碳捕獲與封存（CCS）發(fā)展前景

張俊勇，孫有才

（1.石家莊鐵道大學經(jīng)管學院，河北石家莊050043；2.河北省鐵路管理局，河北石家莊050051）

人類對環(huán)境問題的認識和解決辦法，是循著環(huán)境問題發(fā)展的歷史軌跡而不斷深化的。人類社會對自然界的認識是在實踐中產(chǎn)生的，實踐—認識—再實踐—再認識構(gòu)成了人類社會與所處環(huán)境互動的軌跡。自從工業(yè)革命以來，伴隨著社會化大生產(chǎn)的推行，人類與環(huán)境之間的平衡關(guān)系不斷被打破，宜居環(huán)境、和諧環(huán)境正成為人類社會發(fā)展的理性訴求。1972年6月5日，聯(lián)合國在瑞典斯德哥爾摩召開“人類環(huán)境會議”，并通過了《人類環(huán)境宣言》，1992年6月3日，聯(lián)合國在巴西里約熱內(nèi)盧召開“環(huán)境與發(fā)展大會”，并通過了《里約環(huán)境與發(fā)展宣言》及《21世紀議程》。2012年12月26日，世界氣候大會在卡塔爾首都多哈召開，盡管大會充滿了拉鋸戰(zhàn)，但最后還是把2013—2020年作為《京都議定書》的第二個承諾期。所謂《京都議定書》是1997年12月在日本京都由聯(lián)合國氣候變化框架公約參加國制定的，其目標是“將大氣中的溫室氣體穩(wěn)定在一個適當?shù)乃剑M而防止劇烈的氣候改變對人類造成的傷害”，并確定了發(fā)達國家和發(fā)展中國家各自承擔全球環(huán)境義務(wù)的執(zhí)行時間表。為較好地履行國際義務(wù)，我國政府于2012年10月發(fā)布《中國能源政策（2012）白皮書，承諾到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。在中國經(jīng)濟實力不斷增強、國際地位不斷上升以及環(huán)境問題也日益突出的背景下，充分認識節(jié)能減排，采取有效措施承擔相應(yīng)的國際義務(wù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。近年來興起的二氧化碳捕獲與封存（CCS）技術(shù)成為各國研究的熱點以及國際社會減少溫室氣體排放的重要策略。我國在這方面盡管起步較晚，但發(fā)展后勁足，在國家政策的積極推行下，我國在碳捕獲與封存技術(shù)上具有良好的后發(fā)優(yōu)勢，通過技術(shù)應(yīng)用推廣，不僅可以承擔相應(yīng)的國際業(yè)務(wù)，也有望帶來相應(yīng)的經(jīng)濟效益。

1 碳捕獲技術(shù)的由來

化石能源的開發(fā)和利用為工業(yè)社會和人類文明的推進提供了必要的支撐，不過，化石能源的負面效應(yīng)尤其是環(huán)境方面的負面效應(yīng)為人們重新認識。比如，化石能源產(chǎn)生的硫磺、碳化物、硝酸等，容易與大氣結(jié)合形成酸雨，對自然環(huán)境造成很大的破壞；化石能源會產(chǎn)生放射性物質(zhì)，泄漏到空氣中很容易對人體造成損害；化石能源燃燒產(chǎn)生的粉塵誘發(fā)呼吸道疾病等。從環(huán)境保護的角度，各國都在政策上進行了一定程度的限制，提高能源效率，把化石能源數(shù)量降低到最小化。從經(jīng)濟學角度，化石能源被認為具有負外部性，其社會成本高，因此，應(yīng)該采取征稅和內(nèi)生化的交易機制。

從當前到未來很長一段時間，化石能源仍是人類社會獲取能源的最主要方式，盡管其在能源組合中的比重會逐步降低，可再生能源的比重會逐步提高。但在可再生能源還未占據(jù)主導地位的情景下，正視化石能源使用帶來的負面影響，在化石能源使用前、使用中和使用后設(shè)法把對環(huán)境的影響達到中性成為一種首選。能源需求會逐年增高，而可再生能源還難以獨擋一面?！扒鍧嵞茉础?、“清潔煤炭”、“清潔生產(chǎn)”的概念應(yīng)運而生，并得到了極大推廣。全球溫室的來源中，化石能源的使用占80%以上，在這種情況下，如何去碳成為工業(yè)社會必須考慮的問題。一般而言，應(yīng)用3種方式降低碳排放。一是提高能源利用效率，減少使用量；二是采用低碳燃料，比如可再生能源；三是采取捕獲和封存的方式。如果把化石能源燃燒使用過程中的二氧化碳收集起來，采取與地球空氣隔離的形式，一方面可以不妨礙對化石能源的繼續(xù)使用，另一方面也與低碳社會、可持續(xù)發(fā)展的理念實現(xiàn)了部分吻合。另外，垃圾再利用、廢棄物再利用的實踐認識也引發(fā)對收集起來的二氧化碳的再利用的探討。

