文|經(jīng)緯創(chuàng)投
今年，天氣格外熱。
先是河南、山東遭遇了歷史性高溫，7月華東又開始高溫，上海徐家匯錄得40.9°C的高溫，刷新了1873年以來的最高紀(jì)錄，熱浪席卷了大半個(gè)中國，全國有76個(gè)國家氣象站的最高氣溫突破歷史極值。
不僅僅是中國，全球很多地方都承受了一波史無前例的熱浪。6月的西班牙、英國最高氣溫突破40℃，法國也有70多個(gè)省發(fā)布高溫警報(bào)，葡萄牙的最高氣溫甚至沖到47℃，逼近全歐洲的歷史極值。美國也有超過三分之一的人口生活在高溫下，非洲突尼斯的高溫達(dá)到了48°C，伊朗則高達(dá)52°C。
根據(jù)NASA的數(shù)據(jù)，2022年6月比1880-1920年同期高出1.18℃，全球變暖是高溫?zé)崂耸录l發(fā)的氣候大背景，而全球變暖，離不開人類的過量溫室氣體排放。
把空氣中的碳捕捉下來，一直是碳中和設(shè)想中的重要手段。在冰島，工程師們架起了巨大的風(fēng)扇，它們正從空氣中捕集二氧化碳，再注入幾百米深的玄武巖基巖中。
今天，這是我們碳中和科創(chuàng)匯的第2篇研究文章，我們來關(guān)注碳捕捉、利用與封存（Carbon Capture, Utilization, and Sequestration）。如何從工業(yè)排放或是空氣中吸收碳？這項(xiàng)比爾·蓋茨、馬斯克等科技富豪，以及各國政府、大型石油和天然氣公司都在密切投資的重要技術(shù)，發(fā)展到哪一步了？如果您在CCUS領(lǐng)域科研或創(chuàng)業(yè)，歡迎與我們深度交流。以下，Enjoy：
全球變暖為什么與碳有關(guān)？
碳捕捉停滯的十年
如何把碳捕捉下來？
碳捕捉之后，如何運(yùn)輸和封存？
CCUS依然過于昂貴嗎？
1、全球變暖為什么與碳有關(guān)？
天氣系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。2021年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，第一次頒給了氣象學(xué)家，日裔美國人真鍋淑郎及其同事建立的“輻射—對流模式”，清晰地回答了一個(gè)問題——如何從物理上詮釋二氧化碳（CO2）對全球氣候變暖的作用，并準(zhǔn)確預(yù)測其影響。
諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在頒獎(jiǎng)詞中寫道：
“我們不能再說我們不知道，因?yàn)闅夂蚰Ｊ绞敲鞔_的?！?/p>
“地球在升溫嗎？是的。”
“是因?yàn)榇髿庵袦厥覛怏w含量的增加嗎？是的?！?/p>
“可以僅僅用自然因素來解釋嗎？不能?！?/p>
“人類活動(dòng)的排放物是溫度升高的原因嗎？是的?！?/p>
而全球變暖會(huì)導(dǎo)致冰川融化、海平面上升、小島國被淹沒、極端天氣事件增加、旱澇格局變化……
也有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，這是發(fā)達(dá)國家為了限制其他國家發(fā)展的計(jì)謀，因?yàn)樘寂欧艡?quán)就是發(fā)展權(quán)，而發(fā)達(dá)國家已經(jīng)消耗了大量化石能源完成了工業(yè)化，想通過環(huán)保議題來限制發(fā)展中國家消耗化石能源工業(yè)化。
不過無論政治觀點(diǎn)如何，從大氣觀測結(jié)果來看，自2012年以后，全球平均氣溫急劇升高。據(jù)IPCC數(shù)據(jù)顯示，2016-2020 年這五年，是自1850年有儀器觀測記錄以來最熱的5年。2019年的二氧化碳濃度高于200萬年來的任何時(shí)候，甲烷和一氧化二氮的濃度也達(dá)到了80萬年來的最高水平。
科學(xué)界是如何確定全球變暖與溫室氣體有關(guān)？
