碳捕集技术能否成为实现碳中和目标的关键？
导读：李希雯 张子豪
李希雯 张子豪
在全球追求减排与应对气候变化的背景下，碳捕集、利用与储存（CCUS）技术的重要性日益凸显。国际能源署（IEA）发布的最新数据显示，2023年全球碳捕集的能力主要集中在美国和中国这两个国家。美国以绝对的碳捕集总量居全球首位，而中国则在增量方面表现突出，成为全球增速最快的碳捕集国。
近年来，我国在碳捕集技术方面发展迅速，形成了碳捕集、利用与封存全流程技术体系，并开展了大量示范应用。在看到阶段成果与机遇的同时，也应看到问题与挑战。目前我国推动碳捕集技术深入发展面临技术层面、经济层面、政策和法规层面、社会认知和人才层面4个层面的挑战。
在全球应对气候变化的大背景下，碳捕集技术作为实现碳中和目标的重要手段之一，在中国正迎来前所未有的发展机遇。在技术创新、产业发展、政策支持和国际合作的共同推动下，碳捕集技术将为实现碳中和目标发挥重要作用，为构建绿色低碳的美好未来奠定坚实基础。
碳捕集技术是钢铁行业长期减排和深度降碳的关键技术之一，对人类应对气候变化和实现碳中和目标具有重要意义。2024二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）国际会议近日在北京举办，二氧化碳捕集、利用、封存等方面的发展动态和技术难题再次成为关注的焦点。国际能源署预测，要实现2050年全球净零排放，仅依靠减少化石燃料使用是不够的。预计每年需要移除至少10亿公吨的二氧化碳，CCUS技术被普遍认为是实现这一目标的必要措施。这一技术的核心在于通过一系列方法，将二氧化碳从工业排放源中捕获，并进行安全储存或再利用。随着气候变化加剧，全球对碳捕集技术的需求不断攀升。
本文整理碳捕集技术主要海外应用案例、国内发展现状及面临的问题与挑战，并对未来发展做出简要展望。
海外主要国家CCUS相关项目
各有千秋
在全球追求减排与应对气候变化的背景下，碳捕集、利用与储存技术的重要性日益凸显。国际能源署发布的最新数据显示，2023年，全球碳捕集的能力主要集中在美国和中国这两个国家。美国以绝对的碳捕集总量居全球首位，而中国则在增量方面表现突出，成为全球增速最快的碳捕集国。
2023年，全球的碳捕集与存储能力达到5500万吨，其中美国和巴西占据了60%的市场份额。尽管巴西的碳捕集能力主要来源于1座工厂，但美国凭借其多样化的独立设施，展现出其在碳捕集技术方面的强大实力。具体而言，美国的多座发电厂运用燃烧后捕集技术，极大地提高了其碳捕集能力。美国在碳捕集与封存领域投入较大，或将成为碳捕集与储存这项新生技术的重要试验场。相关数据显示，2020年，全球CCUS产能规模因加拿大某二氧化碳项目投运明显扩大，而美国已运行和规划中的碳捕集项目数量也较多，目前已有24个，其和加拿大正在发展的项目主要都是利用所捕集的碳恢复石油开采活动。于2017年启动、2020年关停的佩特拉诺瓦（Petranova）项目曾是美国唯一的煤电厂碳捕集项目，每年可以捕集140万吨二氧化碳并运输到油田加以利用。2023年，美国西北大学研究的“湿度摆动”技术，利用一系列离子在低湿度时捕集二氧化碳、在高湿度时释放二氧化碳，为直接空气捕集提供了一种比传统技术更节能的碳捕集方法。这种方法结合了创新的动力学方法和多种离子，几乎可以从任何地方去除碳。同年，美国西北大学的科研人员在湿法再生碳捕集的基础上，还提出了5种新型阴离子（正硅酸盐、硼酸盐、焦磷酸盐、三聚磷酸盐和二碱性磷酸盐），将这些阴离子引入离子交换膜时，可实现在干燥条件下捕集二氧化碳，在潮湿条件下也可以释放二氧化碳。
