二氧化碳再生——从负担到构建模块

摘要2 罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到构建模块本研究概述了CO的作用2在实现净零系统方面。它概述了碳捕获技术、应用、相关问题以及市场发展建议。这份白皮书由 Pure Carbon Blue 发起，Pure Carbon Blue是一家成立于 2021 年的荷兰碳捕获公司，并与 Roland Berger 专家共同开发。4.然而，在直接捕获需求与项目计划之间，估计存在高达8.9 Gt/年的缺口。为了弥补这一差距，企业应在其战略中考虑直接捕获技术。随着自愿碳市场的兴起，需要政府法规来加速我们实现净零排放（NZE）目标的能力2.实现净零排放有四种主要途径：（1）在化石排放源进行捕集，（2）BECCS，（3）从空气和水中直接捕集，（4）基于自然的解决方案。根据捕获的碳是被利用还是储存，这些途径会导致减排、碳中和利用或负排放管理摘要这份白皮书旨在激发商业领袖、研究人员和政策制定者之间关于当今世界能够构建的解决方案的互动。1.CO2是导致全球变暖和海洋酸化的主要温室气体。由于我们可能会超出碳预算，因此2050年前后负排放时期至关重要3.到2100年，需要2.6-11.2 Gt/年的直接捕获来满足利用需求并实现约14 Gt/年的足够负排放。CO2正逐渐成为一种工业原料，但产量预测显示范围很广。负排放目标估计分别为2030年的~0.9 Gt/年和2050年的~5.8 Gt/年 23201520202025203020353 罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到构建模块来源：气候行动追踪器，国际能源署，政府间气候变化专门委员会全球温室气体排放差距 [Gt CO2e]1吉吨/年意味着1吉吨CO2/年已宣布的承诺净零路径排放差距16-19 Gt COe在2030CO2是导致全球变暖和海洋酸化的主要温室气体全球面临着一个重大挑战：根据《巴黎协定》削减温室气体排放以将全球变暖限制在1.5°C并减缓海洋酸化。国际能源署（IEA）坚持其净零排放（NZE）情景是唯一符合此目标的途径，并要求到2050年实现完全NZE状态。基于IEA情景的NZE情景CO2排放下降。气候行动追踪器数据用作历史温室气体排放的来源；2以2℃（>67%）限温或是在高峰值后回到1.5℃（>50%）的建模路径。直至2030年的国家自主贡献目标；3基于气候行动追踪器分析截至2022年11月排放差距；4温度上升所示反映气候行动追踪分析截至2022年11月由于我们可能会超出碳预算，因此2050年前后负排放时期至关重要我们不太可能快速地减少排放；事实上，我们可能会超出我们的总碳预算。因此，我们必须实施一个负排放时期，在这个时期里，更多的CO2从大气中移除的比添加到其中的多。这需要在 2050 年之前开发和扩大负排放技术，并在 2050 年至 2100 年间大幅提高负排放能力。IPCC 的预测将其放在约 6 Gt/年及高达~14 Gt/年的2100年。为达成1.5摄氏度目标，全球年温室气体排放需减少16-19吉吨二氧e到2030年，19-27 Gt CO2到 2050 年，与 IPCC 的排放预测相比，e 将减少。A 2040与温室气体排放保持一致由ipcc预测19-27 Gt CO 2220452050保暖潜力在2100年排放差距e在2050年1到2050年，以 555045403530252015105020101化碳2 4 罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到构建模块实现净零排放有四条主要途径：除捕获CO外2在化石燃料使用的设施中，也可以在生物质燃料（所谓生物燃料）使用的设施中安装点源捕集。BECCS技术的成本在15至400美元/吨CO之间。2(IPCC, 2022)。目前，CO的年捕获能力为2从生物来源的排放量约为每年2百万吨3其中超过90%是在生物乙醇装置中捕获的。