模擬和預(yù)估氣候變化，需要一個(gè)可靠的數(shù)值模式。在2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主真鍋淑郎，建立現(xiàn)代意義上的氣候模型之前，關(guān)于全球變暖的認(rèn)知已經(jīng)歷了100多年的歷程，主要里程碑包括：
全球變暖科學(xué)歷史上的重要階段性工作；數(shù)據(jù)來源：中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
如果從化學(xué)角度理解為什么是溫室氣體？主要是因?yàn)镃O2、N2O、O3等溫室氣體，它們都是三原子分子結(jié)構(gòu)，能夠吸收紅外輻射，而雙原子分子例如N2、O2等，不吸收紅外輻射。
第一個(gè)真正現(xiàn)代意義上的氣候模式，是由真鍋淑郎與其同事建立的輻射—對流模式，它全面解決了輻射傳輸?shù)母鱾€(gè)問題，并與對流調(diào)整相結(jié)合，建立了一個(gè)可靠地計(jì)算CO2增加導(dǎo)致全球變暖的數(shù)值模式，它是今天我們理解全球變暖的基礎(chǔ)。
基于該模型，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2濃度每增加一倍，全球平均溫度將會(huì)升高約2.3℃。
在三種排放情景下，相對于各自1890-1900年基準(zhǔn)氣候，16個(gè)模式及其集合平均結(jié)果中，全球年均地表氣溫變化；數(shù)據(jù)來源：中國科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨-南森國際研究中心，《2℃全球變暖背景下中國未來氣候變化預(yù)估》
2015年《巴黎協(xié)定》明確提出到本世紀(jì)末，應(yīng)把全球平均升溫控制在比工業(yè)化前水平高出2℃之內(nèi)，并努力限制在1.5℃。因?yàn)榕c升溫2℃相比，1.5℃能夠降低許多不可逆轉(zhuǎn)的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)。
也許有朋友會(huì)問，地球上植物的光合作用，不就是吸入二氧化碳釋放氧氣，那多種樹不就可以了？的確森林碳匯是一部分助力，但植物雖然能固碳，卻時(shí)效性慢，就需要非常龐大的森林面積，難以在短時(shí)間內(nèi)遏制強(qiáng)勁的二氧化碳增加趨勢。
通過工程干預(yù)進(jìn)行碳捕捉，這一思路便應(yīng)運(yùn)而生。但是直到今天，捕捉的CO2還不到全球排放量的0.5%，暫時(shí)是一個(gè)停滯不前的故事。
2、碳捕捉停滯的十年
捕獲CO2并非新鮮事。
早在20世紀(jì)70年代，天然氣加工業(yè)就一直在捕獲和利用CO2。在加工或出售液化天然氣（LNG）之前，必須從中去除任何CO2。而大部分捕獲的CO2，會(huì)出售給石油生產(chǎn)商，用于提高石油采收率，即把CO2注入成熟的低產(chǎn)油井以提高產(chǎn)量。
第一個(gè)商業(yè)CO2捕獲設(shè)施建立在1938年，第一個(gè)大規(guī)模的CO2注入油井是在1971年，第一個(gè)用于氣候變化的碳捕捉項(xiàng)目是在1996年。
但CCUS過去的十年，卻可以說是“失去的十年”。從結(jié)果來看，國際能源署在2009年的CCUS路線圖中，設(shè)定了到2020年要開發(fā)100個(gè)大型碳捕捉項(xiàng)目的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)每年儲(chǔ)存約3億噸CO2。但到了2020年，實(shí)際產(chǎn)能僅占目標(biāo)的13%。
雖然最近1-2年，碳捕捉的勢頭有所增長，但相比于其他新能源類別，例如風(fēng)電、光伏，CCUS并沒有在技術(shù)、成本、應(yīng)用范圍和部署規(guī)模方面取得有意義的進(jìn)展。而其他清潔能源在政策和資本的支持下，已經(jīng)降低了成本并獲得了規(guī)模效應(yīng)。
