作者 | 袁漪琳

出品 | 虎嗅科技组

题图 | IC photo


二氧化碳是气候危机的头号麻烦。现在,一个更有想象力的挑战是:用它来发电、储能或者干点别的?


几天前刚凭借对环保和太空探索荣膺《时代》杂志“年度人物”的马斯克,一如即往地不放过任何一个开脑洞的机会——宣布SpaceX已经开启了一项旨在从大气中清除二氧化碳的计划,其制作为火箭燃料,还补充道“这对火星也很重要”,毕竟二氧化碳占火星大气比重高达95%。


据彭博社报道,这一想法会涉及一项仍处于早期开发阶段的新技术——直接空气捕获(DAC),运用化学物料过滤二氧化碳。而据世界银行2019年的统计,使用DAC技术获取的每一吨碳要付出100~1000美元的成本。类似的“黑科技”,技术难度大、高昂的成本无法靠市场消化,想要真正落地推广就必然要先挺过漫长的“死亡之谷”。


没有钞能力,何来执行力?


今年2月,马斯克启动了奖金高达1亿美元的奖项XPrize Carbon Removal,用来鼓励科研队伍研发碳清除技术。不久前,该项目中的500万美元奖金已经颁给了23个学生团队(其中包括来自中国的东北大学团队),获奖的方案主要解决的是两方面问题:清除,以及测量和检验二氧化碳。


“火星人”并非第一个认识到“碳清除”重要性的有心者。


碳捕集,是前景还是鸡肋?


早在上个世纪20年代,碳捕集的技术就在天然气储气层开发的时候出现。


70年代初期,美国德州的油田开始把二氧化碳注入油田,因为二氧化碳在原油中混相,即溶解度高,使得原油粘性下降、体积膨胀,能有效提高油田的采收率(Enhanced Oil Recovery,简称EOR),后来逐渐发展成一套成熟的采油方式。而将原油抽采过程中带出的二氧化碳进行回收回注,就可以将二氧化碳封存在储层中,减少温室气体进入大气环境。CO2驱油、灭火、制作化工产品等,是目前捕获的二氧化碳的最重要的应用场景。


碳捕集、利用和封存设备把工业活动排放的高浓度二氧化碳经过捕集、压缩、运送到封存地点,灌注入岩层中。联合国 *** 间气候变化专门委员会(IPCC)在2014年的报告里就提到了CCS技术对控温目标的重要性。据国际能源署统计,从2017年以来全球陆续新增了超过30个综合CCUS部署,主要分布在欧美地区还有中国、韩国、新西兰等国家。


2021年5月18日,国际能源署的《2050年净零排放:全球能源行业路线图》报告指出:

2050净零排放情景中,CCUS减排量将从目前的4000万吨/年,增加到2030年的16亿吨,到2050年捕集76亿吨/年。到2050年与能源相关的工业过程中,40%的碳排放可以通过CCUS技术消除。


自从去年9月份国家提出碳达峰碳中和目标后,国内碳捕集、利用和封存技术(CCUS)的发展也从幕后走到热闹的台前。


中国石油新闻中心12月14日消息,国家能源集团江苏泰州电厂的二氧化碳捕集项目开工在即,作为国内规模最大(50万吨)的示范建设装置,项目总预算高达3.86亿元,捕集到的二氧化碳主要将应用于油田驱油。


西北大学地质学系教授、二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心执行主任马劲风告诉虎嗅,目前不少能源和工业企业都认识到了CCS是唯一的减排手段,对此准备积极。


能源企业中已经在开展CCS的包括:国家能源集团陕西国华锦界电厂、华能集团上海石洞口第二电厂,中石油、中石化、中海油、延长石油。水泥和钢铁行业应用CCS的有海螺集团安徽白马山水泥厂、宝武钢铁集团等。


具体到重点省份,比如陕西,就有长庆油田、延长石油两大油田公司开展CO2驱油示范。今年六月,国能集团锦界电厂成功完成15万吨/年燃烧后捕集设施安装,规模属国内最大。在诸多试验田中,陕西作为资源大省——全国石油天然气第一大省,煤炭第三能源大省,是中国CCUS示范项目最多、CCUS产业链、供应链最完善的地区——80%以上的材料、装备可实现自主制造。


CCS难达预期,谁之过?


