碳中和背景下的脫碳方案

田江南，安 源，蔣 晶，羅 揚(yáng)，田景奎，常德生

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 西城區(qū) 100120；2.山西省第二地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)檢測中心，山西省 侯馬市 043011；3.香港大學(xué)土木工程系，中國 香港 999077；4.大唐國際發(fā)電股份有限公司，北京市 西城區(qū) 100033)

0 引言

2020年9月，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：力爭于2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這對我國能源發(fā)展提出了新的要求。國際上把能源技術(shù)革命作為降低碳排放的最主要途徑，美國在2021年2月重新加入《巴黎協(xié)定》，全球大部分國家已經(jīng)或正在制定碳中和計(jì)劃。在可再生能源(主要是風(fēng)和光資源)形成高比例發(fā)電系統(tǒng)之前，給我國能源提供兜底保障的還得依靠化石能源。因此，影響中國碳達(dá)峰時間點(diǎn)的重要因素就是化石能源消費(fèi)總量[1-2]。

通過提高可再生能源比例來實(shí)現(xiàn)脫碳之路也有弊端。由于風(fēng)、光資源的不穩(wěn)定性，風(fēng)光的接入對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來了一定的沖擊。由于氫具有可儲存、能量密度高、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，將可再生能源轉(zhuǎn)化為氫能是一條可行的路線。風(fēng)光發(fā)電電解水制氫消耗的原材料僅為水，而電解水制氫產(chǎn)生的氫氣在消耗之后又會產(chǎn)生水，這是一條可持續(xù)地、循環(huán)發(fā)展的技術(shù)路線。在“新能源電解水制氫”技術(shù)成本降得足夠低(至少能和煤制氫相同)之前，我國的碳排放還要靠碳捕集與利用技術(shù)兜底[3-4]。

1 我國的碳中和解決方案

碳中和是指人為利用化石能源的碳排放量被人為作用和海洋吸收、侵蝕-沉積過程的碳埋藏、堿性土壤的固碳等自然過程所吸收，即凈零排放。2019年，全球碳排放量為401億 t，其中化石燃料燃燒占86%。這些排放量被陸地碳匯31%，被海洋碳匯23%，剩余的46%滯留于大氣中。碳中和目的是使這部分無法被大自然碳匯的碳降為零。

目前我國是世界第一大碳排放國，我國的碳排放總量是歐美其他國家的2～3倍。我國實(shí)現(xiàn)碳中和負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)大于其他國家，因此需依靠技術(shù)革新來驅(qū)動碳減排。2010年中國的非化石能源在一次能源消費(fèi)中的比重為8.6%，到2020年提高到的15.9%左右，大約每年平均提高0.73%。我國定下的目標(biāo)是在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，則一次能源中非化石能源所占比重在21世紀(jì)中葉需提高到80%或更高。這意味著到21世紀(jì)中葉，我國非化石能源在一次能源中所占比重每年應(yīng)提高2%左右[5]。

我國重視核電和水電的發(fā)展，這兩種發(fā)電形式也給我國的脫碳目標(biāo)貢獻(xiàn)了很大力量。但由于生態(tài)安全等多種因素，除正在建的少數(shù)幾個大型水電外，水電事業(yè)發(fā)展較慢。我國的核電事業(yè)有很大的增長潛力，但是在福島核事故后，受我國政策影響，核電的發(fā)展進(jìn)展也不容樂觀。因此，未來需要提升以光伏和風(fēng)電為主力的可再生能源比例，從而提升非化石能源的比例[6]。

2 碳捕集與利用技術(shù)

溫室氣體除二氧化碳外，還包括氧化亞氮、甲烷和其他三類含氟化合物，二氧化碳排放對氣候變暖的貢獻(xiàn)大約占75%，綠色植物的碳匯對碳減排的貢獻(xiàn)非常低，因此必須依靠碳捕集封存和利用技術(shù)為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)兜底[7]。

2.1 碳捕集技術(shù)

碳捕集技術(shù)是指二氧化碳捕集與封存技術(shù)(carbon dioxide capture and storage，CCS)，簡單理解為將含碳燃料燃燒生成的二氧化碳分離并且富集的技術(shù)，通過將二氧化碳捕集起來，避免排放至大氣，以減緩溫室效應(yīng)加劇的方法。根據(jù)燃燒過程與碳捕集過程的先后順序， CCS通常被劃分為二氧化碳燃燒前捕集、二氧化碳燃燒中捕集以及二氧化碳燃燒后捕集，如表1所示[8]。

