碳中和技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)布局

近日，碳中和產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新大會在南京舉行。兩院院士、行業(yè)專家匯聚一堂，解讀碳中和領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)問題、探討行業(yè)未來發(fā)展趨勢，積極為推動碳中和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展建言獻(xiàn)策。本版整理了部分專家觀點(diǎn)進(jìn)行分享，敬請關(guān)注。

 

CCUS正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痉?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

 

“中國石化聯(lián)合殼牌、巴斯夫、寶武等企業(yè)，在華東地區(qū)開展國內(nèi)首個(gè)開放式千萬噸級CCUS（碳捕集、利用與封存）研究項(xiàng)目，聚力推動華東地區(qū)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)脫碳，助力區(qū)域綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。”中國石化黨組書記、董事長馬永生在大會上的發(fā)言透露出一條重要信息：CCUS正在實(shí)現(xiàn)規(guī)?；痉逗彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

 

中國工程院院士、中國石油科學(xué)技術(shù)協(xié)會主席孫龍德介紹，自2015年《巴黎協(xié)定》簽署以來，全球CCUS產(chǎn)業(yè)迎來歷史性轉(zhuǎn)折，步入了經(jīng)濟(jì)效益與社會效益并重、雙輪驅(qū)動的快速發(fā)展軌道，實(shí)現(xiàn)了顯著增長。

 

截至今年上半年，全球范圍內(nèi)已投入運(yùn)行的CCUS項(xiàng)目總數(shù)達(dá)到89個(gè)，每年可捕集二氧化碳約5600萬噸。這些項(xiàng)目不僅在數(shù)量上持續(xù)增長，而且在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重要突破。捕集碳源逐步從傳統(tǒng)的石油化工領(lǐng)域向電力、水泥、鋼鐵等更多高排放行業(yè)拓展，封存技術(shù)也日趨成熟，特別是咸水層二氧化碳封存技術(shù)深入發(fā)展，為CCUS規(guī)?；瘧?yīng)用開辟了新路徑。

 

我國CCUS技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛。截至2022年底，全國范圍內(nèi)已投入運(yùn)行的CCUS項(xiàng)目12個(gè)、在建項(xiàng)目接近100個(gè)，形成了多點(diǎn)開花、全面布局的良好局面。

 

中國石油早在1965年就在大慶油田建設(shè)CCUS項(xiàng)目，累計(jì)封存二氧化碳720萬噸，還在巴西開展了兩個(gè)400萬噸級以上的封存項(xiàng)目，并在海南成功實(shí)施了國內(nèi)首個(gè)咸水層二氧化碳注入項(xiàng)目，為CCUS技術(shù)的國際化應(yīng)用與合作樹立了典范。

 

中國工程院院士、中國石化首席科學(xué)家李陽介紹，中國石化積極推動CCUS技術(shù)發(fā)展，已建成一個(gè)平臺（CCUS重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），正在推進(jìn)兩項(xiàng)工程（勝利油田驅(qū)油封存項(xiàng)目、華東地區(qū)國內(nèi)首個(gè)開放式千萬噸級CCUS研究項(xiàng)目）。

 

二氧化碳驅(qū)油與封存協(xié)同技術(shù)是中國石化的一大亮點(diǎn)，能夠高效利用捕集的二氧化碳進(jìn)行油田驅(qū)油作業(yè)，提高油氣采收率。中國石化與殼牌、巴斯夫、寶武等企業(yè)聯(lián)合開展的開放式千萬噸級CCUS研究項(xiàng)目，匯聚多方優(yōu)勢資源，探索經(jīng)濟(jì)可行的商業(yè)模式，將為全球CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要參考和借鑒。

 

在技術(shù)推廣方面，中國石化不斷優(yōu)化完善不同排放源的捕集技術(shù)、管道輸送技術(shù)，以及二氧化碳驅(qū)油和封存技術(shù)，將進(jìn)一步降低CCUS項(xiàng)目成本、提高經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)市場競爭力。此外，中國石化重點(diǎn)研究的二氧化碳驅(qū)水與封存的協(xié)同技術(shù)，對于我國缺水地區(qū)具有重要意義。

 

中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)化學(xué)工程系教授費(fèi)維揚(yáng)提出，目前低濃度二氧化碳捕集技術(shù)受高昂成本限制，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。2014年，加拿大建成了100萬噸/年低濃度二氧化碳捕集驅(qū)油項(xiàng)目，到2022年仍未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這一實(shí)例顯示出當(dāng)前低濃度二氧化碳捕集技術(shù)在實(shí)踐中的瓶頸，也揭示了深入研究和創(chuàng)新的必要性。

 

低濃度二氧化碳捕集技術(shù)的發(fā)展對于我國的意義尤其重大。我國燃煤電廠煙道氣中二氧化碳的濃度僅在12%左右，但排放總量大，接近全國二氧化碳排放量的50%。據(jù)國際能源署（IEA）估算，燃煤電廠實(shí)施CCUS技術(shù)的捕碳成本約為每噸60美元，這一數(shù)字凸顯了開發(fā)大型化、低成本且安全可靠的CCUS技術(shù)的緊迫性。

