典型二氧化碳利用技术的低碳成效综合评估

尚丽，刘双，沈群，张凌云，孙楠楠，魏伟

（1 中国科学院上海高等研究院，上海 201210；2 中国科学院大学，北京 100049）

气候变化和CO减排是当今世界面临的最为严峻的问题之一。2020 年9 月22 日，我国在第75 届联合国大会一般性辩论上明确表示“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”。广义的碳中和是指进入大气的温室气体和各类碳汇达到平衡，但由于当前CO的排放量远远超过其他温室气体，如何实现CO的深度减排是碳中和体系中最为重要的一环，因此狭义的碳中和就是指CO中和。实现碳中和的科学路径主要分为减少碳排放量和提高碳吸收量两大类，以新能源、储能等为核心的源头减排技术为能源系统的脱碳提供了可行方案，但出于能源安全的考虑，即使在碳中和的情景下，化石能源依然会以一定比例长期存在于能源结构中，其对应排放总量将超过自然碳汇能力，因此必须通过人工碳汇的方式实现碳吸收，即二氧化碳捕集、利用与封存技术（CCUS）。根据国际能源署的相关测算，在未来全球净零排放的情景下，CCUS 技术将贡献至少15%的减排量；政府间气候变化专门委员会（IPCC）则认为如果不使用CCUS 技术，全球减排成本将会成倍增加，估计平均增幅高达138%。因此，CCUS 是未来我国保障能源安全、减少CO排放，高质量实现碳中和的重要手段。

CCUS 是指将CO从工业排放源或空气中分离后直接加以利用或封存在一定的地质环境中，以实现CO减排的工业过程，是唯一能实现化石能源大规模低碳利用的技术手段。总体而言，CCUS 是一个包含捕集、输送、利用与封存的多环节系统。其中，碳捕集技术作为前端，将电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的CO进行分离和富集的过程，近年来也有研究者提出直接从空气中捕集CO的新思路，碳捕集是CCUS 系统耗能和成本产生的主要环节。根据化石能源消耗与CO富集过程的时空关系差异，目前碳捕集技术主要分为四种，即燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧捕集和空气直接碳捕集。CO输送是指将捕集的CO运送到利用或封存地的过程，与油气输送有一定的相似性，有陆地或海底管道、船舶、铁路和公路车载等输送方式。碳利用和封存是CCUS体系中的CO处置手段，CO利用主要是将CO作为一种资源和原料，通过化学、生物、地质等手段实现高值产品的获取，CO封存则指通过工程技术手段将捕集的CO储存于一定的地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程，按照封存地质体的特点，主要包括陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等方式。

在CCUS 的整体价值链条中，CO利用技术具有鲜明特色：首先，CO的利用技术有望具有更好的经济性，这是由于该类技术往往能够产出具有较高附加值、下游应用广泛的化学品、油品、高端材料等；其次，CO的利用技术与现有的能源和工业体系具有更好的耦合度，有望在无需改变当前基础设施框架的基础上，通过一定的技术改造，在短期内为高碳行业提供显著的降碳效益；最后，CO利用技术有望改变当前对化石资源的依赖，将CO作为化工、建材、食品等行业的碳元素来源，通过原料替代的方式实现其深度脱碳。近年来，CO利用技术发展迅速，部分技术已经开展了千吨级以上规模的中试示范，展现出了显著的推广和应用潜力。

目前，CO利用技术已经进入了全新的发展阶段，一方面，随着各国在该领域投入的不断加大，相关研发工作深入开展，新型技术不断涌现；另一方面，碳中和愿景的提出也使得CO利用技术的研发、推广和应用面临全新的机遇和挑战。在这样的背景下，对CO利用技术的评估十分重要，这是明确具体技术未来减排和应用潜力，科学开展顶层设计的重要手段，将为政府、企业和科研单位制定相关政策、调整投资结构提供重要参考。实际上，近年来已公开报道了一些CO利用技术的综合性评估研究。例如，国家科学技术部社会发展科技司和中国21 世纪议程管理中心根据应对气候变化新的形势要求，对我国CCUS技术保持跟踪定位评估，分别于2011 年和2019 年共同发布了《中国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展路线图研究》，通过文献梳理、专家研讨、现场调研和问卷调查等方式，提出了我国CCUS技术发展的总体愿景，以期加快构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系和产业集群，为化石能源低碳化利用提供技术选择；Jens等从全生命周期的角度出发，提出CO利用技术不单是减少CO绝对量的贡献，根据绿色化学的原则，该技术通过开发一种新型原料来避免在向更可持续的未来生产过渡的过程中化石资源的利用，对碳平衡的改善以及化学生产中产生环境影响的关键因素具有重要影响。此外，部分学者针对CO利用技术的投资潜力以及技术可行性开展了评估研究，例如Remi 等从工程性能、经济性和环境影响等方面对CO利用技术产品开展比较分析，进而选择出短期-中期可部署的新兴CO利用技术；Kosan 等基于技术成熟度分析，研究了各类CO利用技术的推广潜力，以期支撑研发投资的分配；Jacek等结合燃煤电厂工程实例，对CO利用技术进行了可行性评估。

