CO2捕集與封存是碳中和的關鍵嗎?
點擊次數(shù)：513次 更新時間：2024/6/5
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歐盟委員會態(tài)度堅定：碳捕集與封存（CCS）將在應對氣候變化的斗爭中發(fā)揮關鍵作用。但是CCS是如何工作的呢?這項技術有多普及?它的道路上有什么障礙?CNRS（法國國家科學研究中心The National Center for Scientific Research）新聞將帶來詳細報道。（本文最初發(fā)表于法國國家科學研究中心期刊《科學研究》第16期（法文））歐盟委員會（European Commission）于2024年2月初發(fā)布了一份報告，為歐洲工業(yè)碳管理制定了廣泛的指導方針，其中的核心信息之一是，如果我們要將全球變暖限制在1.5°C，我們將不得不依賴于CO2的捕集和封存。據(jù)歐盟委員會稱，到2040年，碳捕集與封存（CCS）將是每年從大氣中去除約2.8億噸CO2的關鍵，到2050年，這一數(shù)字將上升至約4.5億噸。這表明，歐盟對這種做法有多么依賴。然而，問題在于，正如幾天后發(fā)表在《自然》雜志上的一篇文章所指出的那樣，歐盟對這項技術的依賴并非沒有危險。這是有充分理由的：CCS的推廣遇到了許多障礙。全球碳項目（一個旨在量化全球溫室氣體排放及其原因的組織）發(fā)布的2023年報告估計，人類活動（工業(yè)、交通、供暖等）造成的CO2排放量每年約為400億噸。CO2是導致全球變暖的主要溫室氣體，據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）稱，氣溫上升超過2攝氏度將導致海平面大幅上升，洪水、風暴和干旱等極端天氣事件更加頻繁。為了在2050年實現(xiàn)碳中和，IPCC重點關注兩個主要解決方案：首先，通過減少能源消耗來減少排放，更有效地利用能源，并逐步用零碳能源（太陽能、風能、核能和潮汐能）取代大多數(shù)化石資源（石油、天然氣等）：其次，從工業(yè)煙氣中去除CO2，甚至直接從空氣中去除。然而，后一種選擇正在努力起步——迄今為止最大的設施每年只能捕集4000噸CO2，與全球年排放量相比，這只是滄海一粟。然而，從煙道氣中直接去除碳，特別是生產(chǎn)各種材料所需的化學反應產(chǎn)生的碳，情況并非如此。例如，水泥廠排放的CO2中有三分之一是由窯內(nèi)燃燒化石燃料產(chǎn)生的，其余三分之二是由水泥的主要原料石灰石的熱分解產(chǎn)生的。這些殘余排放物可以被許多天然碳匯捕集，如海洋、森林或泥炭地，它們通過光合作用的生化過程將CO2以有機物的形式封存起來。然而，這些生態(tài)系統(tǒng)只捕集了今天CO2排放量的一半以上，這已經(jīng)是一個巨大的數(shù)字了。但是，隨著氣候變化的加速，碳匯的效果可能會降低，特別是如果碳匯的表面積由于火災、干旱以及自然和半自然土地被城市和其他人工開發(fā)（稱為“土地占用”）而縮小的話。因此需要人工捕集CO2。“盡管到2050年，天然碳匯將能夠減少80%的殘余排放，但大多數(shù)專家認為，CCS將對剩余的20%至關重要，”參與CCS研究的南西（法國東北部）GeoRessources4實驗室的研究教授Jacques Pironon說。具體來說，CCS旨在直接從煙囪中捕集煙氣中所含的CO2，然后將其封存在地下。在實踐中，“CCS有三個主要階段：CO2的捕集、運輸和封存，所有這些都基于特定的技術”，CO2俱樂部主席Florence Delprat-Jannaud解釋說，該俱樂部促進了與CCS有關的行業(yè)和研究參與者之間的討論和倡議。迄今為止，有三種主要的CO2捕集方法。“最成熟的是燃燒后，其目的是從燃燒產(chǎn)生的煙氣中提取CO2。能源公司IFP énergies Nouvelles的設計工藝工程師Florent Guillou說：“石油和天然氣行業(yè)已經(jīng)使用了一個世紀。在這種方法中，CO2被胺基溶劑吸收，這些化合物可以與氣體結(jié)合。第二種方法是燃燒前捕集，“包括在燃料燃燒之前從燃料中去除CO2。這是通過將可燃物轉(zhuǎn)化為由一氧化碳和其他氣體組成的合成氣，然后注入蒸汽，以便將部分能源轉(zhuǎn)化為CO2，同時產(chǎn)生額外的氫氣來實現(xiàn)的。最后，第三種方法是通過富氧燃燒捕集CO2，這是一種在需要燃燒的工業(yè)過程中使用純氧而不是空氣來燃燒燃料的技術。Florent Guillou解釋說：“這產(chǎn)生的煙道氣幾乎只含有CO2和水蒸氣，這很容易分離。”Florence Delprat-Jannaud補充說，為了運輸捕集的CO2，“氣體被液化以減少其體積，然后通過管道、船舶、火車或卡車運送到封存地點”。接下來是封存階段，“可以在深度超過800米的各種地下結(jié)構(gòu)中進行，例如深層咸水含水層（多孔，滲透性巖石的床，飽和了不適合飲用的鹽水），枯竭的油氣田，以及玄武巖和橄欖巖等火成巖”。