很多預(yù)測都認(rèn)為，雖然在凈零排放的版圖中，光伏、風(fēng)電等清潔能源占據(jù)核心，但CCUS并不能被忽視。按照巴克萊銀行對于全球碳中和路線2050年的測算：綠色能源貢獻(xiàn)58%；節(jié)能減排貢獻(xiàn)25%；CCUS貢獻(xiàn)17%。而國際能源署IEA則預(yù)測，到2050年有9%來源于CCUS。
CCUS可以說是碳中和的最后一道防線，也是石化企業(yè)（石油、石化、煤炭）和高度依賴化石能源的高碳排企業(yè)（火電、鋼鐵、建筑）企業(yè)唯一實(shí)現(xiàn)碳中和的方式。
對于中國來說，碳捕捉甚至更為重要。由于中國目前的電力結(jié)構(gòu)還高度依賴火電，截止6月中旬，火電發(fā)電量高達(dá)23751億千瓦時(shí)，而風(fēng)電、光伏、水電和核電分別是3566、1800、5954、1813億千瓦時(shí)，要替代火電還需時(shí)日。
同時(shí)，光伏、風(fēng)電等新能源，普遍受環(huán)境因素影響很大，導(dǎo)致發(fā)電時(shí)間十分受限，比如陰雨天光伏怎么辦，沒風(fēng)了風(fēng)電怎么辦……光伏需要在日照充足的平原或沙漠，風(fēng)電必須在強(qiáng)風(fēng)的地域，儲(chǔ)電和傳輸也都是新問題。而新能源電力不穩(wěn)定的問題，也給電網(wǎng)產(chǎn)生了很大壓力，需要其他能源來調(diào)峰。
所以火電很難在短期內(nèi)被完全取代，并且中國的火電站普遍比較年輕，離退役日期尚且遙遠(yuǎn)。在這樣的情況下，CCUS很明顯會(huì)成為碳中和的重要助力。
保守估計(jì)，全球有17%（國內(nèi)30%）的碳排放，最終需要通過CCUS來解決，這對應(yīng)著60億噸的碳排放（國內(nèi)18億噸）。如果按照保守的160元/噸（25美元）的碳價(jià)計(jì)算，碳市場市場空間9600億（國內(nèi)5100億）。
CCUS產(chǎn)業(yè)鏈分為三塊：
上游——在排放源頭捕獲二氧化碳；
中游——壓縮、脫水，將二氧化碳從捕獲點(diǎn)運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)存/利用點(diǎn)；
封存——二氧化碳被封存在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中（例如廢棄油井或鹽堿地）或被利用，前者需要持續(xù)監(jiān)測以確保封存的永久性。
當(dāng)然，CCUS賽道由于成本高昂和缺乏商業(yè)模式，很明顯需要政策支持、技術(shù)進(jìn)步、成本降低，和更多投資。
CCUS價(jià)值鏈；數(shù)據(jù)來源：BNEF，IEA，Global CCS Institute，HSBC
3、如何把碳捕捉下來？
當(dāng)風(fēng)攪動(dòng)著從地?zé)岚l(fā)電廠飄出的蒸汽云時(shí)，四個(gè)集裝箱般的風(fēng)扇機(jī)組發(fā)出了輕柔的嗡嗡聲。
每個(gè)“集裝箱”都有12個(gè)大圓形風(fēng)扇，它們由地?zé)岚l(fā)電廠提供的清潔能源驅(qū)動(dòng)，將空氣吸入鋼制的收集箱，空氣中的CO2會(huì)和一種像沙子的過濾物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，被封存進(jìn)去；而當(dāng)這種物質(zhì)受熱時(shí)，就會(huì)再把CO2釋放出來。這些CO2會(huì)被運(yùn)輸?shù)奖鶏u公司Carbfix的工廠里，用于生產(chǎn)氣泡水。
這種方式叫直接空氣捕捉（DAC）。看起來是最夢幻的一種方式，但也被很多人認(rèn)為是最不可能落地的方式，因?yàn)樗某杀具^于高昂。
CO2濃度一直是CCUS捕捉成本的重要一環(huán)，濃度越高捕捉成本越低。空氣中的CO2濃度只有萬分之四，也僅是發(fā)電煙氣的1%。
