二氧化碳移除（CDR）技术发展现状、挑战及建议

: EDF美国环保协会北京代表处作者中国石油大学（北京）：张敏、叶航、吴胜坤、王春凯、包琦、王展鹏、谢岩、吴桐、薛婉珍美国环保协会（EDF）北京代表处：冉泽、李蕴洁 二氧化碳移除（CDR）技术发展现状、挑战及建议 | 执行摘要自第一次工业革命开始以来，全球大气中的二氧化碳（CO2）浓度持续增加，极端天气频发，造成了愈发严峻的气候变化危机。国际能源署（IEA）报告显示，2024年全球排放的CO2约为378亿吨，从1860年到2022年，CO2排放已导致全球升温约1.2℃；作为全球最大的发展中国家，中国CO2排放量约占全球排放总量的30%，且主要集中在电力、钢铁、建筑等难减排行业。为有效减缓全球气候变化并实现中国2030年前“碳达峰”、2060年前“碳中和”目标，除了努力减少对化石燃料的依赖外，二氧化碳移除技术（Carbon Dioxide Removal，CDR）的推广和应用也尤为关键。CDR是不可或缺的兜底技术手段，其在实现“碳中和”目标进程中的关键作用不言而喻。短期来看，CDR可以帮助减少净排放量；中期来看，CDR可以抵消剩余排放，实现CO2净零排放或温室气体净零排放；长期来看，如果移除量超过排放量，CDR还可以帮助实现负排放（图1）。与此同时，IPCC（政府间气候变化专门委员会）认为，CDR是实现CO2净零排放的重要选择，是减少大气中CO2浓度的主要手段，也是航空、航运、钢铁、有色、化工、水泥等难减排行业实现减排的必要方案。同时，需要指明的是，CDR无法替代化石燃料减排等根本性措施，需与其他减排行动协同推进，从而最大化减少温室气体排放、提升碳汇能力及促进可持续发展。本项目对比分析了国内外CDR政策及标准，梳理了中国CDR主要机构和公司；综述了“双碳”目标下中国“工程CDR”技术关键材料及工艺的研究进展，总结了国内外主要运行的生物质能碳捕集与封存(BECCS)和直接空气碳捕集与封存(DACCS)示范项目；并结合经济成本、环境影响、技术成熟度和源汇匹配关系分析了BECCS和DACCS发展面临的挑战，为未来中国CDR发展提出了建议（图2）。1数据来源：IPCC AR6第三工作组报告图1 |CDR在全球或国家减排战略中的角色1Emissions: Non-CO2GHGsCDR: Removals on managed IandEmissions: Managed landEmissions: Fossil CO2CDR: Other removals2010202020302040205020602070208020902100Gross emissionsNet GHG emissions(1) Before net zero(2) Net zero CO2or GHG(3) Net negativeNet CO2emissionsNet zeroGross CO2removalsNet zeroNote: Stylised pathwayshowing multiple functions of CDR in different phases of ambitious mitigation: (1) further reducing netCOz or GHG emissionlevels in near-term; (2) counterbalancing residual emissions to help reach net zeroCOz or GHG emissions in the mid-term; (3) achieve andsustain net-negative COz or GHG emissions inthe long-term. EDF美国环保协会北京代表处1. CDR的定义与分类CDR作为一种负碳技术，是指直接从大气中移除CO2一系列技术、实践和方法，包括人为增强的生物、地球化学或化学，但不包括不是由人类活动直接引起的自然CO2移除。