通過檢索國外文獻發(fā)現(xiàn)，首先對碳捕獲與儲存進行探討的學術(shù)文章出現(xiàn)在1998年2月號刊的《氣候變化》（Climatic Change）上，題目為“我們需要一些新的思維”。該文主要觀點包括所有國家都應(yīng)該做出承諾，向空氣中免費排放二氧化碳的做法必須逐步取消，另外降低能源成本應(yīng)該采取戰(zhàn)略性思維。國內(nèi)最先對碳捕獲與儲存最先報道的是《氣候變化研究進展》的2005年4期，題目是“IPCC第24次全會在加拿大召開”，從前后順序看，顯然我國對這個問題的關(guān)注是從國外的會議報道開始的。

2 碳捕獲技術(shù)的應(yīng)用

碳捕獲與封存系指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中一種技術(shù)。通過該項技術(shù)的應(yīng)用，可以減少化石能源對全球變暖帶來的不利影響，減少海洋酸化。

碳捕獲與封存顧名思義一般分兩個階段，第一個階段是把集中排放點或分散排放點的二氧化碳收集起來，第二個階段把收集起來的二氧化碳進行封存。目前碳捕獲的公益方法基本上有3種，即化石能源燃燒前、燃燒后以及在富氧環(huán)境中對化石能源進行燃燒，各種方法都有自己的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍。

表1

目前，美國在碳捕獲與封存方面投入較大，取得的技術(shù)成就以及應(yīng)用推廣比較大。在2000年早期，小布什總統(tǒng)希望為美國的煤炭產(chǎn)業(yè)做點事情，從政府層面加大了對這一技術(shù)的開發(fā)支持力度。奧巴馬總統(tǒng)在2009年的經(jīng)濟刺激中追加了30億美元，用于這項技術(shù)的可開發(fā)。歐洲國家進行規(guī)劃的項目較多，但實際實施效果存在很多障礙，處于應(yīng)用前沿的主要是英國、挪威等國。國際能源署預測到2020年全球?qū)⒂袛?shù)百個碳捕獲與封存項目，2050年，將有大約3000個項目。

碳捕獲與封存的第二個階段是儲存，相對于第一個階段，這一階段的技術(shù)上的難度比較小。在封存前一般通過高壓形式，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成液體形式，或者通過管道輸送，或者通過罐裝車輸送。最終的存儲地或者為海洋洋底，或者陸地的下方。陸地的選擇可以是數(shù)千米之下的即將枯竭的油田或者氣田，也可以是含酸堿液體的巖石層中。不管以何種方式儲存，儲存空間應(yīng)該具有流動性，同時在上面施加隔離層，嚴防以任何形式向上泄漏。

3 圍繞碳捕獲與封存技術(shù)的障礙

能夠把二氧化碳進行收集并且安全地儲存，無疑為實現(xiàn)碳中性提供了良好的解決思路。人類社會對能源的需求仍在增長，而可再生能源、替代能源在短時間內(nèi)還難以超越常規(guī)能源。碳捕獲與封存在電廠的應(yīng)用可以有效地收集到90%以上的碳排放。根據(jù)相關(guān)研究，該項技術(shù)的推廣應(yīng)用可以為削減溫室氣體排放做出突出的貢獻。但是，這一技術(shù)的應(yīng)用依然受到很多障礙，其發(fā)展前景仍將遵循波浪式的發(fā)展道路。

3.1 成本因素

碳捕獲與封存可以在地球上的任何地點進行，在火電廠、建材廠、煉鋼廠等進行這項技術(shù)的推廣應(yīng)用等無疑是最為經(jīng)濟的方式，因為這些企業(yè)都是二氧化碳的排放大戶。2012年，美國國會預算辦公室發(fā)布一項報告，對新建火電廠采用該項技術(shù)的成本進行了測算，認為平均成本比不采用該項技術(shù)高出76%。美國能源部估計，由于采用該項技術(shù)，化石能源的能源效率會降低20%～30%。2007年麻省理工學院的一項研究認為，采用技術(shù)改造會使電廠的發(fā)電量降低40%，能源產(chǎn)出減少意味著用電價格的進一步高企。美國能源情報署的報告提出，常規(guī)火電廠的發(fā)電成本在0.0686美元/kW·h，火電是最為便宜廉價的能源獲取方式。目前，相關(guān)電廠的成本價基本上在0.1美元以下，即使太陽能的上網(wǎng)電價也沒有超過這一水平。如果火電廠要達到盈虧平衡點，上網(wǎng)電價應(yīng)該是0.128美元/kW·h，計劃要翻一番。在完全市場化背景下，沒有政府的投資，很多技改項目難以開展。