表1 碳捕集方式的分類Table 1 Classification of carbon capture methods

2.1.1 二氧化碳燃燒前捕集技術(shù)

二氧化碳燃燒前捕集二氧化碳是指在含碳燃料燃燒之前將含碳燃料中的“碳”分離出來的一種技術(shù)，這種技術(shù)從源頭上解決了碳排放的問題。主要是利用煤氣化技術(shù)和重整技術(shù)，將煤炭在燃燒前轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣的合成氣，然后將二氧化碳在合成氣中得以分離，使含碳燃料中的“碳”不參與后面的燃燒過程，煤炭整體氣化聯(lián)合循環(huán)是這種技術(shù)的代表。燃燒前捕集二氧化碳的優(yōu)點(diǎn)是處理的煙氣流量小，二氧化碳分壓高，分離難度較低，分離成本較低；該技術(shù)路線的缺點(diǎn)是工藝較復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，對燃?xì)廨啓C(jī)的參數(shù)要求高[9]。

2.1.2 二氧化碳燃燒中捕集技術(shù)

二氧化碳燃燒中捕集二氧化碳是通過調(diào)整助燃劑的成分，使得燃燒后排放的氣體中二氧化碳濃度大大提高，從而有利于二氧化碳富集的技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)是這項(xiàng)技術(shù)的代表，其技術(shù)是用純氧作為氧化劑進(jìn)入燃燒設(shè)備與含碳燃料進(jìn)行燃燒反應(yīng)，燃燒后產(chǎn)生的煙氣中二氧化碳濃度可高達(dá)95%，不需進(jìn)一步提純便能實(shí)現(xiàn)液化輸送。富氧燃燒的優(yōu)勢是煙氣排量小，二氧化碳濃度高，后處理簡單；其缺點(diǎn)是空分制氧過程的耗電量太高，高濃度二氧化碳?xì)夥占铀馘仩t腐蝕、結(jié)渣等問題[10]。

2.1.3 二氧化碳燃燒后捕集技術(shù)

二氧化碳燃燒后捕集是指將二氧化碳從含碳燃料燃燒生成的煙氣中分離、富集的一種技術(shù)。相較于前面所述的兩種技術(shù)，燃燒后捕集系統(tǒng)位于燃燒系統(tǒng)的下游。如果是改造工程，僅需要在現(xiàn)有的系統(tǒng)后增設(shè)二氧化碳捕集裝置，對原有系統(tǒng)的改變較少；這項(xiàng)技術(shù)缺點(diǎn)是煙氣流量大、二氧化碳分壓低、出口氣體溫度高、煙氣組分復(fù)雜和由此導(dǎo)致的二氧化碳捕集過程能耗偏高。燃燒后捕集技術(shù)主要有化學(xué)吸收、物理吸附、生物固碳和膜分離技術(shù)等。目前，化學(xué)吸收法是目前燃燒后碳捕集技術(shù)分類中應(yīng)用最多的方法[11]。

(1) 化學(xué)吸收法。

化學(xué)吸收法是燃燒后碳捕集工藝中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于化學(xué)吸收劑的選用，選用一種合適的吸收劑有利于節(jié)省碳捕集的成本。原理是用化學(xué)吸收劑選擇性地從混合氣相組分中分離出易溶成分的方法。化學(xué)吸收法實(shí)質(zhì)上是利用堿性吸收劑與煙氣中的二氧化碳接觸并發(fā)生反應(yīng)去除二氧化碳，這種反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，在特定條件下會發(fā)生逆反應(yīng)。反應(yīng)生成的鹽類在一定的條件下會分解并將二氧化碳釋放，從而可以將二氧化碳從煙氣中脫除并富集[12]。

(2) 物理吸附法。

吸附劑選擇性地從煙氣中吸收二氧化碳，然后通過調(diào)整溫度和壓力將吸附的二氧化碳釋放，吸附劑得以再生。這項(xiàng)技術(shù)和萃取的原理有些類似，只不過溶劑和溶質(zhì)都是氣態(tài)。物理吸附法較化學(xué)吸收法的優(yōu)勢是整個碳捕集的過程能耗非常低。物理吸附技術(shù)主要包括變溫吸附和變壓吸附，最常用的是變壓吸附。變壓吸附是在較高的壓力下利用吸附塔內(nèi)的吸附劑選擇性地吸附煙氣中的二氧化碳，從吸附塔頂端獲得脫除二氧化碳后的氣體，再通過降低塔壓使吸附在吸附劑上的二氧化碳脫離從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳捕集。目前，通常采用多次均壓和多塔吸附工藝來提高變壓吸附裝置捕集二氧化碳的能力和純度[13]。