CDR分为两类：一是“基于自然的CDR(Nature-based CDR)”，二是“工程CDR(Engineered CDR)”。“基于自然的CDR”是指依靠生物体（如森林、藻类）或自然现象（如风化矿化）从大气中吸收碳，将碳封存在森林、土壤或沿海栖息地，包括造林/再造林、土壤固碳、增强岩石风化矿化、海洋碳封存和生物炭；“工程CDR”是指基于化工方法从大气中捕集CO2和DACCS（图3）。 并将其持久封存在地下、陆地、海洋或产品中的，并将其分离后用于商业用途或地质封存，多指BECCS 2.国内外CDR技术进展与实践“工程CDR”不仅是未来中国减少CO2手段。目前，造林/再造林、海洋固碳等“基于自然的CDR”是最具成本效益和可扩展性的CDR技术选择，中国已开展了一系列工作。中国是当今世界最大的森林增长贡献国和新增碳汇国。海洋作为全球一个重要的碳汇，每年约封存全球四分之一的人为CO2排放，目前中国的海洋固碳技术研究尚处于起步阶段。此外，相较于美国、加拿大和欧盟，中国CDR技术资助更侧重于生物炭和土壤固碳。然而由于气候变化和人类干预等原因，“基于自然的CDR”的CO2移除的持久性有限，封存稳定性难以确定，且封存能力会随着时间的推移而饱和（表1），因此表1 |CDR技术对比分析2CDR技术封存时长封存潜力（亿吨CO2造林/再造林≤数百年50～100土壤固碳6～93生物碳3～66海洋固碳/30～1000岩石增强风化矿化上万年20～40BECCS5～110DACCS50～4002数据来源：IPCC. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change 二氧化碳移除（CDR）技术发展现状、挑战及建议 | 执行摘要排放的战略选择，而且是构建生态文明和实现可持续发展的重要/年）封存成本（元/吨CO2）技术成熟度影响和潜在风险0～1800早期应用可能抢占土地资源；增加上游碳排放-300～700早期应用单位土地封存量小，难监测800～2500早期应用粉尘排放/基础研究根本性改变海洋生态系统350～1400基础研究粉尘排放、能耗需求导致碳排放增加100～3000示范可能抢占土地资源700～2400示范高能耗、部分工艺需要水 EDF美国环保协会北京代表处需要进一步实施“工程CDR”来实现净零排放目标，“工程CDR”将成为未来中国减少CO2排放的重要战略选择。各国政府正在通过碳定价、碳市场和政策优惠等方式对“工程CDR”的成本进行补贴，且随着科技的进步，封存成本也将进一步降低。中国已将CDR纳入总体战略布局，在第九届创新使命部长级会议(MI9)宣布正式加入“碳移除使命”工作组，积极推动CDR技术的发展。CDR已成为国际公认的应对气候变化的关键技术，国外发达国家或地区已发布了一系列支持CDR发展的政策、标准及基金。美国非常重视CDR的研究和部署，已发布了《能源法案》、“负碳计划”等支持CDR发展的政策。欧盟则已将CDR纳入净零排放政策，并在2024年2月，欧盟就碳移除认证框架达成临时协议，通过了碳移除认证框架修正案。而英国、加拿大、丹麦等国家均制定了CDR研发与示范资助计划，如英国《净零战略：绿色重建》、加拿大“气候行动与意识基金”、丹麦“NECCS基金”。中国尚未出台系统的CDR政策文件，但与CCUS相关政策中或多或少提到了CDR，在《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、《2030年前碳达峰行动方案》、《科技支撑碳达峰碳中和实施方案》等多个政策文件中均提出，要开展低碳零碳负碳技术攻关，推进低碳零碳负碳技术研发应用。特别是在2024年9月，中国已宣布正式加入MI“碳移除使命”等3个工作组，这表明中国正逐渐将CDR纳入总体战略布局。3.“工程CDR”技术聚焦：BECCS与DACCSBECCS作为一种“工程CDR”技术，在国家层面净零承诺的推动下，发展势头大幅增长，中国开展部署多个BECCS项目。