碳捕获是对抗碳排放的答案吗?

Xiang Yu, Information Scientist/CAS
trees are an important source of carbon capture and storage

碳捕获和零排放之路

二氧化碳 (CO2) 对地球及地球生物的影响是非常矛盾的。虽然二氧化碳对动物和人类赖以生存的所有地球植物都至关重要,但是,大气中过多的二氧化碳正导致全球变暖,威胁到某些生物的生存。  

由化石燃料燃烧增加导致的 CO2 排放问题,可追溯至某些国家开启工业革命的18世纪。 目前科学家们预计:到 2030-2052 年,全球平均气温预计将上升 1.5oC(图 1)。 工业化、城市化和急剧增加的世界人口加剧了 CO2 排放量的增加(图 2)。

显示全球人口变化和二氧化碳排放趋势的图表
图 1. 随时间而变化的人口数量、与之伴随的二氧化碳排放及预计的全球气温上升趋势

 

2015年《联合国气候变化框架公约》第21次缔约方会议(COP21)确定了一项雄心勃勃的目标,即到2050年实现“零排放”。 要实现在30年内完全消除净碳排放这一重大目标,需要对全球工业加工方法和各国使用的常规能源进行变革。 实现这一目标的更广为人知的方法包括各种可持续发电方式,如风能和太阳能;然而,还有一种宣传较少但同样重要的方法是在源头或直接从大气中捕获 CO2(碳捕获)。 碳捕获相关技术受到高成本和有限的储碳能力的限制,因此目前全球 CO2 排放量中目前只有 0.1% 被封存;预计到 2050 年这一比例将升至19%。 近年来,碳捕获技术的研究有所增加,但迄今为止,只有少数技术得到了商业应用。 随着公众预防或减少气候变化的意识和紧迫性的提高,开发更有效的碳捕获技术势在必行。

1750-2020年间,使用化石燃料和工业生产带来的CO2排放量和世界人口增长趋势(2021年全球碳预算)
图 2. 1750-2020年间,使用化石燃料和工业生产带来的CO2排放量和世界人口增长趋势(2021年全球碳预算)。

 

CAS 内容合集™ 中的碳捕获内容

CAS 内容合集™ 是全球最大的利用科学家人工标引的已发表科学信息内容合集,适用于对全球科学出版物进行定量分析,如:发表时间、研究领域、配方、应用以及化学成分等。 为了评估最近和正在进行的碳捕获研究,在 CAS 新出版的一份重要的洞察报告中,提供了碳捕获研究的最新趋势概述。 在该洞察报告中,对最近的碳捕获研究进行了全面的趋势分析(2000 年至 2021 年间出版的约 18,500 份出版物),详细列举了碳捕获相关的术语,包括所采用的方法、碳储存或碳转化,这些术语通常与大气 CO2 或其环境影响相关的术语结合使用。

主要研究趋势及碳捕获方法

文献分析表明,2008 年之后,所有碳捕获和存储相关出版物的数量都迅速增加,在 2010 年代中期之后有所放缓,但最近又开始增加。 这可能反映了当前的经济状况和碳捕获的紧迫感,但似乎也与油价有关。 当油价较低时,碳捕获显得过于昂贵,因此在二氧化碳封存和储存方面的努力有限。 该分析只检索到了少量(占相关文献总量 10%)碳捕获相关专利,表明该技术的商业利益较低;不过,近来的情况令人鼓舞,专利数量有了急剧增加。
捕捉碳的各种方法可归为四大类:材料科学、生物、化学和地质方法。

材料科学方法

图 3 和表 1 总结了材料科学相关流程,包括烟气碳捕获系统。 其中,燃烧后碳捕集 (Post-combustion Capture) 技术应用最为广泛,适用于现有发电厂烟道改造,但需要消耗大量能源,因此运行成本很高。 新兴方法“直接空气捕获”有望得到广泛应用,此方法直接从空气中捕获 CO2,但由于大气中 CO2 的浓度较低,因此难度更高并且成本高昂。

材料科学方法:CO2 捕获过程的简化示意图
图 3. 材料科学方法:二氧化碳捕获过程的简化示意图

 

表 1. 材料科学方法:CO2 捕获过程比较

工艺 优点 缺点 改造难度
燃烧后 技术较为成熟,成本最低 采用低压气流且 CO2 浓度较低,使得分离效率降低,因此 CO2/N2 分离困难 较低
燃烧前 采用高压气流且 CO2 浓度较高,因此 CO2/H2 分离较为容易 仅适用于气化厂或重整工厂;尚无工业应用,纯氧成本较高 中等
富氧燃烧 CO2/H2O 可轻松分离 纯氧生产成本高昂 较高
化学链燃烧 CO2/H2O 可轻松分离 技术尚不成熟;工艺和设备较为复杂 较高

表 2 总结了烟气碳捕获的主要方法, 包括使用碱性溶液的化学吸收法和使用甲醇或 Selexol 等非腐蚀性溶剂的物理吸收法。 其他方法包括已被较充分地研究了的利用多孔固体吸附剂的吸附法,还包括作为新兴技术的膜过滤法,但是膜过滤法由于CO2 分离效率低,尚未得到广泛应用。