對于Jacques Pironon來說，“以前的油田或氣田是最容易實施的選擇，因為CO2可以通過現(xiàn)有的井注入。此外，幾十年來，石油工業(yè)一直在使用提高采收率的方法，即在油藏生命周期結(jié)束時向油藏中注入CO2，以降低碳氫化合物的粘度，從而更容易地回收它們。”然而，F(xiàn)lorence Delprat-Jannaud強調(diào)，“含鹽水層的數(shù)量要多得多，并提供了最大的封存能力”。據(jù)政府間氣候變化專門委員會稱，這些地質(zhì)構(gòu)造可能包含全球1萬億噸CO2，足以封存未來幾個世紀我們排放的所有CO2。至于火成巖，“它們通過將CO2礦化成碳酸鹽提供了長期的封存能力，換句話說，與深鹽水層需要數(shù)十萬年的時間相比，巖石在短短幾年內(nèi)就能迅速凝固和穩(wěn)定”，正在研究這一選擇的科學環(huán)境圖盧茲實驗室的研究教授Pascale Bénézeth指出。事實上，CCS并不是一項新技術。“自20世紀90年代以來，歐洲已經(jīng)支持了大量的試點研究項目，”Jacques Pironon說，他在2010年代初幫助評估了世界上第一個CO2捕集、運輸和封存的綜合產(chǎn)業(yè)鏈，在舊大陸的試驗工廠進行了測試，該工廠由TotalEnergy在法國西南部拉克的工業(yè)基地開發(fā)。“今天，全球共有41個全鏈CCS項目。更好的是，歐洲首個商業(yè)運輸和封存計劃將很快啟動并運行：挪威的北極光計劃從2024年起每年在北海封存150萬噸CO2，從2026年起增加到500萬噸，”Florence Delprat-Jannaud高興地說。然而，她也發(fā)出了警告：“全球每年僅捕集約4500萬噸CO2，而在十年的時間里，為了實現(xiàn)碳中和，需要捕集50到100倍的CO2。”因此，需要大規(guī)模部署CCS。例如，“以法國為例，其目標是到2050年每年封存1500萬至2000萬噸CO2，所需的地點數(shù)量當然取決于設施的容量，但以北極光項目的封存量為例，我們將需要大約10個這種類型的裝置。我們還必須將它們與交通基礎設施結(jié)合起來。”然而，不幸的是，CCS的部署受到許多障礙的阻礙。在2016年發(fā)表的一篇論文中，由澤維爾·阿諾德·德·薩特（Xavier Arnaud de Sartre）領導的一個研究小組，他是法國西南部圣保羅大學（Université de Pau）能源與環(huán)境轉(zhuǎn)型實驗室的研究教授，根據(jù)新聞文章和社會科學研究，通過研究大約10個歐洲儲能項目的具體案例，確定了幾種類型的障礙。一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，CCS的部署受到人口接受度低的阻礙。研究人員指出：“然而，這個因素在延遲部署方面只起了很小的作用。”國民反對的部分原因是，如果過快注入CO2，有可能引發(fā)地震，或有可能發(fā)生CO2泄漏。”然而根據(jù)IPCC的說法，“地質(zhì)封存是可靠的，總泄漏率低于每年0.001%”。根據(jù)Xavier Arnaud de Sartre團隊的說法，CCS困難的另一個來源是它不夠成熟。這位研究人員補充說：“在TRL（技術就緒水平）量表上，它評估一項技術的成熟度，直到它融入一個完整的系統(tǒng)并實現(xiàn)工業(yè)化，地質(zhì)封存的排名在6-7之間（滿分9分）。”就捕集而言，“仍然需要提高現(xiàn)有技術的效率并降低其成本，特別是在能源消耗方面，”皮羅農(nóng)認為。Florence Delprat-Jannaud指出，事實上，目前“使用CCS捕集、運輸和封存每噸CO2的成本在80歐元到150歐元之間，而在歐洲市場上，每噸CO2的排放價值（如果超過授權限值，由工業(yè)運營商支付）約為90歐元”。在封存方面，精確識別潛在儲層將是至關重要的。具體到火成巖選項，“挑戰(zhàn)在于在法國確定一個最初的試驗點。例如，盧旺達和新喀里多尼亞是需要評估的潛在目標。”巴黎地球物理學院（IPGP）地球物理研究所的研究員伊莎貝爾·馬丁內(nèi)斯解釋說。
最后，Xavier Arnaud de Sartre和他的同事們的工作強調(diào)了減緩CCS部署的其他幾個主要障礙：“關于所使用的技術和發(fā)展戰(zhàn)略，各方缺乏共識：缺少一個經(jīng)濟模型來說明誰來支付封存費用：最后，對CCS的政治承諾薄弱。”關于最后一點，該團隊在目前正在發(fā)表的其他研究中得出結(jié)論，“由于法國的去工業(yè)化和核電提供的無碳能源的重大發(fā)展，國家在脫碳方面的投資很少”。然而，正如Florence Delprat-Jannaud指出的那樣，“為了應對氣候變化，我們別無選擇：我們必須大規(guī)模部署CCS。快點!”
來源： CCUS國家地方聯(lián)合工程研究中心