所以，直接空氣捕捉幾乎是最不經(jīng)濟(jì)的一種形式，技術(shù)也更復(fù)雜。DAC的好處只是可以靈活選擇建廠地點(diǎn)，以避免運(yùn)輸成本。
例如上文提到的Orca公司的DAC設(shè)備，是全球第一個(gè)商用設(shè)備，它每年可以吸取4000公噸的CO2，已經(jīng)有8000人在網(wǎng)上購買了這些減碳額度，還有包括奧迪和微軟等公司也為之付費(fèi)。
但DAC本身也需要不小的能源，因?yàn)樾枰?qū)動(dòng)吸入空氣的風(fēng)扇，只有當(dāng)這些能源來自于便宜的清潔能源，才能實(shí)現(xiàn)捕捉本身的零碳排。并且其捕捉成本高達(dá)每公噸600-800美元，而每年4000公噸的捕捉量，只相當(dāng)于人類CO2排放量的三秒鐘。很明顯除非有技術(shù)革命，否則DAC很難成為主流。
直接空氣捕捉（DAC）設(shè)備運(yùn)行案例圖；數(shù)據(jù)來源：World Resources Institute
碳捕捉公司Climeworks的直接空氣捕捉設(shè)備
目前碳捕捉的主要方法，還是直接針對排放源頭，很多排氣管的CO2濃度可以達(dá)到10%以上。
根據(jù)二氧化碳濃度、氣流壓力與燃料類型（固體/液體）等因素，主要有燃燒前捕捉、燃燒后捕捉以及富氧燃燒捕捉三大技術(shù)路徑。
目前應(yīng)用最多的是燃燒后捕捉，就是在燃燒室后面再接一段吸收分離裝置，用一些物理或是化學(xué)方法，把CO2吸附住。
其中化學(xué)方法是現(xiàn)在應(yīng)用最多的。由于CO2溶于水后是一種酸性溶液，那么如果把CO2通入一種低溫高壓的堿性溶液里，今天常用的是有機(jī)胺，然后再把含有CO2的液體送到一個(gè)高溫低壓的逆反應(yīng)室，就可以把吸收來的CO2再釋放出來。提純干燥后，就可以把CO2壓縮到原來體積的百分之一，成為了一罐罐的高壓CO2，完成了碳捕捉。
當(dāng)然，除了有機(jī)胺法，化學(xué)法中還有氨吸收法、熱鉀堿法、離子液體吸收法等。目前還是有機(jī)胺法最成熟，它的吸收量大、分離效率高、經(jīng)濟(jì)性好，但也存在醇胺在吸收過程中能耗高（易揮發(fā)）、吸收到氣流中的水需要額外的干燥步驟、裝置易腐蝕等問題。
燃燒后捕捉的裝置，可以捕捉排放氣體中90%的二氧化碳，并且不需要對原有工廠做太大的改造，只要在排放后端加上相應(yīng)的脫碳設(shè)備就可以了。
但由于碳捕捉本身也需要能耗，所以通過改進(jìn)技術(shù)和工藝來提升效率，是必經(jīng)之路。
一方面是改進(jìn)化學(xué)吸附的配方。已經(jīng)上市的挪威碳捕捉公司Aker，核心壁壘就是有機(jī)胺溶液的專利，它具有更高的CO2吸收性能，并且不會(huì)像市場上的其他胺一樣出現(xiàn)降解現(xiàn)象。
碳捕捉公司Aker按照排放量與場景所提供的三大產(chǎn)品；數(shù)據(jù)來源：Aker
降解是一種常見的問題，因?yàn)閺U氣中除了CO2，肯定還有氧氣，而氧氣在捕捉室的高溫環(huán)境下，會(huì)和堿性溶液發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致降解。于是需要在溶液中加入還原劑，把滲入的氧氣解決掉。
另一方面是工程上的改進(jìn)。如何創(chuàng)造出更大的氣體和液體的接觸面積，但又不占用過大的用地面積，比如設(shè)計(jì)成蜂窩狀或是讓捕捉室高速旋轉(zhuǎn)等等，都是工程師需要思考的地方。
從公司經(jīng)營角度來說，燃燒后捕捉+化學(xué)法，是離商業(yè)化最近的路徑。Aker的特殊專利有機(jī)胺溶劑，可應(yīng)用于各種排放來源，包括火力發(fā)電（燃?xì)饣蛎禾浚?、水泥、煉油廠、垃圾焚燒、氫氣生產(chǎn)等等。
