10 种碳捕获方法技术对比：成本、规模潜力等

energypost.eu 2024-07-01

我们需要更好地了解碳捕获、储存和利用（CCUS）。为此，本文研究了10 种方法，并估算了到 2050 年每种方法将从大气中吸收多少二氧化碳，以及每吨的成本。

我们能否将二氧化碳这种导致全球变暖的废气转化为有价值的原料？这个问题首先出现在 20 世纪 70 年代的石油危机中，当时人们正在寻找稀缺石油的替代品。

这一想法在循环经济思维浪潮中重新浮现，这种思潮是由气候问题引发的，旨在激励碳捕获。但对二氧化碳利用的看法介于怀疑和热情之间。

什么是二氧化碳利用？

传统上，“二氧化碳利用”是一种工业过程，利用浓度高于大气水平的二氧化碳生产具有经济价值的产品。二氧化碳要么通过化学反应转化为材料、化学品和燃料，要么直接用于提高石油采收率等过程。

这个定义有其历史原因，但它并不是唯一的二氧化碳利用方式。长期以来，人们也一直在思考如何利用天然碳（植物从大气二氧化碳中产生的碳）作为原料来制造有价值的产品。利用二氧化碳的技术，例如土壤碳封存，通过提高作物产量，也可以产生经济产品。

研究了10 种具体的二氧化碳利用途径，最好根据碳在地球各圈内流动的难易程度及其最终流向进行分类，如下图所示。

二氧化碳储存：开放式、封闭式和循环式

这显示了在森林等渗漏的自然系统中储存二氧化碳的“开放”利用途径（紫色箭头），这些系统可以很快从汇变成源。“封闭”路径（红色），例如建筑材料，几乎可以永久储存二氧化碳。最后是“循环”利用（黄色），例如基于二氧化碳的燃料，它可以在短时间内移动碳。

人类和自然世界的二氧化碳存量和净流量（浅蓝色大箭头），包括 10 条编号的潜在利用和清除途径。这些用彩色箭头标记，表示碳是否存储在可以作为二氧化碳源或汇的开放系统（紫色箭头）中，用于近乎永久存储的封闭系统（红色）或仅暂时转移碳的循环路径（黄色）中。

10条途径及其前景

下面，我们比较了不同二氧化碳利用途径的潜在规模和成本。总体而言，二氧化碳利用具有大规模、低成本运营的潜力，这意味着它在未来可能会成为一项大生意。

2050年的规模评估来自结构化估算、专家咨询和大规模范围审查的过程。我们的成本估算是盈亏平衡成本——这意味着它们考虑了收入——并以从范围界定审查中收集的技术经济研究的四分位范围表示。这意味着成本是向后看的，并且可能低估了实现规模经济的途径的能力。负成本意味着该过程在目前的假设下是有利可图的。

二氧化碳化学品

使用催化剂将二氧化碳还原为其组成成分，并利用化学反应来生产甲醇、尿素（用作肥料）或聚合物（用作建筑物或汽车的耐用产品）等产品，每年可利用0.3至 0.6GtCO2到 2050年，每吨二氧化碳的成本将在 - 80 至 300 美元之间。

二氧化碳燃料

将氢气与二氧化碳结合生产碳氢化合物燃料，包括甲醇、合成燃料和合成气，可以满足巨大的市场需求——例如，现有的运输基础设施——但目前的成本很高。到 2050年，二氧化碳燃料每年可利用1至 4.2GtCO2，但每吨二氧化碳的成本高达 670美元。

微藻

利用微藻高效固定二氧化碳，然后加工生物质来制造燃料和高价值化学品等产品，多年来一直是研究工作的重点。由于生产经济复杂，每吨二氧化碳的成本在230至920美元之间，到2050年利用率可能为每年0.2至0.9GtCO2。

