碳捕获与封存（CCS）发展前景

张俊勇，孙有才

（1.石家庄铁道大学经管学院，河北石家庄050043；2.河北省铁路管理局，河北石家庄050051）

人类对环境问题的认识和解决办法，是循着环境问题发展的历史轨迹而不断深化的。人类社会对自然界的认识是在实践中产生的，实践—认识—再实践—再认识构成了人类社会与所处环境互动的轨迹。自从工业革命以来，伴随着社会化大生产的推行，人类与环境之间的平衡关系不断被打破，宜居环境、和谐环境正成为人类社会发展的理性诉求。1972年6月5日，联合国在瑞典斯德哥尔摩召开“人类环境会议”，并通过了《人类环境宣言》，1992年6月3日，联合国在巴西里约热内卢召开“环境与发展大会”，并通过了《里约环境与发展宣言》及《21世纪议程》。2012年12月26日，世界气候大会在卡塔尔首都多哈召开，尽管大会充满了拉锯战，但最后还是把2013—2020年作为《京都议定书》的第二个承诺期。所谓《京都议定书》是1997年12月在日本京都由联合国气候变化框架公约参加国制定的，其目标是“将大气中的温室气体稳定在一个适当的水平，进而防止剧烈的气候改变对人类造成的伤害”，并确定了发达国家和发展中国家各自承担全球环境义务的执行时间表。为较好地履行国际义务，我国政府于2012年10月发布《中国能源政策（2012）白皮书，承诺到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。在中国经济实力不断增强、国际地位不断上升以及环境问题也日益突出的背景下，充分认识节能减排，采取有效措施承担相应的国际义务具有非常重要的现实意义。近年来兴起的二氧化碳捕获与封存（CCS）技术成为各国研究的热点以及国际社会减少温室气体排放的重要策略。我国在这方面尽管起步较晚，但发展后劲足，在国家政策的积极推行下，我国在碳捕获与封存技术上具有良好的后发优势，通过技术应用推广，不仅可以承担相应的国际业务，也有望带来相应的经济效益。

1 碳捕获技术的由来

化石能源的开发和利用为工业社会和人类文明的推进提供了必要的支撑，不过，化石能源的负面效应尤其是环境方面的负面效应为人们重新认识。比如，化石能源产生的硫磺、碳化物、硝酸等，容易与大气结合形成酸雨，对自然环境造成很大的破坏；化石能源会产生放射性物质，泄漏到空气中很容易对人体造成损害；化石能源燃烧产生的粉尘诱发呼吸道疾病等。从环境保护的角度，各国都在政策上进行了一定程度的限制，提高能源效率，把化石能源数量降低到最小化。从经济学角度，化石能源被认为具有负外部性，其社会成本高，因此，应该采取征税和内生化的交易机制。

从当前到未来很长一段时间，化石能源仍是人类社会获取能源的最主要方式，尽管其在能源组合中的比重会逐步降低，可再生能源的比重会逐步提高。但在可再生能源还未占据主导地位的情景下，正视化石能源使用带来的负面影响，在化石能源使用前、使用中和使用后设法把对环境的影响达到中性成为一种首选。能源需求会逐年增高，而可再生能源还难以独挡一面。“清洁能源”、“清洁煤炭”、“清洁生产”的概念应运而生，并得到了极大推广。全球温室的来源中，化石能源的使用占80%以上，在这种情况下，如何去碳成为工业社会必须考虑的问题。一般而言，应用3种方式降低碳排放。一是提高能源利用效率，减少使用量；二是采用低碳燃料，比如可再生能源；三是采取捕获和封存的方式。如果把化石能源燃烧使用过程中的二氧化碳收集起来，采取与地球空气隔离的形式，一方面可以不妨碍对化石能源的继续使用，另一方面也与低碳社会、可持续发展的理念实现了部分吻合。另外，垃圾再利用、废弃物再利用的实践认识也引发对收集起来的二氧化碳的再利用的探讨。

通过检索国外文献发现，首先对碳捕获与储存进行探讨的学术文章出现在1998年2月号刊的《气候变化》（Climatic Change）上，题目为“我们需要一些新的思维”。该文主要观点包括所有国家都应该做出承诺，向空气中免费排放二氧化碳的做法必须逐步取消，另外降低能源成本应该采取战略性思维。国内最先对碳捕获与储存最先报道的是《气候变化研究进展》的2005年4期，题目是“IPCC第24次全会在加拿大召开”，从前后顺序看，显然我国对这个问题的关注是从国外的会议报道开始的。

2 碳捕获技术的应用

碳捕获与封存系指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中一种技术。通过该项技术的应用，可以减少化石能源对全球变暖带来的不利影响，减少海洋酸化。