加拿大政府计划为CCUS项目及用于生产低碳能源的设备支付补贴，以推动相关技术的发展。其中，2014年运行至今的边界大坝能源（Boundary Dam Power）项目每年能够捕集约100万吨二氧化碳，捕集率较高，对减少发电厂的碳排放具有重要意义；2015年运行的Quest项目将原油制氢过程产生的二氧化碳注入咸水层封存，是加拿大在碳封存领域的重要实践，为减少工业碳排放提供了可行的解决方案。
英国制定了相关政策推动碳捕集技术发展，比如设立了碳捕集与封存技术基础设施基金。英国国家CCUS研究中心致力于提高工业生产中二氧化碳的捕集率，正寻求从工业生产中捕集大量的二氧化碳，并努力将工业生产中二氧化碳的捕集率提高至95%或更高。2021年，英国境内运行的塔塔钢铁碳捕集示范项目每年可以捕集4万吨二氧化碳，约占当地燃气电站总排放量的11%。
澳大利亚拥有多个碳捕集与封存项目，比如“碳网”计划，计划每年在澳大利亚东南沿海的巴斯海峡封存500万吨二氧化碳，预计到2030年投入使用。皇家墨尔本理工大学2019年公布的室温转化固态碳技术利用液态金属做催化剂，首次实现在室温下将空气中的二氧化碳持续有效转变成固体碳。预计到2030年投入使用（目前处于规划和推进阶段）的“碳网”计划（CarbonNet）将在澳大利亚东南沿海的巴斯海峡进行，每年预计封存500万吨二氧化碳。
日本基于异佛尔酮二胺（IPDA）的碳捕集技术由日本东京都立大学科研团队发现，相关论文于2022年发表在《环境》（《ACS Environmental Au》）期刊，其可直接从环境中捕集二氧化碳，能够去除超过99%浓度为400ppm（约为大气中的浓度水平）的二氧化碳，效率至少是现阶段其他直接空气捕集（DAC）系统的两倍。其反应产物以固体形式从溶液中转化出来，避免了产物在液相中积累导致反应速度降低的问题。2023年4月份，巴斯夫及其工程伙伴日挥株式会社共同开发的高压再生二氧化碳捕集技术——HiPACT技术，是日本首个以当地天然气生产蓝氢和蓝氨的示范项目，氢气生产设施预计于2025年投产。2019年，日本CCUS调查公司在北海道苫小牧市附近海底进行了二氧化碳海底封存试验，将北海道一处炼油厂排放的二氧化碳压缩后封存到海底，目前已封存了30万吨二氧化碳。
挪威2021年发布的由挪威工业技术研究院（SINTEF）主持研发的SARC CO2捕集技术采用真空热泵技术，仅需电力无需燃烧，相比目前最经济的碳捕集方法成本降低约12.5％，并且使水泥、化肥等工厂的碳捕集技术改造更加容易。
我国碳捕集技术发展迅速
但仍面临挑战
近年来，我国在碳捕集技术方面发展迅速，形成了碳捕集、利用与封存全流程技术体系，并开展了大量示范应用。截至2024年8月底，中国已投运CCUS项目67个，统计到的碳捕集产能约700万吨二氧化碳/年。2021年，CCUS技术首次被写入中国经济社会发展纲领性文件，且政策重点支持CCUS技术研发与示范，涉及技术标准、投融资方面的政策条款逐渐增多。其中，2024年投产的全国首套万吨级燃煤电厂二氧化碳捕集与炭化利用全流程耦合示范项目（浙江兰溪）每年捕集利用的二氧化碳量相当于1.5万亩森林每年的固碳量。该项目研发出了高效率、低能耗的碳捕集材料，平均碳捕集率高于90%，二氧化碳纯度高达99%。
从技术发展角度来看，一方面，我国拥有多种技术研发和试点项目，如化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等技术均有一定的研究和试点项目，一些技术已经进入到工业示范阶段（如固体吸附），部分技术（膜分离、化学链燃烧和直接空气捕集技术）处于中试阶段；另一方面，在一些大型能源企业和工业领域，我国已经实施了碳捕集工程，例如在石油领域就有利用二氧化碳驱油提高采收率同时实现封存的项目。同时，高校、科研机构和企业对碳捕集技术的研发投入在加大，并开展了一些国际间合作和交流。从政策支持角度来看，国家采取了一系列政策，鼓励发展碳捕集等技术。一些地区和行业的规划中，对CCUS项目的布局和发展有所提及。围绕碳捕集，我国开始形成包括技术研发、装备制造、工程设计、项目运营等环节的产业链。