Aker也占了一個(gè)巧妙的價(jià)值鏈位置，通過工程、采購和施工，來覆蓋整個(gè)捕捉環(huán)節(jié)，并沒有涉及運(yùn)輸和封存。對于能源巨頭來說，碳捕捉市場太小，交給服務(wù)商來做更好。Aker典型的EPC利潤率在4-6%之間。
在針對大型排放源的Big Catch方案外，Aker還提供了一個(gè)低成本解決小規(guī)模排放的產(chǎn)品，這是一個(gè)關(guān)鍵的差異化因素。這個(gè)Just Catch產(chǎn)品，非常標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，可以通過普通尺寸的卡車運(yùn)輸，這個(gè)市場還幾乎是空白的。
除了化學(xué)法，還有物理吸收、生物吸收、膜處理等技術(shù)路線，但很多目前還不成熟，處于研究進(jìn)程中。
例如物理吸附法，是指在一定條件下，利用水、甲醇、碳酸丙烯酯等溶液或沸石，分子篩等材料作為吸附劑，對煙氣中的CO2進(jìn)行選擇性吸附，然后通過改變溫度、壓力條件，對吸附劑進(jìn)行CO2解吸，以達(dá)到分離目的，這里面固體吸附劑的新材料就非常重要。
對于膜分離法，則是利用不同氣體組分，對膜的滲透率差異，來實(shí)現(xiàn)氣體分離。當(dāng)膜兩側(cè)存在壓力差時(shí)，氣體將自動(dòng)由高氣壓滲透入低氣壓方向，但是每種組分透過膜的滲透率不同，滲透率高的組分通過效率更高，而滲透率低的氣體則富集于薄膜進(jìn)氣側(cè)。這種方法簡單便捷，但我們尚未找到足夠精度和低成本的篩選薄膜。
而一些更前沿的捕捉技術(shù)，例如電化學(xué)法、化學(xué)鏈燃燒法、化學(xué)固定法、金屬骨架法、固體胺法等等，也在實(shí)驗(yàn)室中不斷探索。
以上都是最成熟的燃燒后捕捉，對于燃燒前捕捉和富氧燃燒捕捉，當(dāng)下大規(guī)模普及還較為困難。
燃燒前捕捉主要是針對煤電，在煤炭燃燒前就把CO2去除掉，這個(gè)過程類似于生產(chǎn)煤氣，在高溫水蒸氣的作用下，化石燃料會(huì)氣化，生成二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氫氣、氮?dú)?，其中氫氣、甲烷和一氧化碳是之后燃燒的主要成分，而首先分離出的二氧化碳就可以通過液體溶液捕捉的方式收集起來。
這種技術(shù)的難點(diǎn)在于，由于做了預(yù)處理，之后的燃燒環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)煤電廠就完全不一樣了，幾乎需要工廠重建，所以它只能用在新建廠房中。
對于富氧燃燒捕捉，它與燃燒前捕捉有點(diǎn)類似，燃燒前捕捉是對燃料做預(yù)處理，而富氧燃燒捕捉是對燃燒時(shí)的空氣做預(yù)處理。平日是在空氣中燃燒，但現(xiàn)在是在含氧量95%的濃度下燃燒，所最終產(chǎn)生的CO2純度也就非常高，同時(shí)燃燒效率也很高。
這項(xiàng)技術(shù)不太現(xiàn)實(shí)的地方在于，一方面生成高純度氧氣環(huán)境也不是那么經(jīng)濟(jì)，另一方面高純度氧氣燃燒所產(chǎn)生的溫度非常高，原來的生產(chǎn)設(shè)備也不能再用了，也相當(dāng)于工廠重建。
總結(jié)來說，在三種實(shí)現(xiàn)方式中，離商業(yè)化最近的是燃燒后捕捉，主要是三個(gè)過程：（1）將CO2與其他氣體分離；（2）從CO2中去除H2O（脫水）；（3）將CO2壓縮到超臨界階段。
迄今為止，全球碳捕捉最多的是涉及天然氣加工的應(yīng)用（提純天然氣以供銷售），目前70%的捕捉量用于此目的。
據(jù)DNV估計(jì)，歐洲有大約1000個(gè)大型工業(yè)場所，如水泥廠、鋼鐵生產(chǎn)設(shè)施、化石發(fā)電和廢物轉(zhuǎn)化為能源的工廠，可以進(jìn)行較為經(jīng)濟(jì)的碳捕捉。而在全世界范圍內(nèi)，有至少6000個(gè)這樣的大型工廠適合進(jìn)行，占全球CO2排放量的60%。