碳捕获与封存顾名思义一般分两个阶段，第一个阶段是把集中排放点或分散排放点的二氧化碳收集起来，第二个阶段把收集起来的二氧化碳进行封存。目前碳捕获的公益方法基本上有3种，即化石能源燃烧前、燃烧后以及在富氧环境中对化石能源进行燃烧，各种方法都有自己的优缺点和应用范围。

表1

目前，美国在碳捕获与封存方面投入较大，取得的技术成就以及应用推广比较大。在2000年早期，小布什总统希望为美国的煤炭产业做点事情，从政府层面加大了对这一技术的开发支持力度。奥巴马总统在2009年的经济刺激中追加了30亿美元，用于这项技术的可开发。欧洲国家进行规划的项目较多，但实际实施效果存在很多障碍，处于应用前沿的主要是英国、挪威等国。国际能源署预测到2020年全球将有数百个碳捕获与封存项目，2050年，将有大约3000个项目。

碳捕获与封存的第二个阶段是储存，相对于第一个阶段，这一阶段的技术上的难度比较小。在封存前一般通过高压形式，把二氧化碳转化成液体形式，或者通过管道输送，或者通过罐装车输送。最终的存储地或者为海洋洋底，或者陆地的下方。陆地的选择可以是数千米之下的即将枯竭的油田或者气田，也可以是含酸碱液体的岩石层中。不管以何种方式储存，储存空间应该具有流动性，同时在上面施加隔离层，严防以任何形式向上泄漏。

3 围绕碳捕获与封存技术的障碍

能够把二氧化碳进行收集并且安全地储存，无疑为实现碳中性提供了良好的解决思路。人类社会对能源的需求仍在增长，而可再生能源、替代能源在短时间内还难以超越常规能源。碳捕获与封存在电厂的应用可以有效地收集到90%以上的碳排放。根据相关研究，该项技术的推广应用可以为削减温室气体排放做出突出的贡献。但是，这一技术的应用依然受到很多障碍，其发展前景仍将遵循波浪式的发展道路。

3.1 成本因素

碳捕获与封存可以在地球上的任何地点进行，在火电厂、建材厂、炼钢厂等进行这项技术的推广应用等无疑是最为经济的方式，因为这些企业都是二氧化碳的排放大户。2012年，美国国会预算办公室发布一项报告，对新建火电厂采用该项技术的成本进行了测算，认为平均成本比不采用该项技术高出76%。美国能源部估计，由于采用该项技术，化石能源的能源效率会降低20%～30%。2007年麻省理工学院的一项研究认为，采用技术改造会使电厂的发电量降低40%，能源产出减少意味着用电价格的进一步高企。美国能源情报署的报告提出，常规火电厂的发电成本在0.0686美元/kW·h，火电是最为便宜廉价的能源获取方式。目前，相关电厂的成本价基本上在0.1美元以下，即使太阳能的上网电价也没有超过这一水平。如果火电厂要达到盈亏平衡点，上网电价应该是0.128美元/kW·h，计划要翻一番。在完全市场化背景下，没有政府的投资，很多技改项目难以开展。

即使二氧化碳被捕获后，收集起来，还需要运输与封存，这仍需要付出一定的成本。目前美国已经有5800 km的二氧化碳运输管道，要完成最终的封存，仍需要能源投入和资金投入，无疑综合成本仍会比较高。英国、挪威等国的石油公司通过把液压二氧化碳注入北海枯竭油田的方式，为提高产油率提供了新的方式。不过，因为提高产油率而使用的二氧化碳比起为应对全球变暖需要封存的数量毕竟是很小的一部分。

3.2 市场机制

为应对全球变暖，世界各国陆续都在制定自己的减排目标。有的国家为碳排放制定了最高限量，有的国家通过发放排放许可证的方式，也有的国家和地区采取了碳排放交易模式。毫无疑问，为碳排放制定的价格比起捕获与封存成本而言都低得多。位于澳大利亚的全球碳捕获与封存研究院的研究估计，二氧化碳的定价应该在23～93美元/t。在2011年公开发表的一项报告中，欧洲电厂零排放技术平台发现，火电厂的碳排放需要定价到35欧元/t。目前，欧洲的碳排放交易制度是5欧元/t，美国加利福尼亚州是13.62美元/t，美国拟通过法律把碳税上调至20美元/t。全球二氧化碳定价较低或者根本就没有定价，无疑不会对排放大户产生约束和激励。

3.3 利益集团之争

2012年1月，美国环境保护署推出了严格的环境管制措施，对火电厂的水银、氧化硫、氧化氮和其他金属物质诸如砷等进行了严格的管制。为此，包括6个州在内的很多电厂以及全国矿业协会提起了强烈的抗议，要求联邦暂缓执法，认为管制带来的代价过于沉重，也过于严厉，并以提高上网电价作为执行条件。