 

國內(nèi)外的眾多研究表明，化學(xué)吸收法因相對成熟的技術(shù)體系和經(jīng)濟(jì)性備受市場關(guān)注。目前，清華大學(xué)已成功開發(fā)了再生能耗較低的新型復(fù)合化學(xué)溶劑，而且針對捕集設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化、填料性能提升等制約工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素進(jìn)行了廣泛探索。這些研究成果逐步應(yīng)用后，有望為低濃度二氧化碳捕集技術(shù)的成本降低和效率提升提供有力支持。

 

在二氧化碳捕集設(shè)備的研發(fā)與優(yōu)化上，華東理工大學(xué)取得了突破性進(jìn)展。中國工程院院士、華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院院長汪華林介紹，研究核心在于利用旋流器強(qiáng)化二氧化碳捕集效率。在洗滌、吸收、再生和轉(zhuǎn)化過程中，通過旋流器和現(xiàn)有設(shè)備結(jié)合，不僅能降低捕集能耗，而且可將設(shè)備占地縮減至現(xiàn)有的1/5。例如，用旋流器代替現(xiàn)在的吸收塔，可以把100萬噸/年二氧化碳捕集裝置關(guān)鍵設(shè)備的高度從原來的40~50米大幅降至10米甚至8米，實(shí)現(xiàn)設(shè)備緊湊化與高效化的雙重目標(biāo)；結(jié)合旋流器技術(shù)，能有效降低再生過程所需的溫度，進(jìn)一步節(jié)約能源成本；旋流器與過濾器的創(chuàng)新組合技術(shù)，可使二氧化碳分離精度達(dá)到微米級，提高捕集純度，且成本僅為膜分離技術(shù)的1/3~1/5，為二氧化碳捕集技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性開辟了新路徑。

 

中國石化碳科公司黨委書記、董事長葉曉東介紹，我國碳排放企業(yè)廣泛分布、地域跨度大且相對分散，急需探索二氧化碳化工利用、礦化利用的實(shí)現(xiàn)路徑，搶占綠色轉(zhuǎn)型先機(jī)，引領(lǐng)行業(yè)向低碳環(huán)保方向發(fā)展。今年5月8日，由碳科公司牽頭的10萬噸/年二氧化碳化學(xué)鏈礦化利用技術(shù)工業(yè)示范項(xiàng)目通過工藝包審查。該項(xiàng)目采用新型二氧化碳化學(xué)鏈礦化利用技術(shù)，二氧化碳吸收率大于90%，在實(shí)現(xiàn)永久固碳的同時(shí)，可解決傳統(tǒng)礦化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差、無法大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的難題，已入選國家發(fā)展改革委首批《綠色低碳先進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目清單》。

 

圍繞CCUS的未來發(fā)展，李陽介紹了中國石化的整體部署。一是致力于研發(fā)并構(gòu)建一系列低能耗、低成本的捕集技術(shù)體系，涵蓋前沿領(lǐng)域，如直接空氣捕集、捕集與轉(zhuǎn)化一體化技術(shù)，以及化學(xué)與生物轉(zhuǎn)化技術(shù)的深度融合創(chuàng)新，從源頭降低碳捕集的成本與能耗。二是積極構(gòu)建源匯優(yōu)化的驅(qū)油封存中心，通過科學(xué)規(guī)劃與優(yōu)化布局，實(shí)現(xiàn)二氧化碳高效捕集與封存利用，特別是與石油開采深度融合，既促進(jìn)油氣資源開發(fā)，又推動實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。三是攜手國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和組織，共同發(fā)起組建CCUS國際封存技術(shù)創(chuàng)新合作組織，加強(qiáng)國際間交流與合作，共同應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，持續(xù)推動CCUS技術(shù)進(jìn)步，并創(chuàng)新探索國際合作模式。

 

“電-氫-儲”聯(lián)動期待變革性技術(shù)

 

中國科學(xué)院院士、重質(zhì)油全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任徐春明介紹，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是必然的，未來以可再生電力為主的綠電、綠氫的應(yīng)用將成為必然發(fā)展趨勢，同時(shí)也將帶來新的技術(shù)路線和需求，特別是以綠電烯和綠電氨為主要內(nèi)容的綠電驅(qū)動的化工過程。

 

隨著新技術(shù)和需求的產(chǎn)生，變革性的工藝和路線也會相繼出現(xiàn)。徐春明提到，如今話題大熱的電烯過程備受國內(nèi)外關(guān)注，其采用電加熱替代傳統(tǒng)燒油燒氣的加熱方式，可顯著降低乙烯生產(chǎn)能耗?，F(xiàn)在每生產(chǎn)1噸乙烯需要消耗0.5~0.6噸燃料油，并排放二氧化碳。如果能以簡便快速的綠電加熱替代常規(guī)加熱爐供熱，就可以非常靈活地將很多低價(jià)值的副產(chǎn)品，如丙烷、低碳烴、芳烴等轉(zhuǎn)化成丙烯、乙烯、丁二烯等，不但有減碳的貢獻(xiàn)，而且在成本上有競爭優(yōu)勢。但實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變面臨諸多挑戰(zhàn)，包括傳熱機(jī)制、裝備材料的革命性變化，以及電磁強(qiáng)化功能的研發(fā)與新裝備的設(shè)計(jì)制造等。