随着CCUS技术的深入推进，开展对应技术的低碳成效评估对技术的选择以及双碳目标的实现具有重要的现实意义，然而，现有相关工作主要通过梳理技术相关参数来定性的开展优先序判断，而缺乏技术评估的系统性方法学。针对上述问题，本文围绕碳达峰、碳中和的总体背景，针对CO利用技术的低碳成效开发了一套可量化的评估方法学。首先从技术的特性、碳中和效应、经济和社会效应四个方面构建评价指标体系；其次，采用层次分析和目标趋近相结合的方式对不同技术的指标进行定量化转换，旨在实现不同技术低碳成效综合指数的计算及对比分析；最后，基于CO利用技术现状以及未来潜力参数的分析，对不同阶段CO利用技术的低碳成效开展应用评估。通过开展不同CO利用技术之间横向对比以及不同阶段CO利用技术低碳成效的纵向对比，识别影响技术低碳成效的关键因素，以期为CO利用技术研发和布局的选择提供参考。

1 构建技术低碳成效评估方法学

层次分析法（analytic hierarchy process, AHP）是在20 世纪70 年代由美国运筹学家Saaty提出的，将总目标将分解为多个准则，并进一步将准则分解为多指标（或方案、约束）的若干层次，是开展多指标、多方案优选决策的系统方法。通过目标的层层分解，使决策的问题最终归结为：供决策的方案/措施相对于总目标的相对重要性的确定或相对优劣次序的排定。

对于CO利用技术低碳成效的评估是一个多因素影响且又难于定量描述的决策问题。研究采用层次分析的方法，基于已有文献调研、专家咨询，将低碳成效的评估从以下四个方面开展：技术特性（A）、碳中和效应（B）、经济效应（C）和社会效应（D）。其中技术特性重点包括技术成熟度（A1），根据技术所处的阶段确定：①基本原理被发现和阐述，②形成技术概念或应用方案阶段，③应用分析与实验室研究，关键功能实验室验证阶段，④实验室原理样机组件或实验板在实验环境中验证，⑤完整的实验室样机，组件或实验板在相关环境中验证，⑥模拟环境下的系统演示，⑦真实环境下的系统演示，⑧定型试验，⑨运行与评估；产品的市场容量（A2），技术产品的市场需求；技术推广难度（A3），重点从推广时间、技术与同类技术相比的竞争力以及技术对市场的适应性几个方面考虑。碳中和效应指标选择为技术能耗强度（B1），单位产品能耗（标煤/吨产品）；二氧化碳消耗强度（B2），生产单位产品的CO使用量（吨CO/吨产品）；原料替代减排强度（B3），使用CO为原料相对于传统原料生产单位产品的CO减排量吨CO/吨产品；综合减排量（B4），直接减排+原料替代减排（万吨CO/年）。经济效应主要划分为成本（C1），建设、投资费用、燃料费、维护费以及人工费；收益（C2），技术投入带来的利益。社会效应包括：传统安全&环境（D1），安全、健康、环保；产业链安全（D2），健康、安全、稳定的产业链；供应链安全（D3），健康、安全、稳定的供应链。

1.1 指标体系的权重设定

1.1.1 AHP-构建判断矩阵

利用专家咨询法确定判断矩阵的层次结构。根据各因素之间的关联和隶属关系，通过指标间两两重要性的比较建立判断矩阵，来表示同一层次各指标相对重要性的标度值，判断矩阵的形式详见表1。

