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CO2捕集与封存是碳中和的关键吗?
点击次数:188次 更新时间:2024/6/5 【关闭】
欧盟委员会态度坚定:碳捕集与封存(CCS)将在应对气候变化的斗争中发挥关键作用。但是CCS是如何工作的呢?这项技术有多普及?它的道路上有什么障碍?CNRS(法国国家科学研究中心The National Center for Scientific Research)新闻将带来详细报道。(本文最初发表于法国国家科学研究中心期刊《科学研究》第16期(法文))
欧盟委员会(European Commission)于2024年2月初发布了一份报告,为欧洲工业碳管理制定了广泛的指导方针,其中的核心信息之一是,如果我们要将全球变暖限制在1.5°C,我们将不得不依赖于CO2的捕集和封存。据欧盟委员会称,到2040年,碳捕集与封存(CCS)将是每年从大气中去除约2.8亿吨CO2的关键,到2050年,这一数字将上升至约4.5亿吨。这表明,欧盟对这种做法有多么依赖。然而,问题在于,正如几天后发表在《自然》杂志上的一篇文章所指出的那样,欧盟对这项技术的依赖并非没有危险。这是有充分理由的:CCS的推广遇到了许多障碍。
全球碳项目(一个旨在量化全球温室气体排放及其原因的组织)发布的2023年报告估计,人类活动(工业、交通、供暖等)造成的CO2排放量每年约为400亿吨。CO2是导致全球变暖的主要温室气体,据政府间气候变化专门委员会(IPCC)称,气温上升超过2摄氏度将导致海平面大幅上升,洪水、风暴和干旱等极端天气事件更加频繁。
捕集残留排放物
为了在2050年实现碳中和,IPCC重点关注两个主要解决方案:首先,通过减少能源消耗来减少排放,更有效地利用能源,并逐步用零碳能源(太阳能、风能、核能和潮汐能)取代大多数化石资源(石油、天然气等):其次,从工业烟气中去除CO2,甚至直接从空气中去除。
然而,后一种选择正在努力起步——迄今为止最大的设施每年只能捕集4000吨CO2,与全球年排放量相比,这只是沧海一粟。然而,从烟道气中直接去除碳,特别是生产各种材料所需的化学反应产生的碳,情况并非如此。例如,水泥厂排放的CO2中有三分之一是由窑内燃烧化石燃料产生的,其余三分之二是由水泥的主要原料石灰石的热分解产生的。
这些残余排放物可以被许多天然碳汇捕集,如海洋、森林或泥炭地,它们通过光合作用的生化过程将CO2以有机物的形式封存起来。然而,这些生态系统只捕集了今天CO2排放量的一半以上,这已经是一个巨大的数字了。但是,随着气候变化的加速,碳汇的效果可能会降低,特别是如果碳汇的表面积由于火灾、干旱以及自然和半自然土地被城市和其他人工开发(称为“土地占用”)而缩小的话。因此需要人工捕集CO2
“尽管到2050年,天然碳汇将能够减少80%的残余排放,但大多数专家认为,CCS将对剩余的20%至关重要,”参与CCS研究的南西(法国东北部)GeoRessources4实验室的研究教授Jacques Pironon说。
将烟囱气体埋在地下
具体来说,CCS旨在直接从烟囱中捕集烟气中所含的CO2,然后将其封存在地下。在实践中,“CCS有三个主要阶段:CO2的捕集、运输和封存,所有这些都基于特定的技术”,CO2俱乐部主席Florence Delprat-Jannaud解释说,该俱乐部促进了与CCS有关的行业和研究参与者之间的讨论和倡议。迄今为止,有三种主要的CO2捕集方法。“最成熟的是燃烧后,其目的是从燃烧产生的烟气中提取CO2。能源公司IFP énergies Nouvelles的设计工艺工程师Florent Guillou说:“石油和天然气行业已经使用了一个世纪。在这种方法中,CO2被胺基溶剂吸收,这些化合物可以与气体结合。
第二种方法是燃烧前捕集,“包括在燃料燃烧之前从燃料中去除CO2。这是通过将可燃物转化为由一氧化碳和其他气体组成的合成气,然后注入蒸汽,以便将部分能源转化为CO2,同时产生额外的氢气来实现的。最后,第三种方法是通过富氧燃烧捕集CO2,这是一种在需要燃烧的工业过程中使用纯氧而不是空气来燃烧燃料的技术。Florent Guillou解释说:“这产生的烟道气几乎只含有CO2和水蒸气,这很容易分离。”
回收利用油气田
Florence Delprat-Jannaud补充说,为了运输捕集的CO2,“气体被液化以减少其体积,然后通过管道、船舶、火车或卡车运送到封存地点”。接下来是封存阶段,“可以在深度超过800米的各种地下结构中进行,例如深层咸水含水层(多孔,渗透性岩石的床,饱和了不适合饮用的盐水),枯竭的油气田,以及玄武岩和橄榄岩等火成岩”。