人们的环境意识越来越强烈。由于各国发展程度、技术水平、法律环境等存在着很大差异，在环境问题上的责任和义务难以均衡地匹配。这涉及到短期利益与长期利益、局部利益与整体利益的权衡。围绕着世界气候变化的目标和义务，各国之间争论不休。即使是在一个国家内部，各种利益集团也存在很多冲突，在环境问题上的分歧越大，努力越小，其造成的灾难和后果也就越大。

3.4 技术上成熟度

碳捕获与封存的许多项目仍处于示范性和试验性阶段，距离大规模的推广还存在很大差距，除了资金、人员等方面的限制条件，这一技术的突破还局限于局部和某些点上，还未实现大范围的创新。比如，大型已建电厂只能采取燃烧后收集方式，采用燃烧前收集应用于新建电厂，技术上可行，但应用有限，不符合能源发展的趋势和潮流，富氧环境下仍需要额外的支出成本。因此，技术上的突破与创新仍是未来发展的趋势。

在技术的发展过程中，如何避免“死亡之谷”也是需要考虑的内容，在实验室、示范性项目开展的应用，其商业应用前景如何还面临着市场障碍、融资障碍以及管制障碍等。为此，也有批评者认为碳捕获与封存的技术还不够成熟，主张把资源和精力放在可再生能源上。环境保护组织尽管认可这项技术，但对二氧化碳的存放同样充满了担忧。

4 对我国推广碳捕获与封存技术的建议

4.1 设立专项资金支持

中国和美国是世界上两大主要经济体，不仅是能源消费大国，也是碳排放大国。据统计，中国和美国两个国家的碳排放量分别占全球的23.5%和18.27%。欧盟27个国家的排放量占全球的13.98%。当今的环境问题具有历史的形成因素，也有现实的因素，随着中国经济地位的提升，中国所承担的环境义务无疑也将进一步上升。自从2005年以来，美国已经拨付69亿美元用于碳捕获与封存技术的开发和商业应用探索，其中34亿美元来自美国复兴和再投资刺激计划，其余的来自“清洁煤炭”项目计划。欧盟自2007年以来，陆续开展了12个示范性项目，除了碳排放交易机制，其资金来源渠道有两个，一个是行业新进入者基金，一个是欧洲经济复兴计划资金。第一项目资金主要来自碳排放交易许可的拍卖，对企业碳排放进行收费。我国应充分吸收借鉴各国成熟的做法，加强这一技术的研发和应用推广工作。在进行商业应用推广前，通过国家专项基金制度，资助这一领域的开发和研究。

4.2 建立碳排放核算体系

我国的煤炭消费量已经接近世界整体消费量的50%，如果经济继续保持高速发展，50%的界限很容易被打破。对于一些大型电厂、建材厂、水泥厂等可以采用专门的指标进行碳排放的核算，但对于碳排放的链条缺乏通盘的考虑。整个的二氧化碳排放有直接排放和间接排放，不管是哪一种排放，都应当尽早建立核算制度，具体到一个工矿企业、一所事业单位、一辆车、一个人都应该有一个较为明确、可行的核算体系和制度。在制度透明情况下，才有可能改变社会对这一问题的认识，达成共识，采取一致性行动。也只有有了可以核算的体系，国家环保部门才会进行有效的监管。

4.3 加强国际合作

我国的经济地位和实力为加强国际合作奠定了基础，中国在碳捕获与封存技术上具有后发优势。我国和欧盟、美国等已经展开了碳捕获的合作项目。我国的科技部也与英国的能源和气候变化部签订了相关协议，致力于技术的开发，到2020年在技术上实现火电厂的碳零排放。我国具有成为技术上领先者的潜在优势，主要是政府的支持力度比较大，这在欧盟、美国等其他经济体是难以做到的。技术上的开发、应用和突破有望催生新的商业机会，西方国家受制于利益集团的左右，越来越难以开展一致的行动，正是在这种背景下，西方国家对我国的技术开发抱着羡慕又感慨的心态，对我国未来可能成为这一技术领域的领先者保持着一丝戒备。

4.4 规划碳捕获与封存发展路线图

技术上的成功并不能预示着商业上的成功，化石能源的优势将逐步丧失，但其主导地位则会存在很长时间。在利用和开发能源的过程中，各种能源的发展路径会存在很大差异，太阳能技术的突破将减少对常规能源的依赖，而页岩气革命以及可燃冰的开发与开采，则会导致能源格局的重新变化，煤炭作为能源的使用也会因此受到影响，某一阶段的经济利益难以与低碳经济、可持续发展的要求发生偏离，碳捕获与封存的开发与应用也会存在起伏，因此，对于我国来说，确定碳捕获与封存的发展路线图尤为必要。

[1]万融.商品学概论[M].北京:中国人民大学出版社，2005.

[2]王志.碳捕获领域的发展现状和未来挑战[J].科学观察，2013(1)：59-62.

[3]我国最大碳捕获试验基地建成[J].石油和化工节能，2012(1)：7-8.