表1 判断矩阵形式

在层次分析法中，为量化判断两个方案的优劣，采用1～9 标度方法对评比结果给出数量标度，具体内涵详见表2。如指标与比较，取标度值b，b越大，表明指标的重要性越强。指标与相比，其标度值为b=1/b。

表2 九标度打分法

1.1.2 AHP-层次排序

层次单排序就是把指标层所有元素面向对应的准则层排出顺序，需要计算判断矩阵的最大特征向量，一般采用方根法，通过归一化特征向量来计算每个指标的权重。

层次综合排序是计算准则层所有因素对目标层相对重要性的排序值，在先计算的指标层单排序值的基础上，从最低层到高层逐层加权求和。

1.1.3 判断矩阵一致性

为了保证判断结果的逻辑符实，需要对判断矩阵开展一致性检验，引入一致性指标CR（consistency index），具体计算公式如式（1）。

式中，CI 为判断矩阵最大特征值/判断矩阵的阶数；RI 由判断矩阵的阶数决定。当CR＜0.10时，便认为判断矩阵具有可以接受的一致性。当CR≥0.10时，需要调整和修正判断矩阵，使其满足CR0.10，从而具有满意的一致性。

基于以上方法步骤，对CO利用技术低碳成效评估的指标权重赋值如表3。

表3 指标体系权重分配

1.2 CO2利用技术的低碳成效综合指数

技术低碳成效综合指数用于表征技术低碳成效的相对水平，研究采用综合指数法计算CO利用技术的低碳成效综合指数，即面向于各层指标实施不断收敛，完成对所有单项指标指数的加权。对应的计算如式（2）。

式中，为技术低碳成效综合指数；W为准则层指标权重值；为准则层指标数；为该准则层指标所属的单项指标数；W为单项指标权重值；I为某单项指标评价指数。

其中对于单项指标指数的获取，不同性质的指标需采用不同的方法。对于定量指标以国家政策推荐目标值或CO利用技术发展可能达到的先进值作为评价标准，通过实际值与评价标准的比值，量化技术对应指标的成效情况；对于定性指标，根据技术的进展水平判断打分，以0～1为分值区间，越接近目标值分值，分数会越接近1，反之趋近0。具体处理方法详见表4。

表4 低碳成效评估两类指标处理方法

2 案例应用分析

基于对现有CO利用技术的特征、市场需求以及未来减排潜力的综合分析，研究重点围绕以下七项CO利用技术开展方法学的应用评估：①CO与甲烷重整制备合成气技术（Tech01-合成气）；②CO加氢合成甲醇技术（Tech02-甲醇）；③CO光电催化转化技术（Tech03-光电催化）；④CO合成有机碳酸酯技术（Tech04-有机碳酸酯）；⑤钢渣矿化利用CO（Tech05-钢渣矿化）；⑥CO矿化养护混凝土技术（Tech06-养护混凝土）；⑦微藻生物利用技术（Tech07-微藻）。

2.1 典型CO2利用技术低碳成效现状评估

以2020年为评估年，首先对我国七个典型CO利用技术的参数开展基础数据搜集以及定性指标的定量化转换，对于定性指标（A1、A2、A3、B1、C1、C2、D1、D2 和D3），采用4 级划分法，根据技术评估年对应指标参数相对该技术成熟且商业化运转指标参数的差距进行量化；对应定量指标（B2、B3 和B4），采用实际统计数据。七个典型CO利用技术指标数据详见表5。

2.1.1 层次单排序-各项因素分析

为了对比分析七项技术在各个指标上的差异，研究对指标层数据开展综合分析，通过对表5数据进行归一化处理，七项典型技术在各个指标上的表现对比情况详见图1。

表5 每项技术的指标参数

从图1 可以看出：Tech01-合成气技术和Tech02-甲醇技术在A2、B4、D2 和D3 四个指标表现相对较好，其主要原因在于上述技术的产物合成气和甲醇是化工生产过程中非常重要的平台分子，随着近年来我国煤化工的快速发展，已经形成了完善的下游化学品制造体系，且整体技术水平处于世界前列，即便在碳中和的情景下，合成气转化和甲醇下游也必将是化工产业的重要组成部分，成为保障我国产业链安全和供应链安全的重要环节。目前我国合成气和甲醇的生产主要通过煤化工过程进行，其排放强度巨大，因此使用CO作为原料，通过重整和加氢反应制备合成气和甲醇具有显著的替代减排能力，其综合减排能力较大。