(3) 膜分離法。

膜分離法的原理是煙氣中不同組分透過膜時的速度不同，從而分離并富集二氧化碳的方法。二氧化碳的滲透速率相對于煙氣中其他組份來說較快，會優(yōu)先通過膜而將二氧化碳脫除。膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工藝和操作都比較簡單，能耗也比較低。因此在煙道氣的二氧化碳捕集方面具有較大競爭力，也逐漸受到更多關(guān)注。但是，膜分離法存在一定缺點(diǎn)：富集的二氧化碳濃度較低、二氧化碳分離條件要求較高、工作負(fù)荷較低等，這些缺點(diǎn)限制了膜分離法在碳捕集領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用[14]。

(4) 生物固碳法。

生物固碳法是利用微生物(如微藻等)來吸收二氧化碳的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：脫碳過程中不產(chǎn)生二次污染，對環(huán)境友好。缺點(diǎn)是：占地面積大，應(yīng)用條件有地域限制(生物固碳法需要在水資源豐富、光照強(qiáng)度大的地區(qū))，減碳速度小。另外，為適應(yīng)大規(guī)模的應(yīng)用，微藻的抗毒性有待提升[15]。

2.2 二氧化碳利用技術(shù)

二氧化碳的利用技術(shù)主要包括：化工利用、物理應(yīng)用、地質(zhì)封存和生物質(zhì)利用等[16]。

(1) 二氧化碳化工應(yīng)用。

二氧化碳化工應(yīng)用就是利用化學(xué)法將二氧化碳轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物的方法。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳較大規(guī)?；瘜W(xué)利用的技術(shù)主要有二氧化碳與氨氣合成尿素、二氧化碳與氯化鈉生產(chǎn)純堿、二氧化碳與環(huán)氧烷烴合成碳酸酯以及合成水楊酸技術(shù)。

(2) 二氧化碳物理應(yīng)用。

二氧化碳物理應(yīng)用在飲料、啤酒等場所有很多應(yīng)用。比如將二氧化碳用作制冷劑，在食物、空調(diào)、熱泵等場所有很多應(yīng)用。二氧化碳的物理應(yīng)用還可以將其制作為干冰，干冰的冷卻能力約為水的2倍，其最大的特點(diǎn)是升華冷卻時不留痕跡，無毒無害，能夠用于食品的保存和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的冷卻。

(3) 二氧化碳的地質(zhì)封存。

二氧化碳地質(zhì)封存與利用是指將二氧化碳注入地層以及深水層中，利用地質(zhì)條件或地下礦物生產(chǎn)如煤層氣、石油、天然氣及頁巖氣等產(chǎn)品的方法。這種方式可以將二氧化碳封存，相較于傳統(tǒng)工藝，能進(jìn)一步降低二氧化碳的排放。

(4) 二氧化碳生物質(zhì)利用。

二氧化碳可以用于生物農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)等技術(shù)中。因?yàn)橹参锷L需要進(jìn)行光合作用，光合作用就需要以二氧化碳為原料。當(dāng)前，二氧化碳的生物利用技術(shù)還處于起步階段，其研究主要集中在二氧化碳?xì)夥屎臀⒃骞烫忌稀Ｆ渲?，微藻固碳主要?yīng)用于食品、能源、飼料和肥料等的生產(chǎn)。

3 碳中和背景下的氫能發(fā)展機(jī)會

在低碳經(jīng)濟(jì)時代，氫能無疑是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉?。但利用化石能源制氫，獲得產(chǎn)物氫氣的同時會排放大量的二氧化碳，這嚴(yán)重制約著氫能發(fā)展。CCS與氫能相耦合，有利于CCS與氫能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。

氫能可通過可再生能源電解水制氫和化石能源轉(zhuǎn)化制得。我國的氫能主要來自于化石燃料的轉(zhuǎn)化，因此從嚴(yán)格意義上講這種氫能不屬于清潔能源。氫能通過化石能源轉(zhuǎn)化的過程(比如煤制氫、天然氣制氫等)中會排放大量二氧化碳，碳排放的問題將制約氫能的發(fā)展[17]。