表 2. 材料科学方法:CO2 捕获方法比较

方法 最适合的过程 优点 缺点 成熟度
吸收 燃烧后 技术较为成熟,成本较低,操作简单 使用腐蚀性溶剂,溶剂损耗大,溶剂再生的能源需求较高 中等
吸附 燃烧前 持续运行,环保 CO2 选择性较小,难以通过控制固体/气体接触来最大限度的提高吸附容量,潜在候选吸附剂过多,吸附剂的实际性能难以预测 较低
燃烧后和燃烧前 系统简单灵活,环保,无需再生 CO2 渗透率低,能源消耗量大,膜材料容易受损 极低

生物方法

碳捕获的生物学方法主要是利用光合作用,光合作用贡献了地球上最大的 CO2 吸收。 木材或藻类等各种植物材料被转化为生物燃料(生物质)进行燃烧,创造了碳中和及可持续的方法。 基于酶的技术具有替代生物系统的潜力。 其中一个重要的例子是 1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶 (RubisCO) ,——一种含量丰富并被广泛研究的酶。 然而,RubisCO的CO2 捕获速度较慢,但提升 RubisCO 的活性以创建工业可行工艺的研究工作正在进行。

化学方法

也包括多种化学方法,如涉及氢还原的催化过程,其已在数吨级的规模上有了广泛的应用。 其他广泛使用的方法包括电化学工艺法,这种方法利用质子和催化剂来减少 CO2。 使用清洁能源的光化学、光热和光电化学方法也前景光明,但到目前为止,这些方法受到光电转换效率的限制。 基于等离子体的方法也很有潜力,但能源需求量大,且仍需进一步开发才能用于碳捕获。

地质方法

碳捕获的地质方法是在远离大气层的位置长期储存 CO2 的重要解决方案。 可将捕获的 CO2 进行压缩和运输,然后注入深层多孔地质层或盐碱含水层。 此方法可储存数十亿吨 CO2,但选择合适的地点至关重要。

CAS 碳捕获文献分析

CAS 文献分析显示,2007 年之前有关 CO2 捕获的出版物数量较少,随后在 2010 年代初增速达到峰值,然后趋于稳定(图 4)。 关于燃烧前和富氧燃烧的出版物较少,这很可能是由于在适应当前设施方面存在经济困难,但最近这些出版物的数量有所增加。 相关专利申请在 2012 年有所增加,然后趋于稳定,这表明其商业利益持续存在。

材料科学方法:2001-2021 年期间与 CO2 捕获和分离有关的出版物数量
图 4. 材料科学方法:2001-2021 年期间与二氧化碳捕获和分离有关的出版物数量

 

CAS 分析还表明,在过去六年中,关于各种 CO2 化学转化方法的出版物相较之前迅速增加(图 5)。 其中,甲烷化、等离子体介导工艺和逆水煤气变换方法的相关研究最多。

显示碳捕获化学方法的图表
图 5. 化学方法:2001-2021 年期间 CAS 内容合集中讨论二氧化碳捕获、封存或使用,以及标题、摘要或关键词中包含“光还原”、“电还原”、“甲烷化”、“RWGS”、“光热”和“等离子体”的出版物数量

 

出版物数量表明对 CO2 固定的生物学方法的研究迅速增加,但专利申请数量保持稳定,这表明少数技术已做好商业化准备(图 6)。 然而,关于生物质能结合碳捕获与封存 (BECCS) 的出版物数量表明存在大量相关研究。

与生物 CO2 封存方法相关的出版物数量
图 6. 生物方法:2001-2021 年期间与生物二氧化碳封存方法有关的出版物数量

 

与 CO2 地质封存相关的出版物数量稳步增加,并在 2013 年达到顶峰,但此后有所下降(图 7)。 近年来,通过“含水层”、“盐碱”、“卤水”、“页岩”和“包合物”等术语检索出的出版物要多于其他术语,这表明关于这些类型封存的研究更多。

2001-2021 年期间与 CO2 地质封存有关的出版物数量
图 7. 地质方法:2001-2021 年期间与 CO2 地质封存有关的出版物数量

 

梦想照进现实

CAS 对 18,500 篇出版物进行的文献分析结果表明,有关各种 CO2 封存方法的研究正在迅速增加。 目前还没有一种方法成为主流;得到广泛应用的技术还很少,但分析表明,已针对现有技术的利用和新技术的开发开展了大量研究。 专利申请数量虽然少于文献数量,但仍可看出某些技术具有商业价值。 最近的分析结果可能反映了公众越发认识到全球变暖问题,展开应对行动势在必行。 随着形势越发紧迫,相关研究活动与经济状况和石油价格之间的明显相关性可能会减弱。 根据 CAS 分析得到的出版物发表趋势,在日益严峻的全球变暖问题的推动下,研究和技术部署可能会以惊人的速度展开,这在 2000 年看来像做梦一般。

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