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不仅是中国,亚洲各国的 *** 和企业对CCS的依赖程度正在提高,但尽管如此亚洲投资人团体气候变化委员会(AIGCC)的一项分析仍然发出警告,认为未来数十年内亚洲的CCS部署可能在经济和实施上难以达到预期目标。此前也有研究统计,截至2020年全世界每年的碳封存总量不到40Mt,与年碳排量(约34000Mt)相比简直九牛一毛,可见CCS的应用仍有局限。


成本高是绕不开的因素,一般的企业和资本难以对CCS高投入,从本文开篇马斯克大展“钞能力”入局足以见得。AIGCC报告指出,与成本持续下降的可再生能源、储能技术等替代方案相比,到2040年CCS仍会一直面临成本上缺乏竞争力。


相比之下,光伏和风电之所以能够发展出今天的规模,一方面是技术门槛相对低,另一方面离不开近十年来的政策补贴。


马劲风教授认为,风光发电的每度电激励基本上相当于每吨CO2有几百元补贴,如果能获得这样的补贴,CCS也是完全可以盈利的。相比之下,美国有激励CO2地质封存的45Q抵免税法案支持、挪威有碳税迫使企业开展CCS,加拿大也有不同省份的激励政策。因此,我们总体上仍需要激励政策,提高研发投入。


此外,AIGCC认为,大规模部署CCS还需要面临“包括环境风险、技术挑战、缺乏资金、社会反对以及政策不确定性”等多方面挑战。


也有国际环境机构人员向虎嗅透露,他们对CCS的态度相对保守,恐其助长“事后补救”的路径依赖,相比之下会优先提倡推广可再生能源,从发电和工业生产的源头就不排碳。


不过,鉴于风电、光伏等可再生能源在一段时间内难以替代煤电的能源“压舱石”地位,且只能替代部分化石能源,减少排放,并不能减少累积在大气中的CO2。


马劲风教授更看好CCS的应用。“只要有‘碳中和’,就一定需要抵消排放的CCS技术,”他表示,“CCS不仅是对煤电、煤化工的唯一减排手段,也是处理水泥、钢铁、冶炼、垃圾焚烧碳排放的唯一手段。在这些领域即便达到碳中和,我们生活仍然需要水泥、钢铁、冶炼、排放垃圾等,就不可避免地要使用CCS。”


另外,实现碳中和后,全球的任务是要清除人类历史排放,这就需要负排放技术——BECCS和森林碳汇,搭配可再生能源的直接空气捕集和CO2封存。


CO2,比你想得到的更有用


谈到CCS的应用的最后一关——封存,地质条件也是一道天然的限制。地质条件禀赋相对好、CCS发展走在前头的国家有美国、加拿大、挪威等。据马劲风教授介绍,鄂尔多斯盆地地质构造稳定,也具有以千亿吨计的二氧化碳封存潜力。


那么除了让捕集到的二氧化碳“永不见天日”之外,还能不能让这种不受欢迎的温室气体更具商业潜力?尽管目前二氧化碳除了主要在驱油、饮料行业能创造较高产值之外,仍无更多想象力。


一个直接的思路是,让生之于电的二氧化碳用之于电。


超临界二氧化碳可以作为热、功转换的工作物质用于发电。近日,华能西安热工院顺利试运行了发电功率为5兆瓦的超临界二氧化碳循环发电机组。也就是让超临界二氧化碳替代传统热力发电过程中水蒸汽的作用。有研究发现,和水蒸汽驱动涡轮机相比,超临界二氧化碳循环系统发电站更具优势:比如热电转换效率高,装置能量密度高,可以配备体积小、级数小的涡轮,体积可以是传统蒸汽系统的1/30。


图源:Energy Dome


在运用二氧化碳做储能电池方面,意大利初创公司Energy Dome也已经把脑洞付诸实现。


Energy Dome开发的系统先是压缩二氧化碳,再把气体加热成300℃的液体,提取并储存热量,而气体被冷凝成液体形式储存。通过压缩或冷凝缩减空气的体积,然后让它迅速膨胀到自然状态,驱动发电涡轮机来发电。


对于投资人和用户端最关心的成本问题,Energy Dome声称,他们开发的二氧化碳电池系统的平准化存储成本(LCOS)已经低于每兆瓦时100美元,相较于锂电池储能在成本上大有优势。


根据法国拉扎德投资银行的数据,大型锂电子电池的LCOS则约为每兆瓦时132-245 美元。Energy Dome希望在未来几年内能把LCOS继续降到接近每兆瓦时50美元。


显然,对于二氧化碳的捕集和应用,国内外的技术脚步都没有迟疑,至于如何穿越“死亡之谷”,总得一步一步走走看。

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