3.1 氫能參與脫碳的必要性

世界上主要的經(jīng)濟(jì)體提出碳中和目標(biāo)以來，氫能成為了各國碳中和技術(shù)唯一的的救命稻草。目前氫能產(chǎn)業(yè)存在的主要問題有：(1)綠氫在整個氫產(chǎn)業(yè)鏈中占比較少(僅為4%左右)；(2)綠氫成本較高，其受制于電解水制氫設(shè)備的價格和高昂的電價。盡管氫氣的發(fā)展存在各種各樣的問題，但是各國仍努力發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)，以求最終降低其成本。因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)以后仍有30%左右的能源用戶無法通過電氣化滿足。比如冶金行業(yè)就無法完全通過電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳，除使用可再生能源外，還需通過氫能來實(shí)現(xiàn)脫碳。大規(guī)模綠氫產(chǎn)業(yè)將帶來較高的新增電力需求，加快綠氫的應(yīng)用，也是我國構(gòu)建高比例可再生能源電力系統(tǒng)的重要途徑[18]。

氫除了可在冶金等碳減排難度較大的領(lǐng)域有應(yīng)用空間外，還可作為合成氨和甲醇的化工原料。以氫為燃料的氫燃料電池車在交通領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間，在交通領(lǐng)域能夠發(fā)揮其能量密度高和續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)勢。在發(fā)電和電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，氫能可借助氫燃料電池發(fā)揮調(diào)峰和分布式供能的作用。實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)離不開氫的參與[19]。

3.2 氫能發(fā)展政策

近年來，包括我國在內(nèi)的主要經(jīng)濟(jì)體都出臺了氫能相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。我國“十四五”開局以來，各地方、各企業(yè)紛紛出臺相關(guān)文件支持氫能發(fā)展。很多企業(yè)，包括大型國企、私企等紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)，成立了氫能公司。比如國電投、中能建、隆基、陽光電源等都成立了自己的氫能公司，企業(yè)層面也體現(xiàn)出了對氫能發(fā)展的重視[20]。

這些政策涉及氫能產(chǎn)業(yè)的上下游的多個行業(yè)，多個文件都提到了有關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)性政策。比如“網(wǎng)源荷儲一體化”政策就明確提出，新增風(fēng)、光等新能源布局的同時要建設(shè)一定比例的負(fù)荷端，這個負(fù)荷就包括制氫。我國很多地方政府都出臺了對發(fā)展氫能有利的政策文件，這一系列的氫能指導(dǎo)意見都體現(xiàn)了氫能在我國的受重視程度非常高，也體現(xiàn)了我國對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持。山東省的2021年光伏支持政策中明確提出，建設(shè)光伏的同時考慮配置10%～20%的儲能，其中氫能也可視同儲能看待。這些氫能政策的正式印發(fā)也推動了氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)補(bǔ)貼政策的出臺也體現(xiàn)了我國對氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視[21]。

3.3 氫能參與脫碳的可行性分析

要想真正獲得綠氫，必須解決氫能生產(chǎn)過程中碳排放的問題。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展階段可以把氫能的發(fā)展過程大致分為3個階段：初期階段(灰氫階段)、中期階段(藍(lán)氫階段)和最終階段(綠氫階段)。目前我們就處于初期階段，氫氣來源主要是灰氫，主要通過化石燃料轉(zhuǎn)化獲得。例如天然氣制氫、煤氣化制氫等工藝得到的氫氣成為灰氫，灰氫的生產(chǎn)過程中會伴隨著大量的碳排放。中期階段的氫氣被稱為藍(lán)氫階段，這個階段是灰氫與CCS技術(shù)相耦合，減少碳的排放的階段，這個階段的氫能碳排放降低，但是投資較高。最終階段的氫氣被稱為綠氫階段，這也是我們發(fā)展的終極目標(biāo)。此階段氫氣是通過可再生能源電解水獲得，新能源發(fā)電不消耗化石能源，沒有碳排放。電解水所用的原料水在氫氣消耗的過程中又會被生成，從這個角度看水也是可再生的，循環(huán)的。制氫過程可實(shí)現(xiàn)完全脫碳，這個階段是氫能發(fā)展的最終目標(biāo)。目前從價格上來看，氫氣的價格高低排序?yàn)椋夯覛?藍(lán)氫<綠氫?？紤]到成本和環(huán)保等因素，現(xiàn)階段的主要方向是提升科技水平、降低綠氫成本，在逐步實(shí)現(xiàn)脫碳制氫的同時，進(jìn)一步降低制氫成本[22]。