BECCS作为一种负碳技术，是指从生物能源设施中捕集CO2并随后进行地质封存的过程，主要包括生物质能的利用与转化和CO2捕集与封存（图4）。基于此，本项目主要综述了“基于生物质高效转化利用”和“基于CO2与生物质协同转化利用”两种BECCS技术的研究现状及存在问题。目前在国家层面的净零承诺的推动下，BECCS的发展势头大幅增长，中国相较于美国、欧盟等国家或地区发展图4 |BECCS基本工艺流程33数据来源：翁小涵等.负碳排放技术研究现状及进展生物质运输CO2生物质燃烧热能电能工业应用交通运输生物质转化捕集①生物质原料通过光合作用从大气中吸收CO2②生物质能利用中排放CO2③捕集CO2并封存 二氧化碳移除（CDR）技术发展现状、挑战及建议 | 执行摘要较慢，但也已开展部署多个BECCS项目。据统计，目前全球共有约18个BECCS项目正在运行，分别位于欧洲、美国、加拿大和日本，主要应用于乙醇生产、发电和废物转化能源（EfW）。中国BECCS研究较晚，主要以生物质发电为主（图5）。全球范围内大部分BECCS项目仍处于示范或试点阶段，仅有个别已进入商业化。近两年来，BECCS发展迅速，项目数量和项目类型正在呈多样化发展。DACCS作为另一种“工程CDR”技术，同BECCS一样，近年来在全球范围内迅速发展，但中国目前仅有一些示范装置，尚无具体落地的DACCS商业化项目。DACCS指利用吸附/吸收剂直接从空气中捕集CO2，并将其长期封存或利用的技术，由DAC和CCS两部分组成。DAC一般由空气捕集模块、吸收剂或吸附剂再生模块2部分组成（图6），从空气中捕集CO2之后通过改变温度、压力或湿度进行再生并解析高纯度CO2。吸收剂/吸附剂是DAC技术的核心，按照种类的不同，可分为液体DAC（碱金属氢氧化物溶液、液态胺、氨基酸盐溶液）和固体DAC（分子筛、固体碱土金属、固态胺、有机金属材料、变湿吸附剂）两类（表2）。由于全球范围内多个国家的净零承诺，近两年DACCS项目部署迅速发展。据统计，目前全球共有28个DAC工厂正在运行，其中大部分由瑞士Climeworks、加拿大Carbon Engineering及美国GlobalThermostat等公司支持、运营。而中国DAC技术研究起步较晚，目前主要处于实验室验证阶段，仅有一些示范装置，尚无落地的商业化DAC项目，国内多家公司和科研机构在DAC领域一直进行理论研究和示范（图7）。IEA报告显示，截止到2022年，全球至少有130个DAC设施计划处于不同的开发阶段，但捕集规模有限，总运行捕集量约为0.01 Mt CO2/年，远远低于2030年DAC工厂总运行捕集量60 Mt CO2/年的预期目标，因此，未来还需要更多、更大规模的DAC工厂投入运行。 4.“工程CDR”技术经济性与风险评估高昂的成本是“工程CDR”应用的最大阻力，建立合理的成本控制和风险分担机制刻不容缓。CDR的成本主要包括经济成本和环境成本，经济成本包括固定成本和运行成本，环境成本包括环境风险与能耗排放。对于“工程CDR”技术，其经济成本决定了该技术大规模商业化应用的可能性。BECCS技术链条长，影响BECCS技术的成本和经济性的因素很多，既要考虑生物质能成本又要考虑CCS成本，且技术种类众多，不同技术间碳捕集与封存应用成本差异较大，成本约为100~3000元/t CO2成本亦要考虑DAC和CCS两个环节，当前使用DAC技术捕集一吨CO2传统的碳捕集成本5。此外，在CCS环节都可能会有泄漏发生，其存在的环境成本也不容忽视。BECCS和DACCS在实施运营过程中可能会造成一系列粮食短缺、水资源破坏等环境问题。据预测，为了将全球变暖限制在1.5℃，可能需要将大约3.8~7亿公顷的土地面积转化为生物燃料作物，这表明到2100年，世界上预计有7%~25%的农业用地和25%~45%的可耕地和永久耕地转化为生物燃料作物，从而严重威胁粮食生产安全，影响粮食供应链，导致粮食价格上涨6。与BECCS相比，DACCS需要更多的热量