捕获二氧化碳！低碳生活的“点石成金术”

捕获二氧化碳！低碳生活的“点石成金术”

出品：科普中国

出品方：智耀科学

制作方：中国科学院计算机网络信息中心

2021年8月23日，第三十一届全国节能宣传周上，“碳”概念牢牢占据中心位置，不仅“节能减碳、绿色发展”入选宣传主题，“碳达峰”“碳中和”“碳交易”“碳固定”等概念也被多次提及。

当前，我国正在不断完善绿色低碳政策和市场体系，力争2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和。实现碳中和的目标，一方面需要人们践行绿色低碳生活方式，减少碳排放；另一方面，也需要通过工程技术手段，对已经排放的碳进行合理处置。

2021年6月17日，国家发改委发布《国家发展改革委办公厅关于请报送二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）项目报告的通知》，将CCUS技术列为“碳回收”环节中的关键技术。此文件一经发布，在学术界和产业界引起不小轰动。

那么，CCUS 技术到底是什么？我们如何使用 CCUS 技术？它如何帮助实现碳中和？

再生碳的寿命

CCUS，全称是碳捕获、利用和封存技术。为了理解这项技术的意义，我们先来看看碳是如何度过它的“生命”的。

正如地球上的水以气体、液体和固体的形式在陆地、海洋和大气之间不断循环一样，地球上的碳元素也在生物圈、岩石圈、水圈和大气圈之间不断进行交换，并随着地球的运动而循环。

碳是一种常见而又奇妙的元素，它通过相互连接形成各种有机物质，进而演化出多种生命形态，生物活动和繁衍过程无不伴随着碳的代谢循环。

由于地球上元素的转化很少发生，碳在地球上基本是守恒的，任何涉及碳的物理化学过程都要从一个地方获得碳，并在过程结束后转移到另一个地方。

远古时期，未开化的人类第一次用火烧柴，就排放出了二氧化碳。后来的某个时间点，这些二氧化碳被森林吸收，成为森林木材的一部分。这些木材中的碳，要么被燃烧掉，重新进入大气，继续参与流动过程，成为“流动碳”；要么被埋藏在地下，逐渐碳化为化石燃料，进入岩石圈，成为“休眠碳”。这就形成了一个简单的“碳循环”过程。

碳在地球的循环路径及量级（红色部分为人类影响下的排放部分，黄色部分为自然界中的碳循环通量，白色数字代表储存的碳，单位为十亿吨碳）（图片来源：参考文献1）

在地球数万年的演化过程中，99.9%以上的碳元素变成了碳酸盐、煤炭、石油、天然气等物质，深埋在地下或沉入海洋，进入了“休眠”状态，不再参与循环。

但随着社会的不断发展，化石燃料的需求日益增加，深藏于岩石圈的“休眠碳”被大量开采和利用，重新进入大气环流，成为“流动碳”。自1965年以来，全球GDP的增长与二氧化碳排放趋势高度一致，可见化石能源的消耗促进了人类社会的发展。

二氧化碳排放量与GDP增长曲线（图片来源：参考文献2）

但随着化石燃料开采的加速，大气中温室气体浓度不断上升，1985年至2020年捕获二氧化碳！低碳生活的“点石成金术”，大气中二氧化碳浓度由1995年增加至2020年（注：ppm，百万分率），增幅为20%，年复合增长率为0.51%。

温室气体浓度上升导致气温明显上升，根据世界气象组织数据，2020年全球平均气温比1850年至1900年的年平均气温基准高出1.2±0.1℃，全球平均海平面上升速度达3.3±0.3毫米/年。

气温升高，海洋蒸发增加，大量水份输入大气，导致陆地局部地区短时间内降雨量突然增多，郑州的持续强降雨就是典型例子。温室效应加剧，环境稳定性降低，极端天气更加频繁，“百年不遇、千年不遇”的天气事件增多。

工业革命时期全球平均温差，以 1850 年至 1900 年平均气温为准（单位：℃）（图片来源：参考文献 2）

为防止情况进一步恶化，人类必须共同努力减少“移动碳”的含量。目前主要有两条路径：一是减少碳排放，从源头上减少“移动碳”；二是捕获、利用和封存更多的“移动碳”，使其能够被消耗和回收利用。后者指的就是CCUS技术。

什么是 CCUS：碳捕获、利用和储存技术

碳捕获、利用和封存技术（CCUS）的整个过程可以简单用四个词来概括：收集、运输、储存和使用。

“捕获”是指二氧化碳捕获，是将二氧化碳从工业生产、能源利用或大气中分离出来进行后续处理的过程。主要分为燃烧前捕获、燃烧后捕获、富氧燃烧、化学链捕获和直接从大气中捕获（DACCS）。

“运输”是指二氧化碳的输送，即通过管道、压缩运输等方式将捕获的二氧化碳运送到可用或封存地点的过程。

“封存”是指二氧化碳的储存，是将捕获的二氧化碳注入深层地质储层，使二氧化碳与大气长期隔绝，进入“休眠状态”。主要封存方式有陆地封存、海洋封存和碳酸盐固体封存。

“利用”是指二氧化碳的利用，是将捕获的二氧化碳通过工程技术手段实现资源化利用的过程，这也是“碳变宝”的关键一步。

此外，直接利用树木等生物一步到位固定二氧化碳的技术也被纳入CCUS技术的框架内，单独列为生物质利用过程（BECCS），以区别于其他的人工技术。

概括而言，CCUS技术可以将二氧化碳从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接利用或注入地层，将碳变为“资源”或“休眠”，实现永久性减排。