在藍(lán)氫和綠氫之間還有一種氫氣，叫“藍(lán)綠氫”(turquoise hydrogen)，藍(lán)綠氫有時也被稱為“青氫”。青氫的制備原料是采用天然氣，但不用水蒸氣轉(zhuǎn)化法，而是采用熱裂解技術(shù)，在高溫反應(yīng)器中甲烷被直接裂解為氫與固體碳。固態(tài)的碳不會排放到大氣中，可以直接儲存起來，或是用作冶金等用途。這種高溫裂解工藝通常需要耗用大量化石燃料，從這個角度講也會有碳排放；也可采用可再生能源或者碳中和能源來加熱，這種方式能源轉(zhuǎn)化次數(shù)較多，能量轉(zhuǎn)化效率會降低[23]。

目前工業(yè)上制氫的方式有電解水制氫、天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)尾氣制氫和甲醇制氫等，各種制氫方式占總氫產(chǎn)能的百分比如下：工業(yè)廢氣制氫為45%、煤制氫為41%、天然氣制氫為10%、電解水制氫為4%。從數(shù)據(jù)可看出目前氫氣的主要來源為工業(yè)尾氣制氫，電解水制氫所占的比例最低。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，電解水制氫占比將達(dá)到64%，灰氫占比將達(dá)到21%。各種制氫方式的技術(shù)特點(diǎn)如表2所示[14]。

表2 各種制氫方式的特點(diǎn)Table 2 characteristics of various hydrogen production methods

目前新能源電解水制氫的發(fā)展瓶頸主要是電解水制氫設(shè)備成本和度電成本較高，隨著電解槽、電極、雙極板成本的下降和新能源發(fā)電成本的降低，綠氫成為一種脫碳的終極方案[24]。

圖1為綠氫競爭力的階躍式變化圖，數(shù)據(jù)來自于國際可再生能源機(jī)構(gòu)，從圖中可看出發(fā)電成本是綠氫價格的主要決定因素。因此除了降低電解槽造價外，降低可再生能源的發(fā)電成本是降低綠氫成本的另一條可行路徑[25-26]。

圖1 綠氫競爭力的階躍式變化圖Fig.1 Step-change diagram of green hydrogen competitiveness

4 結(jié)論

(1) 現(xiàn)階段，CCS是目前實(shí)現(xiàn)碳減排、脫碳的有效手段，CCS通常被劃分為二氧化碳燃燒前捕集、二氧化碳燃燒中捕集以及二氧化碳燃燒后捕集。常見的燃燒后碳捕集技術(shù)有化學(xué)吸收、物理吸附、生物固碳和膜分離技術(shù)，目前化學(xué)吸收法的應(yīng)用最多。

(2) 2013至2019年中國碳市場的平均價格為21.5元/t，在未來碳價很有可能會上漲，如果國家制定嚴(yán)格的碳交易政策則會倒逼企業(yè)進(jìn)行碳減排技術(shù)改革。

(3) 目前我國碳捕集技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還面臨著許多困難，如成本偏高、二氧化碳市場需求不足、碳市場機(jī)制不健全等。未來應(yīng)重點(diǎn)提高碳捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益，以實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的二氧化碳減排。

(4) 氫能產(chǎn)業(yè)是脫碳經(jīng)濟(jì)的終極方案，可通過大力發(fā)展綠氫的方式代替灰氫、藍(lán)氫實(shí)現(xiàn)脫碳。

(5) 我國實(shí)現(xiàn)碳中和的周期短、難度大，和發(fā)達(dá)國家相比，我國需要用更短的時間完成深度碳減排，需重點(diǎn)關(guān)注這方面的技術(shù)儲備。

(6) 目前國內(nèi)的綠氫項(xiàng)目不多，“十四五”開局半年來，綠電制氫項(xiàng)目在全國各地火熱布局，相信在不久后會看到這些項(xiàng)目相繼落地，讓綠氫規(guī)模的增加推動整個行業(yè)的成本下降。