根据目前正在开发的项目，到2030年产能可能达到~40 Mt/年（IEA，2022）。2（1）在化石排放源头捕获，（2）BECCS，（3）从空气和水中直接捕获，（4）基于自然的解决方案2碳捕获与封存生物能源点源捕获涉及捕获CO2直接来自发电厂、炼油厂和其他使用化石燃料的大型工业设施的排气。这项技术非常成熟，技术准备水平（TRL）在7到9之间，并且具有相对较低的能量需求（0.3-1.1 MWh/吨CO2)由于CO浓度通常在源头处释放（10-80 mol % 视工业设施而定）。成本约为每吨 CO 30-80 美元2,和预计将进一步下降,主要受部署和规模经济驱动(Global CCS Institute, 2021)。取决于捕获的碳是被利用还是被储存，这些途径会导致减排、碳中性利用或负排放。B1. 在化石排放源处捕获 直接捕获（DC）是指捕获CO2从大气或水中去除。直接空气捕获（DAC）技术使用机器来抽取CO2从空气中提取，而直接水捕获（DWC）则针对海洋和其他水源。从这些溶液中提取的碳通常被称为“生物碳”。采用直流技术的能源需求远高于点源技术的需求（1.9-3兆瓦时/吨CO）2）。这主要是由于较低的CO2大气中的浓度（~0.04摩尔%）(IEA, 2022)。IPCC估计DAC（和储存）的成本为每吨CO100-300美元2但是，由于这项技术尚处于起步阶段，很难估算DWC成本。在两种情况下，扩大规模预计将显著降低成本。3. 直接从空气和水捕获到2025年，大部分BECCS部署很可能来自Summit Carbon Solutions项目，该项目旨在从美国中部的乙醇厂捕获和储存高达180万吨/年的碳。与点源捕集相比，DAC是新的；第一个工厂于2010年投入运营。目前运营最大的工厂是2011年由Climeworks在冰岛建立，其容量为0.004 Mt/年。最近，美国能源部（DOE）宣布将为两个 pioneering 设施投入12亿美元。该计划旨在未来10年内创建四个DAC中心，每个中心每年至少能去除和储存1 Mt。作为该计划推广的一部分，DOE官员还 2. beccs3Mt: 百万吨高2 II. 用于抵消难以脱碳的行业（如航空业）的残余排放（未减排排放）从化石点源进行碳捕获和永久储存会导致化石排放减少（减排）或，最多，排放中性。来自非化石点源，例如生物质、直接捕获或基于自然的解决方案，捕获和储存可以导致排放中性甚至负排放。例如，当生物碳取代工业过程中的原生碳原料时，碳排放是中性的。当从空气或水中捕获的碳被永久储存时，就实现了负排放。根据IPCC，负排放有三个目的：III. 实现净负CO2长期排放以弥补预算超支。利用或储存捕获的碳一、加快近期减排步伐，捕获的碳可以被利用（再生用于食品、燃料和材料生产）或储存。取决于CO的来源。2，这导致减排、中和或负排放。 4. 基于自然的解决方案6罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到构建模块宣布为潜在未来的DAC工厂再进行19项概念和工程研究。迄今为止，全球已有27个DAC工厂投入运行，捕集近0.01 Mt/年。至少有130个DAC设施目前处于不同发展阶段。如果所有项目都推进（即使是概念阶段的项目），在2050年情景下，DAC部署将达到到2030年所需的NZE水平，或约为75 Mt/年。DWC正逐渐成为一种额外的DC技术形式。尽管CO2海洋中的浓度远低于点源，但它们仍然高达大气中浓度的100倍以上，具体取决于地点。这使得DWC成为一种潜在的高效捕获CO的方法。2这项技术很有前景，但很新。美国初创公司Captura计划建设的最大示范工厂，产能为0.0001Mt/年。基于自然的碳捕获解决方案（NBS），也称为自然气候解决方案，利用地球生态系统来捕获和储存CO2从大气中。这些方案利用生物炭、森林、湿地、草地和其他自然栖息地的力量来帮助缓解气候变化。杰出的非生物土著解决方案包括植树造林和再造林、森林管理、农林业和湿地恢复。 C 短期使用短期存储长期（永久）存储长期使用7 罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到基石CO2是一种广泛使用的原料。