对于Jacques Pironon来说,“以前的油田或气田是最容易实施的选择,因为CO2可以通过现有的井注入。此外,几十年来,石油工业一直在使用提高采收率的方法,即在油藏生命周期结束时向油藏中注入CO2,以降低碳氢化合物的粘度,从而更容易地回收它们。”然而,Florence Delprat-Jannaud强调,“含盐水层的数量要多得多,并提供了最大的封存能力”。据政府间气候变化专门委员会称,这些地质构造可能包含全球1万亿吨CO2,足以封存未来几个世纪我们排放的所有CO2
至于火成岩,“它们通过将CO2矿化成碳酸盐提供了长期的封存能力,换句话说,与深盐水层需要数十万年的时间相比,岩石在短短几年内就能迅速凝固和稳定”,正在研究这一选择的科学环境图卢兹实验室的研究教授Pascale Bénézeth指出。
CCS的大规模部署
事实上,CCS并不是一项新技术。“自20世纪90年代以来,欧洲已经支持了大量的试点研究项目,”Jacques Pironon说,他在2010年代初帮助评估了世界上第一个CO2捕集、运输和封存的综合产业链,在旧大陆的试验工厂进行了测试,该工厂由TotalEnergy在法国西南部拉克的工业基地开发。“今天,全球共有41个全链CCS项目。更好的是,欧洲首个商业运输和封存计划将很快启动并运行:挪威的北极光计划从2024年起每年在北海封存150万吨CO2,从2026年起增加到500万吨,”Florence Delprat-Jannaud高兴地说。
然而,她也发出了警告:“全球每年仅捕集约4500万吨CO2,而在十年的时间里,为了实现碳中和,需要捕集50到100倍的CO2。”因此,需要大规模部署CCS。例如,“以法国为例,其目标是到2050年每年封存1500万至2000万吨CO2,所需的地点数量当然取决于设施的容量,但以北极光项目的封存量为例,我们将需要大约10个这种类型的装置。我们还必须将它们与交通基础设施结合起来。”然而,不幸的是,CCS的部署受到许多障碍的阻碍。
在2016年发表的一篇论文中,由泽维尔·阿诺德·德·萨特(Xavier Arnaud de Sartre)领导的一个研究小组,他是法国西南部圣保罗大学(Université de Pau)能源与环境转型实验室的研究教授,根据新闻文章和社会科学研究,通过研究大约10个欧洲储能项目的具体案例,确定了几种类型的障碍。
社会、技术和政治障碍
一个有趣的发现是,CCS的部署受到人口接受度低的阻碍。研究人员指出:“然而,这个因素在延迟部署方面只起了很小的作用。”国民反对的部分原因是,如果过快注入CO2,有可能引发地震,或有可能发生CO2泄漏。”然而根据IPCC的说法,“地质封存是可靠的,总泄漏率低于每年0.001%”。根据Xavier Arnaud de Sartre团队的说法,CCS困难的另一个来源是它不够成熟。这位研究人员补充说:“在TRL(技术就绪水平)量表上,它评估一项技术的成熟度,直到它融入一个完整的系统并实现工业化,地质封存的排名在6-7之间(满分9分)。”
就捕集而言,“仍然需要提高现有技术的效率并降低其成本,特别是在能源消耗方面,”皮罗农认为。Florence Delprat-Jannaud指出,事实上,目前“使用CCS捕集、运输和封存每吨CO2的成本在80欧元到150欧元之间,而在欧洲市场上,每吨CO2的排放价值(如果超过授权限值,由工业运营商支付)约为90欧元”。在封存方面,精确识别潜在储层将是至关重要的。具体到火成岩选项,“挑战在于在法国确定一个最初的试验点。例如,卢旺达和新喀里多尼亚是需要评估的潜在目标。”巴黎地球物理学院(IPGP)地球物理研究所的研究员伊莎贝尔·马丁内斯解释说。

最后,Xavier Arnaud de Sartre和他的同事们的工作强调了减缓CCS部署的其他几个主要障碍:“关于所使用的技术和发展战略,各方缺乏共识:缺少一个经济模型来说明谁来支付封存费用:最后,对CCS的政治承诺薄弱。”关于最后一点,该团队在目前正在发表的其他研究中得出结论,“由于法国的去工业化和核电提供的无碳能源的重大发展,国家在脱碳方面的投资很少”。然而,正如Florence Delprat-Jannaud指出的那样,“为了应对气候变化,我们别无选择:我们必须大规模部署CCS。快点!”

来源: CCUS国家地方联合工程研究中心