厂内进行捕集；DAC的选址则灵活些，而且不用处理工业排放中的氮氧化物和硫化物，所以装置的规模可大可小。但两者都需要重视二氧化碳的分离技术。
无论是从化石燃料燃烧后的烟气中分离出二氧化碳，还是直接从空气中分离，当前的主要技术路径分两种，一是化学溶剂吸收，二是物理吸附。常见的吸收剂就是胺类化学溶剂（俗称胺法），从事碳捕集测试的业内人士解释，胺类化学溶剂呈碱性，跟工厂排放的烟气接触后会生成富含高浓度二氧化碳的氨基甲酸盐，氨基甲酸盐再通过解析塔进行加热、解析，从而得到更高浓度的二氧化碳。
尽管这个方法现在适用范围广，捕集效率、纯度都比较高，但这个过程中要经过加热的方式解析含有大量氮气的工业烟气，意味着需要大量蒸汽，这又是无可避免的能源消耗。民生证券行业调查研报指出，国内应用最广泛的醇胺吸收剂每吸收1吨二氧化碳的能耗可达4GJ（吉焦，单位热量能源消耗）至6GJ，相当于消耗0.14吨～0.2吨标准煤。
吸附就比较简单，利用的是多孔材料如沸石、活性炭等材料表面的分子弱作用力，也就是范德华力来捕获二氧化碳分子，一般在低温高压下吸附，高温低压下释放。这个路线也是前述冰岛猛犸工厂所采用的。
物理吸附实际上比化学溶剂吸收的能耗还要大，毕竟工厂是耗电的，所以最好是以风光电、地热等新能源驱动，不然成本只会更高。Climeworks选址冰岛也是因为那里火山多、地热丰富，地下玄武岩又适合储存二氧化碳——这就延伸出一个新的问题，存下来的二氧化碳是该加以利用还是永久储存？这门“碳生意”如何做，其实才是整个链条能够持续运行的关键。
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