即使二氧化碳被捕獲后，收集起來，還需要運輸與封存，這仍需要付出一定的成本。目前美國已經(jīng)有5800 km的二氧化碳運輸管道，要完成最終的封存，仍需要能源投入和資金投入，無疑綜合成本仍會比較高。英國、挪威等國的石油公司通過把液壓二氧化碳注入北?？萁哂吞锏姆绞剑瑸樘岣弋a(chǎn)油率提供了新的方式。不過，因為提高產(chǎn)油率而使用的二氧化碳比起為應(yīng)對全球變暖需要封存的數(shù)量畢竟是很小的一部分。

3.2 市場機制

為應(yīng)對全球變暖，世界各國陸續(xù)都在制定自己的減排目標。有的國家為碳排放制定了最高限量，有的國家通過發(fā)放排放許可證的方式，也有的國家和地區(qū)采取了碳排放交易模式。毫無疑問，為碳排放制定的價格比起捕獲與封存成本而言都低得多。位于澳大利亞的全球碳捕獲與封存研究院的研究估計，二氧化碳的定價應(yīng)該在23～93美元/t。在2011年公開發(fā)表的一項報告中，歐洲電廠零排放技術(shù)平臺發(fā)現(xiàn)，火電廠的碳排放需要定價到35歐元/t。目前，歐洲的碳排放交易制度是5歐元/t，美國加利福尼亞州是13.62美元/t，美國擬通過法律把碳稅上調(diào)至20美元/t。全球二氧化碳定價較低或者根本就沒有定價，無疑不會對排放大戶產(chǎn)生約束和激勵。

3.3 利益集團之爭

2012年1月，美國環(huán)境保護署推出了嚴格的環(huán)境管制措施，對火電廠的水銀、氧化硫、氧化氮和其他金屬物質(zhì)諸如砷等進行了嚴格的管制。為此，包括6個州在內(nèi)的很多電廠以及全國礦業(yè)協(xié)會提起了強烈的抗議，要求聯(lián)邦暫緩執(zhí)法，認為管制帶來的代價過于沉重，也過于嚴厲，并以提高上網(wǎng)電價作為執(zhí)行條件。

人們的環(huán)境意識越來越強烈。由于各國發(fā)展程度、技術(shù)水平、法律環(huán)境等存在著很大差異，在環(huán)境問題上的責任和義務(wù)難以均衡地匹配。這涉及到短期利益與長期利益、局部利益與整體利益的權(quán)衡。圍繞著世界氣候變化的目標和義務(wù)，各國之間爭論不休。即使是在一個國家內(nèi)部，各種利益集團也存在很多沖突，在環(huán)境問題上的分歧越大，努力越小，其造成的災(zāi)難和后果也就越大。

3.4 技術(shù)上成熟度

碳捕獲與封存的許多項目仍處于示范性和試驗性階段，距離大規(guī)模的推廣還存在很大差距，除了資金、人員等方面的限制條件，這一技術(shù)的突破還局限于局部和某些點上，還未實現(xiàn)大范圍的創(chuàng)新。比如，大型已建電廠只能采取燃燒后收集方式，采用燃燒前收集應(yīng)用于新建電廠，技術(shù)上可行，但應(yīng)用有限，不符合能源發(fā)展的趨勢和潮流，富氧環(huán)境下仍需要額外的支出成本。因此，技術(shù)上的突破與創(chuàng)新仍是未來發(fā)展的趨勢。

在技術(shù)的發(fā)展過程中，如何避免“死亡之谷”也是需要考慮的內(nèi)容，在實驗室、示范性項目開展的應(yīng)用，其商業(yè)應(yīng)用前景如何還面臨著市場障礙、融資障礙以及管制障礙等。為此，也有批評者認為碳捕獲與封存的技術(shù)還不夠成熟，主張把資源和精力放在可再生能源上。環(huán)境保護組織盡管認可這項技術(shù)，但對二氧化碳的存放同樣充滿了擔憂。