它被用于化肥、食品和饮料行业、金属生产，以及许多其他长期行业。它还在合成燃料和聚合物生产等新兴应用中至关重要，预计需求将达到1.6-6 Gt。通常，CO2这些产品在重新发布前储存的时间不到1年。在最好的情况下，短期利用是碳中性的，因此为了达到净零排放，我们需要绿色再生CO的来源。2这使得直接捕获的碳成为这种原料的短期替代品。该流程不会实现碳中和。此外，化石点源将随时间逐步淘汰，因此不能依赖其来产生 CO2用于使用目的。2.2/ 从生物源捕获的碳，直接或使用生物炭，如果被利用会导致中性排放，如果储存会导致负排放C+D捕获到的CO2可以被转化为非常稳定且持久的物质，有效地储存它，或多或少永久地。这类解决方案包括建筑骨料和水泥/混凝土养护。所有这些都具有数千年以上的储存潜力。因此，长期利用可以被视为一种永久储存的替代形式。预计到2050年，未来需求将达到~25 Gt。植物和树木吸收CO2从大气中吸收并将其通过光合作用储存在其生物量中。这种储存是暂时的，因为在CO2在植物材料腐烂、燃烧或被动物消耗后，最终会回到大气中——通常在100年内。这使得 CO2从化石点源捕获的CO应只永久储存。根据定义，CO2从化石点源捕获的无法产生负排放。我们能做的最好就是减少它们的影响。长期存储是指CO2被捕获并储存，以便其能储存数千年。目前还没有关于CO储存时间的行业标准。2必须被储存才能被视为长期储存。2.1/ 从化石来源捕获的碳并被永久储存会导致减排。这种化石碳的长期利用是不可持续的CO2从化石燃料设施捕获的温室气体若永久储存，可导致减排；若加以利用，则可做到零排放。永久储存是指将捕获的CO₂注入2在脱油/气田、盐渍含水层和玄武岩地层等地质构造中。只要生物碳不可用，短期利用是可以接受的，但如果用于会随时间释放的CO2再次（如在温室中或合成燃料的生产中） 21利用二氧化碳的当前和未来应用8罗兰贝格 | 再生二氧化碳 - 从负担到构建模块人工造林、造林以及其他基于自然的解决方案，如生物炭、增强风化、海洋碳增强来源：IHS，IEA，ETC-CCUS来源：能源转型委员会 (ETC)碳捕获方法(fossil)点源(生物质)短期利用长期利用永久存储永久存储永久长期利用长期利用短期利用短期利用增强采收率当前使用聚合体食品和饮料金属生产未来需求（理论）作为输入所需 长期使用：CO终端市场 /基于终端市场规模的技术吸纳潜力，而非预测 +=++=+--9罗兰贝格|再生二氧化碳——从负担到构建模块可以将它写成：需求负排放需求利用供应BECCS供应NBS供应DC供应DC需求负碳排放需求利用供应BECCS供应NBS这个公式计算直接捕获的最小需求。从长远来看，如果直接捕获也需要满足长期利用需求（这可能最初是由化石点源满足的），那么这种需求将在此基础上再加上这里计算的最小需求。由于 BECCS 和基于自然的解决方案都比直接捕集更具成本效益，因此它们首先被尽可能多地使用，因此对 CO 的需求为2从直接捕获变为：到2100年，需要2.6-11.2 Gt/年的直接捕获来满足利用需求并实现约14 Gt/年的足够负排放由于化石来源永远不可能导致负排放，所有负排放都将需要来自BECCS、直接捕获和基于自然的解决方案。要求负排放和短期利用beccs的总技术潜力约为每年10吉吨，但在应用环境可持续性过滤器（约40%）和社会经济过滤器（约20%）后，剩余潜力约为每年4吉吨。这给出了一个更现实的看法，即beccs的实际潜力小于ipcc预测的负排放需求。beccs不应在可能损害生物多样性、其他自然资本或导致直接/间接土地利用变化（损害其他用途，如粮食生产）的地方应用。类似地，基于自然的解决方案的总技术潜力高达约每年24吉吨，但可持续性过滤器（敏感生物群的破坏或水资源利用的压力）和社会经济因素（更多的经济对短期利用（再生）的需求更难预测，因为它强烈依赖于交通和工业的脱碳路径、塑料行业的回收水平和效率提升。但话说回来，在1.6到6 Gt的捕获CO2每年可能需要将使用CO的各种过程去碳化为原料