4、碳捕捉之后，如何運(yùn)輸和封存？
把CO2捕捉下來之后，需要把他們運(yùn)輸?shù)教囟ǖ攸c(diǎn)永久性封存。
對于封存來說，可不是存在鐵罐中那么簡單，而是要把捕捉到的CO2成百上千年的永久性封存。人造的倉儲(chǔ)設(shè)備，一般設(shè)計(jì)年限都在50年，很少會(huì)超過100年。不能讓CO2再泄露回大氣層中，并且密集泄露會(huì)更加危險(xiǎn)。
所以封存地點(diǎn)一般會(huì)選擇地質(zhì)構(gòu)造，通常是枯竭的油田和鹽堿地層。因?yàn)檫@些地方首先有足夠大的流體容量，其次有合適的地質(zhì)特征，比如有良好的孔隙度和滲透性，以容納CO2的注入。
CO2在全球各種地質(zhì)構(gòu)造中的封存案例；數(shù)據(jù)來源：Global CCS Institute，Morgan Stanley
長期封存地點(diǎn)有很多，像鹽堿地在世界各地都很常見。根據(jù)CCS的研究，理論上有幾萬億噸CO2的封存容量。同時(shí)，油氣田也至少有幾千億噸CO2的封存容量，而封存在枯竭的油氣田比鹽堿地更為容易也更便宜。加起來，這就相當(dāng)于全球幾十年甚至幾百年排放量的封存容量。
可用于封存CO2的潛在油氣田規(guī)模（單位：m tonnes CO2）；數(shù)據(jù)來源：Global CCS Institute，Morgan Stanley
由于封存總存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，一個(gè)更前沿的技術(shù)方向是，直接讓CO2與巖石發(fā)生反應(yīng)。碳捕捉公司Carbfix，發(fā)現(xiàn)二氧化碳混合物如果與玄武巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以在短短兩三年內(nèi)變成巖石，而不是普遍認(rèn)為的礦化過程所需要幾個(gè)世紀(jì)。
Carbfix與Climeworks合作，把后者直接空氣捕捉而來的CO2，通過鋼制冰屋保護(hù)的井直接注入地下，一旦碳變成巖石就永久不會(huì)離開，避免了注入枯竭油氣田的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
無論如何封存，都需要考慮運(yùn)輸——如何把CO2大量、便宜地運(yùn)輸?shù)椒獯娴攸c(diǎn)？這關(guān)乎CCUS的總成本。
與碳捕捉相同，CO2的運(yùn)輸也已經(jīng)有30多年的歷史，主要是通過管道運(yùn)輸。短距離和小批量時(shí)，也可以通過卡車或鐵路運(yùn)輸。
更重要的是，運(yùn)輸CO2和運(yùn)輸液化石油氣（LPG）或液化天然氣非常類似，而這已經(jīng)是成熟技術(shù)。哪怕需要將CO2從歐洲和亞洲，運(yùn)到美國或澳大利亞進(jìn)行封存，航運(yùn)也已經(jīng)準(zhǔn)備好了。
學(xué)界一向認(rèn)為，超臨界的管道運(yùn)輸，會(huì)成為未來陸地運(yùn)輸方式的主流，因?yàn)楣艿肋\(yùn)量大，運(yùn)維成本低。在中石化石油工程設(shè)計(jì)公司等研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的《二氧化碳長輸管道經(jīng)濟(jì)性分析》中，也預(yù)測管道會(huì)成為主流方式。
目前CO2管道運(yùn)輸方式主要有四種，即氣態(tài)、液態(tài)、超臨界、密相CO2管道運(yùn)輸。由于CO2只有處于超臨界/密相狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)才比較穩(wěn)定，而且擁有氣體低黏度、液體高密度的特點(diǎn)，更加利于輸送。所以當(dāng)運(yùn)輸量和輸送長度增加時(shí)，超臨界輸送優(yōu)勢最為明顯。