4 對我國推廣碳捕獲與封存技術(shù)的建議

4.1 設(shè)立專項資金支持

中國和美國是世界上兩大主要經(jīng)濟體，不僅是能源消費大國，也是碳排放大國。據(jù)統(tǒng)計，中國和美國兩個國家的碳排放量分別占全球的23.5%和18.27%。歐盟27個國家的排放量占全球的13.98%。當今的環(huán)境問題具有歷史的形成因素，也有現(xiàn)實的因素，隨著中國經(jīng)濟地位的提升，中國所承擔的環(huán)境義務(wù)無疑也將進一步上升。自從2005年以來，美國已經(jīng)撥付69億美元用于碳捕獲與封存技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用探索，其中34億美元來自美國復興和再投資刺激計劃，其余的來自“清潔煤炭”項目計劃。歐盟自2007年以來，陸續(xù)開展了12個示范性項目，除了碳排放交易機制，其資金來源渠道有兩個，一個是行業(yè)新進入者基金，一個是歐洲經(jīng)濟復興計劃資金。第一項目資金主要來自碳排放交易許可的拍賣，對企業(yè)碳排放進行收費。我國應(yīng)充分吸收借鑒各國成熟的做法，加強這一技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣工作。在進行商業(yè)應(yīng)用推廣前，通過國家專項基金制度，資助這一領(lǐng)域的開發(fā)和研究。

4.2 建立碳排放核算體系

我國的煤炭消費量已經(jīng)接近世界整體消費量的50%，如果經(jīng)濟繼續(xù)保持高速發(fā)展，50%的界限很容易被打破。對于一些大型電廠、建材廠、水泥廠等可以采用專門的指標進行碳排放的核算，但對于碳排放的鏈條缺乏通盤的考慮。整個的二氧化碳排放有直接排放和間接排放，不管是哪一種排放，都應(yīng)當盡早建立核算制度，具體到一個工礦企業(yè)、一所事業(yè)單位、一輛車、一個人都應(yīng)該有一個較為明確、可行的核算體系和制度。在制度透明情況下，才有可能改變社會對這一問題的認識，達成共識，采取一致性行動。也只有有了可以核算的體系，國家環(huán)保部門才會進行有效的監(jiān)管。

4.3 加強國際合作

我國的經(jīng)濟地位和實力為加強國際合作奠定了基礎(chǔ)，中國在碳捕獲與封存技術(shù)上具有后發(fā)優(yōu)勢。我國和歐盟、美國等已經(jīng)展開了碳捕獲的合作項目。我國的科技部也與英國的能源和氣候變化部簽訂了相關(guān)協(xié)議，致力于技術(shù)的開發(fā)，到2020年在技術(shù)上實現(xiàn)火電廠的碳零排放。我國具有成為技術(shù)上領(lǐng)先者的潛在優(yōu)勢，主要是政府的支持力度比較大，這在歐盟、美國等其他經(jīng)濟體是難以做到的。技術(shù)上的開發(fā)、應(yīng)用和突破有望催生新的商業(yè)機會，西方國家受制于利益集團的左右，越來越難以開展一致的行動，正是在這種背景下，西方國家對我國的技術(shù)開發(fā)抱著羨慕又感慨的心態(tài)，對我國未來可能成為這一技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先者保持著一絲戒備。

4.4 規(guī)劃碳捕獲與封存發(fā)展路線圖

技術(shù)上的成功并不能預示著商業(yè)上的成功，化石能源的優(yōu)勢將逐步喪失，但其主導地位則會存在很長時間。在利用和開發(fā)能源的過程中，各種能源的發(fā)展路徑會存在很大差異，太陽能技術(shù)的突破將減少對常規(guī)能源的依賴，而頁巖氣革命以及可燃冰的開發(fā)與開采，則會導致能源格局的重新變化，煤炭作為能源的使用也會因此受到影響，某一階段的經(jīng)濟利益難以與低碳經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的要求發(fā)生偏離，碳捕獲與封存的開發(fā)與應(yīng)用也會存在起伏，因此，對于我國來說，確定碳捕獲與封存的發(fā)展路線圖尤為必要。

[1]萬融.商品學概論[M].北京:中國人民大學出版社，2005.

[2]王志.碳捕獲領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來挑戰(zhàn)[J].科學觀察，2013(1)：59-62.

[3]我國最大碳捕獲試驗基地建成[J].石油和化工節(jié)能，2012(1)：7-8.