混凝土建筑材料

二氧化碳可用于“固化”水泥，或用于制造骨料。这样做可以长期储存一些二氧化碳，并可以取代排放密集型的传统水泥。随着全球城市化进程加快，但监管环境充满挑战，我们预计 2050 年二氧化碳的利用和封存潜力为 0.1 至 1.4GtCO2，而目前每吨二氧化碳的成本为30至70美元。

二氧化碳强化石油采收率 (EOR)

将二氧化碳注入油井可以增加石油产量。通常情况下，运营商会最大限度地提高从油井中回收的石油和二氧化碳，但至关重要的是，可以进行 EOR 操作，以便注入和储存的二氧化碳量多于消耗最终石油产品产生的二氧化碳量。我们估计，到 2050年，每年可以通过这种方式利用和储存 0.1至1.8GtCO2，每吨二氧化碳的成本在- 60 至 - 40 美元之间。

具有碳捕获和储存的生物能源（BECCS）在碳捕获生物能源中，运营商通过种植树木捕获二氧化碳，通过生物能源发电并封存由此产生的排放。根据电力收入的粗略估计，我们估计每吨二氧化碳的利用成本在60至160美元之间。到 2050 年，每年可以通过这种方式利用和储存约0.5至 5GtCO2。这低于之前发布的一些 BECCS 估计值，代表了考虑到其他可持续发展目标的部署水平。

增强耐候性

破碎玄武岩等岩石并将其撒在陆地上会导致大气中的二氧化碳加速形成稳定的碳酸盐。在农田上这样做很可能会提高产量。然而，该路径还处于早期阶段，这意味着我们尚未对其 2050 年做出预测。

林业

来自新森林和现有森林的木材都是一种具有经济价值的产品，有可能在建筑物中储存二氧化碳，从而取代水泥的使用。我们估计，到 2050 年，通过这种方式可利用高达 1.5GtCO2，每吨 CO2 的成本在 40 至10美元之间。

土壤固碳

土壤固碳土地管理技术不仅可以将二氧化碳储存在土壤中，还可以提高农业产量。我们估计，到 2050 年，以增加产量的形式利用的二氧化碳可能高达每年0.9至 1.9GtCO2，每吨二氧化碳的成本为 - 90至- 20美元。

生物炭

生物炭是“热解”生物质：在低氧水平下高温燃烧的植物材料。将生物炭应用于农业土壤有可能将农作物产量提高10%，但很难生产出一致的产品或预测土壤反应。我们估计，到2050年，生物炭可利用0.2至1GtCO2，每吨CO2的成本约为 65 美元。

容量、成本比较

下面的汇总图显示了每个途径可以使用多少二氧化碳（每列的宽度）以及相关的盈亏平衡成本（列的高度）的估计值。

低情景（左图）和高情景（右图）反映了到 2050 年取决于投资、吸收和技术改进水平的结果范围。阴影表示技术准备程度，范围从低到可变（浅色阴影）一直到高（较暗的色调）。星号是指二氧化碳储存的持续时间，范围从几天或几个月（单个星号）到几个世纪或更长时间（三个星号）。

低（左）和高（右）情景下不同子路径的二氧化碳利用潜力（2050 年 GtCO2）和盈亏平衡成本（2015 美元/吨）的估计。灰色常规途径为工业利用途径；绿色非常规途径是生物利用途径。TRL是指技术准备水平，范围在1到9之间。SCS是土壤碳封存；EOR是提高石油采收率；BECCS是具有碳捕获功能的生物能源；DME是二甲醚（二氧化碳燃料的一种）。随着研发的进步，这些成本和规模潜力可能会发生重大变化。

上图显示，到 2050 年，二氧化碳的利用可能会产生大量的二氧化碳流量，并且某些途径有望凭借其自身优势实现盈利。我们认为这可能是一个利用这些资金流来缓解气候变化的机会。

然而，这些图表也强调了这种潜力的规模以及挖掘潜力的可能成本存在很大的不确定性。为了在应对气候变化的斗争中成功部署二氧化碳利用，必须解决这些不确定性以及潜在的、重要的挑战，其中能源强度和碳储存的持久性只是其中的两个。

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