未來還有一種可能性，是四種運(yùn)輸方式結(jié)合使用。例如先利用集輸管線把各地捕捉到的CO2運(yùn)輸?shù)教幚韽S，再用管道干線將高壓純CO2運(yùn)輸?shù)紼OR礦區(qū)附近，再用汽車或小口徑管線把CO2氣體送到各個(gè)注CO2井場，實(shí)現(xiàn)最佳成本優(yōu)化。
美國2020年的CO2運(yùn)輸管道現(xiàn)狀，與2046-2050年干支線規(guī)劃；數(shù)據(jù)來源：Princeton University2020 Net Zero Report，Morgan Stanley
當(dāng)我們分析完碳捕捉、運(yùn)輸與封存，可以看出這是一項(xiàng)高能耗（碳捕捉需要不小的電力）、高成本（很多設(shè)備、用地需要大量資金）、高不確定性（與氣候變化政策緊密相關(guān)）的賽道。
下面我們來詳細(xì)分析一下CCUS的各項(xiàng)成本，以及看看目前全球有哪些重點(diǎn)項(xiàng)目正在運(yùn)作。
5、CCUS依然過于昂貴嗎？
碳捕捉一直是成本最大的環(huán)節(jié)，占到總成本的70-90%。GaffneyCline估計(jì)，CCUS的成本分解如下——捕捉需要20-100美元/噸，運(yùn)輸5-25美元/噸，封存3-15美元/噸。
美國國家石油委員會(huì)曾經(jīng)進(jìn)行了一項(xiàng)研究，在統(tǒng)計(jì)了全國最大的850個(gè)固定排放源之后，分析出了碳捕捉的成本影響因素，包括了：
碳排放源的工廠設(shè)備類型
碳捕捉設(shè)備安裝在新建還是改造的場地上
排放氣體的CO2濃度
是否需要建造新的基礎(chǔ)設(shè)施，來運(yùn)輸CO2到封存地點(diǎn)
周邊是否有CO2的其他經(jīng)濟(jì)用途
項(xiàng)目成本是否可以用政策補(bǔ)助來抵消
在比較容易捕捉的工業(yè)場景中，比如氣體處理、化學(xué)品、氨等等，捕捉成本可以在每噸CO2 20-40美元的范圍內(nèi)解決，而低濃度來源（比如鋼鐵、水泥、發(fā)電）的捕捉成本，往往會(huì)超過每噸CO2 60美元，在特殊情況下甚至?xí)^100美元。
對于運(yùn)輸來說，陸上運(yùn)輸和封存普遍比海上便宜，封存在枯竭的油氣田最為便宜，如果有遺留的基礎(chǔ)設(shè)施可以被重新利用，則更可以降低成本。國際能源署估計(jì)，陸上管道運(yùn)輸?shù)某杀驹诿繃岰O2 2-14美元的范圍內(nèi)，美國大約一半的封存地點(diǎn)成本低于10美元。在某些低產(chǎn)量的油井中，封存CO2可能還會(huì)導(dǎo)致石油產(chǎn)量提高。
在挪威北極光項(xiàng)目中，挪威國家石油公司Equinor、殼牌和道達(dá)爾能源合作，希望將CO2注入和封存在北海海床下2600米處。項(xiàng)目一期計(jì)劃于2024年年中完成，屆時(shí)將可實(shí)現(xiàn)每年永久封存150萬噸二氧化碳，項(xiàng)目二期儲(chǔ)存能力將擴(kuò)展至每年500萬噸以上。
挪威北極光-長船項(xiàng)目各環(huán)節(jié)圖解；數(shù)據(jù)來源：Equinor，J.P.Morgan
北極光項(xiàng)目提供了一個(gè)構(gòu)想，即建立一個(gè)未來的CO2處理網(wǎng)絡(luò)，可以讓北海周圍幾個(gè)國家建立管道和海運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施，然后集中封存。當(dāng)覆蓋了多個(gè)工業(yè)集群后，他們可以共享運(yùn)輸和封存基礎(chǔ)設(shè)施的成本和運(yùn)營費(fèi)用。