事物发展如硬币两面，在带来机遇的同时，也伴随着问题与挑战。具体来看，目前我国推动碳捕集技术深入发展面临4个层面的挑战。
一是技术层面。首先，能耗和成本较高，捕集过程需要消耗大量能源，导致整体成本较高，目前仅在少量场景下具备经济可行性。其次，技术成熟度有待提升，多数捕集技术处于中试或工业示范阶段，还不能完全满足大规模、长期稳定运行要求，比如膜分离等技术还需要进一步改进以提升性能。再次，缺乏多污染物协同控制技术，在捕集过程中，对伴生的其他污染物如氮氧化物、硫氧化物等协同处理技术不成熟。最后，长期安全性和可靠性数据缺乏，对于碳捕集系统长期运行下的设备稳定性、材料耐久性等方面缺乏足够长时间验证的数据。
二是经济层面。一方面，投资回报周期长导致社会资本参与积极性不高，仅靠大型国有企业和政府推动难以快速发展；另一方面，成本分担机制不完善，产业链上各环节成本分担不明确，难以形成合理的价格体系。同时，市场机制不健全，碳交易市场尚不完善，碳捕集项目难以从碳交易中获得足够的激励和收益。
三是政策和法规层面。尽管有政策引导，但是对于碳捕集实质性的补贴、税收优惠等激励政策力度和覆盖范围有限。同时，在项目布局、技术规范、安全环保等方面缺乏全国统一的规划和标准体系。对二氧化碳运输、封存等环节的监管法规不健全，存在一定环境风险和安全隐患。
四是社会认知和人才层面。一方面，社会大众对碳捕集的意义、安全性等理解不够，容易导致项目落地时面临社会阻力；另一方面，从研发到工程应用等环节的专业人才储备不足，制约行业快速发展。
碳捕集技术将在中国
迎来前所未有的发展机遇
在全球应对气候变化的大背景下，碳捕集技术作为实现碳中和目标的重要手段之一，在中国正迎来前所未有的发展机遇。未来，中国的碳捕集领域有望在以下几个方面取得显著进展：
一是技术创新与突破。随着科研投入的不断加大，我国预计在碳捕集材料和工艺方面取得创新性成果。其中，新型吸附剂、膜材料和化学溶剂的研发将进一步提高碳捕集的效率和选择性，降低成本；先进的捕集技术，如生物捕集、电化学捕集等有望从实验室走向工业应用，为碳捕集提供更多元化的选择；智能化技术将在碳捕集过程中得到广泛应用，通过大数据分析、人工智能优化等手段，实现捕集过程的精准控制和高效运行。
二是产业规模与协同发展。碳捕集产业链将逐渐完善，形成从材料研发、设备制造到工程设计、运营维护的完整产业体系。同时，大规模的碳捕集项目将不断涌现，推动产业规模迅速扩大。碳捕集将与其他减排技术，如可再生能源、能源存储等深度融合，形成协同减排的综合解决方案。例如，将捕集的二氧化碳用于可再生能源的储存和转化，提高能源利用效率。此外，预计跨行业合作将日益频繁，能源、化工、钢铁等碳排放重点行业将与环保企业、科研机构紧密合作，共同推动碳捕集技术应用和推广。
三是政策支持与市场机制。预计政府继续出台更加完善的政策法规，为碳捕集产业发展提供有力的政策支持和引导，包括财政补贴、税收优惠、碳排放权交易制度的优化等，激励企业积极开展碳捕集项目。同时，随着全国碳排放权交易市场不断成熟，碳捕集所产生的减排量有望在市场上获得更高的价值认可，为企业带来经济效益，进一步促进碳捕集技术的推广应用。
四是国际合作与交流。中国将在碳捕集领域加强国际合作，积极参与国际科研项目和技术交流活动，通过“一带一路”倡议等平台，推动碳捕集技术在沿线国家的应用和推广，共同应对全球气候变化挑战，提升中国在全球气候治理中的影响力。
《中国冶金报》（2024年11月01日 02版二版）
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