图1 不同CO2利用技术在不同指标上的表现情况

Tech03-光电催化技术在B1 和B2 指标方面表现相对良好。首先，该类技术在微观机制上显著区别于常用的热催化过程，能够实现温和条件下CO转化，这一优势是其他CO转化技术难以比拟的；同时，CO的光电催化过程还能够与低品位可再生能源相结合，通过将其转化为高能量密度化学能的方式提升可再生能源的消纳能力。需要指出的是，目前Tech03-光电催化技术的成熟度相对较低，绝大多数工作仍然处于实验室研究阶段，仅有少量的小试验证报道。

Tech04-有机碳酸酯技术在A3 和C2 指标表现相对良好，这是由于该类技术的整体成熟度较高，中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院成都有机化学有限公司以及中国科学院过程工程研究所针对不同的酯类产品，均开展了万吨级工业示范，成功获取了生物降解塑料、碳酸二苯酯和聚碳酸酯等产品，因此技术的推广难度较低。此外，相比其他CO转化利用技术，虽然碳酸酯类产品的市场需求相对有限，但其价值往往较高，因此技术的应用能够带来较好的经济收益。

Tech05-钢渣矿化和Tech06-养护混凝土技术与钢铁和建材两大难减排行业对应，主要基于CO与碱性氧化物之间的碳酸化反应，在实现CO矿化的同时，完成钢渣、粉煤灰等固废的资源化利用，因此其环境效益D1 和成本优势C1 指标较为突出。

Tech07-微藻生物利用技术的B2、B4 和C2 指标表现良好，该类技术通过光合作用将CO转变为生物质，生产每吨干重的藻粉可固定1.83t 的CO，减排强度和综合减排量较高，同时可衔接下游的油品、饲料、营养品、高端有机肥等产业，技术经济性较好。目前，CO微藻生物利用技术已经完成了规模化示范运行，预计未来推广的难度适中（A3指标）。

2.1.2 层次综合排序

基于七项CO利用技术指标层的分析，可以进一步明晰不同技术在技术特性、碳中和效应、经济效应和社会效应四个方面的差异，相关结果如图2所示。

图2 不同技术在准则层的表现对比

可以看出，七项技术在技术特性、碳中和效应方面差异较大，而经济和社会效益方法的差异相对较小。其中，技术特性由高到低排序为：Tech01-合成气（0.2）、Tech02-甲醇（0.18）、Tech04-有机碳酸酯（0.16）、Tech07-微藻（0.15）、Tech06-养护混凝土（0.14）、Tech05-钢渣矿化（0.10）、Tech03-光电催化（0.09）；碳中和效应由高到低排序依次为Tech02-甲醇（0.38）、Tech01-合成气（0.34）、Tech07-微藻（0.2）、Tech03-光电催化（0.16）、Tech04-有机碳酸酯（0.11）、Tech05-钢渣矿化（0.05）、Tech06-养护混凝土（0.04）。

最终七项典型CO利用技术的低碳成效由高到低依次为：Tech02-甲醇（0.25）＞Tech01-合成气（0.24）＞Tech07-微藻（0.15）＞Tech04-有机碳酸酯（0.11）、Tech03-光电催化（0.11）＞Tech06-养护混凝土（0.07）、Tech05-钢渣矿化（0.07）。

2.2 典型CO2利用技术未来低碳成效预测评估

基于上述方法，本研究进一步在文献调研和专家问卷的基础上，以2030 年、2035 年、2050 年和2060年为评估年，对上述CO利用技术的相应指标进行了赋值，具体数据详见表6～表9。