美國石油和天然氣運(yùn)營商Denbury，正在墨西哥灣沿岸及周邊地區(qū)建設(shè)一個(gè)CO2管道網(wǎng)絡(luò)，連接了多個(gè)工業(yè)排放源和一系列油田，CO2可被用于提升石油產(chǎn)量。320英里的CO2運(yùn)輸管道，橫跨密西西比州、路易斯安那州和德克薩斯州，每年可輸送1600萬噸二氧化碳。
DEN丹伯里資源公司二氧化碳海灣沿岸管道地圖；數(shù)據(jù)來源：J.P.Morgan
CCUS的成本下降空間仍然很大，來自于未來的技術(shù)迭代與規(guī)模效應(yīng)。若想讓CCUS發(fā)揮功效，需要建立一個(gè)正向循環(huán)、各方受益的市場環(huán)境，和一系列配套政策，比如碳交易所、碳指標(biāo)與獎(jiǎng)懲機(jī)制等等。在這些方面，前路還很長。
如果按照2060碳中和的時(shí)間進(jìn)度，在2030年會(huì)迎來CCUS的商業(yè)化拐點(diǎn)，那么現(xiàn)在就要開始基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)國際能源署IEA預(yù)計(jì)，全球每年應(yīng)用于CCUS基礎(chǔ)設(shè)施的投資，未來十年要翻40倍，在2030年達(dá)到400億美元規(guī)模。
基于碳中和政策目標(biāo)，以及相關(guān)技術(shù)研發(fā)需要較長時(shí)間，如今是嚴(yán)重的技術(shù)方案供不應(yīng)求的局面。少數(shù)有成熟技術(shù)積累的公司，將擁有4-5年的紅利期。同時(shí)由于全球都缺乏成熟的解決方案，賣方市場屬性強(qiáng)烈。
由于碳捕捉涉及底層物理和化學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)又需要工程化的擴(kuò)產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，我們很看好兩者兼?zhèn)涞膭?chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)。如果您在這一領(lǐng)域科研或創(chuàng)業(yè)，歡迎與我們深度交流。
References:
1. HSBC：Spotlight Carbon Capture Sequestration：Back in the debate, but no silver bullet
2. HSBC：Aker Carbon Capture (ACCME NO) -Downgrade to Hold：Trailblazing in the price
3. Morgan Stanley：Carbon Capture-A Hidden Opportunity？
4. J.P.Morgan：Energy Transition North American Carbon Capture (CCUS) Primer
5. Credit Suisse：Abundant Activity Accelerating; Conveying the Carbon Capture and Storage Context
6. 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀：從溫室效應(yīng)到地球系統(tǒng)科學(xué)
7. 中國科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心：2°C全球變暖背景下中國未來氣候變化預(yù)估
8. 國家能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院：全球碳捕捉與封存（CCS）技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
9. New York Times：Is Carbon Capture Here？
10. 中金公司：碳中和系列一：碳捕捉與封存，千億市場啟航
11. 《碳中和產(chǎn)業(yè)中的碳捕捉技術(shù)》