表6 2030年每项技术的指标参数

表7 2035年每项技术的指标参数

Tech01-合成气技术和Tech02-甲醇技术目前已经完成了中试示范，预计在2030 年即可完全具备商业化应用能力，其市场推广难度也相应地逐渐降低，在2035 年左右具备与传统技术直接竞争的明显优势，而随着技术的推广和应用，两项技术的综合减排能力将显著增加，其成本、环境、安全等优势日益显现。Tech03-光电催化技术目前的成熟度较低，推广难度大，但该领域是目前CO利用技术方面的研究热点之一，相关进展速度较快，预计在2030 即可完成规模化示范，并基于其与可再生能源深度耦合的天然优势，在2035 年开始大范围推广，成本显著降低，环境效益充分显现，并在若干应用场景中成为化学品和油品制备的优选技术途径，并在2050 年实现大规模商业化推广。Tech04-有机碳酸酯技术目前已经具备了一定的成熟度，且其产品附加值高，因此市场推广预期较好，但需要注意的是，由于受限碳酸酯类产品的市场需求，该技术的减排能力相对有限，相比其他技术而言，未来增长空间小。Tech05-钢渣矿化技术的成熟度目前已经达到了中试水平，能够实现大宗固废的协同治理，其成本和环境优势显著，但后续的推广和应用仍面临能耗较高、矿化速率慢等重要瓶颈；更为重要的是，该技术获取的建筑材料中往往含有钢渣中残留的重金属等元素，因此下游应用受到一定限制，综合而言，基于现有信息，该技术未来的应用潜力可能较为有限。Tech06-养护混凝土技术面向广阔的建材市场，其整体成本较低，综合减排潜力显著，固碳周期长，预计在一定的减排激励政策下就有望具备较好的市场竞争力，因此其综合低碳成效将在未来快速提升，并在2035年左右成为一种重要的CO减排手段。Tech07-微藻固碳技术的碳减排强度较高，目前成熟度较高，预计未来推广难度不大，但总体而言，藻类产品的市场需求相对较小，因此随着未来十年其他CO利用技术的快速发展，其综合低碳成效排名会显著下降。

表8 2050年每项技术的指标参数

表9 2060年每项技术的指标参数

基于以上分析，表10 给出了未来典型CCU 技术低碳成效综合评估结果。相对于2020 年水平，Tech02-甲醇低碳成效保持显著水平，Tech01-合成气、Tech07-微藻和Tech04-有机碳酸酯低碳成效相对其他减弱；Tech03-光电催化和Tech06-养护混凝土低碳成效相对提升；Tech05-钢渣矿化技术低碳成效相对保持较低水平。

表10 未来典型CO2利用技术低碳成效综合评估

3 结语

随着双碳约束的深入推进，CO利用作为大规模碳减排的有效技术，其发展在全球范围内受到广泛关注。该研究重点从技术特性、碳中和效应、经济和社会效应四个方面构建指标体系评价方法学，实现不同CO利用技术低碳成效的对比评估。同时，考虑到新兴技术的创新及突破，低碳成效的变化存在一定的不确定性，本次所选评估参数数据主要基于CO利用技术现有的情况来做判断及预测，重点对技术低碳成效的评估构建方法学，一方面帮助识别和分析现有CO利用技术在低碳化方面的优势与不足；另一方面通过开展不同阶段的技术低碳成效对比分析，为CO利用的选择、研发和推广提供理论支撑。

通过对我国典型CO利用技术低碳成效方法的应用评估，研究结果如下。

①从低碳成效综合指数可以看出，目前我国CO利用低碳成效水平整体偏低，低碳成效指数最高为Tech02-甲醇技术是0.25，Tech06-养护混凝土和Tech05-钢渣矿化只有0.07。反映出目前我国CO利用技术还处于一个初期阶段，对应碳中和效应初步显现，CO利用技术的规模减排量有待进一步研发和提高，现阶段不同CO利用技术低碳成效的差异主要来自技术特性和碳中和效应两个方面。

②目前我国CO利用技术低碳成效较好的是Tech02-甲醇技术和Tech01-合成气技术，这些技术在产品市场容量、原料替代减排、综合减排量以及成本收益方面表现相对优秀；其次是Tech07-微藻技术，减排强度和综合减排量较高；Tech04-有机碳酸酯和Tech03-光电催化低碳成效水平相当，前者主要在技术推广难度以及产品收益方面占一定优势，后者直接使用太阳能，在技术能耗强度以及减排强度均表现良好；Tech06-养护混凝土和Tech05-钢渣矿化技术低碳成效不明显，主要因为现阶段矿化利用CO的技术减排强度及综合减排量较低。

③通过对不同阶段的CO利用技术低碳成效的纵向对比，发现随着各项技术的不断发展，不同CO利用技术体现出的低碳成效变化有所差异，其中Tech02-甲醇、Tech03-光电催化和Tech06-养护混凝土低碳成效相对显著，Tech01-合成气、Tech07-微藻和Tech04-有机碳酸酯低碳成效相对减弱，Tech05-钢渣矿化一直保持相对较低的低碳成效。