 

綠電氨也是當(dāng)前重要的研發(fā)方向。傳統(tǒng)合成氨能耗高、排放大，新路線探索采用電熱水結(jié)合煙氣變壓吸附技術(shù)，這個(gè)過程可以不消耗任何化石能源，完全利用綠電，將原來高能耗、高排放的過程轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芎纳踔翛]有排放的綠色過程。合成氨可以作為儲氫的介質(zhì)，也可以作為液體綠色燃料。如果打通這個(gè)化工過程，將為綠電的大規(guī)模消納和綠電氨生產(chǎn)提供新的變革性技術(shù)。目前，1萬噸/年綠電綠氫生產(chǎn)合成氨示范項(xiàng)目正在建設(shè)中。

 

徐春明說，氫能將在未來能源生產(chǎn)和消費(fèi)中扮演重要角色，氫能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也非常重要。上游制氫環(huán)節(jié)有化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫等方式，其中，綠電制氫過程不會排放溫室氣體，且得到的氫氣純度高，是未來制氫的主要方向。中游儲運(yùn)加氫環(huán)節(jié)，無論是高壓氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)儲氫，還是管道輸氫，都比較依賴制氫和用氫的場景。下游用氫環(huán)節(jié)，燃料電池是重要的應(yīng)用場景。目前，我國已初步掌握了燃料電池電堆、動力系統(tǒng)、核心部件、整車集成技術(shù)。其中，電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但多以集成生產(chǎn)為主，動力系統(tǒng)及整車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，配套廠家較多且生產(chǎn)規(guī)模較大，但核心部件對外依賴度較高，這也是當(dāng)前制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

 

中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在氫能方面也做了一些基礎(chǔ)研究，如固態(tài)儲氫方面，針對金屬氫化物做了一些前期工作，其中核心的儲氫罐可在低壓和常溫下實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的儲氫；氫冶金方面，以氫氣為還原劑的短流程路線則可以大幅減少碳排放。

 

電能和氫能的前景雖然廣闊，但其波動性也會導(dǎo)致新的問題。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模消納和利用，電網(wǎng)級儲能及新儲能方式至關(guān)重要。傳統(tǒng)儲能方式受地域限制，需采取靈活智能手段與化工耦合。大規(guī)模儲能成本高昂，液流電池成為首選。全釩液流電池已商業(yè)化，但成本和可靠性仍需優(yōu)化。徐春明認(rèn)為，未來鐵-鉻液流電池可為大規(guī)模儲能提供低成本新選擇，實(shí)現(xiàn)“電-氫-儲”聯(lián)動，從根本上推動實(shí)現(xiàn)低碳或無碳能源。

 

碳金融成為市場驅(qū)動下的減排新動力

 

碳排放權(quán)具有金融資產(chǎn)屬性。

 

2023年，美國電動汽車制造商特斯拉依靠賣碳排放積分獲得了17.9億美元，創(chuàng)歷史新高。2023年，碳科公司與系統(tǒng)內(nèi)32家企業(yè)簽訂代理協(xié)議，通過碳排放權(quán)交易（簡稱：碳交易）幫助系統(tǒng)內(nèi)控排企業(yè)按時(shí)履約，有效降低了成本。

 

今年8月2日，碳中和產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新大會發(fā)布了中國石化首批碳金融專項(xiàng)貸產(chǎn)品，最大限度為控排企業(yè)提供更加貼近、精準(zhǔn)、持續(xù)、便捷的融資服務(wù)。

 

我國碳市場由全國碳排放權(quán)交易市場（簡稱：強(qiáng)制碳市場）和全國溫室氣體自愿減排交易市場（簡稱：自愿碳市場）組成。兩個(gè)碳市場既各有側(cè)重、獨(dú)立運(yùn)行，又互補(bǔ)銜接、互聯(lián)互通，共同構(gòu)成了全國碳市場體系。

 

碳排放權(quán)交易市場參與主體目前主要是具有控制溫室氣體排放法律義務(wù)的排放企業(yè)，由政府向這些企業(yè)分配碳排放配額，并規(guī)定企業(yè)向政府清繳與其實(shí)際排放等量的配額。清繳后的盈余配額可以通過強(qiáng)制碳市場交易獲益，配額不足的則需要購買，從而實(shí)現(xiàn)激勵(lì)先進(jìn)、約束落后的政策導(dǎo)向。

 

目前我國強(qiáng)制碳市場發(fā)展情況究竟如何？全國強(qiáng)制碳市場、上海環(huán)境能源交易所股份有限公司總經(jīng)理劉杰先介紹，我國開啟強(qiáng)制碳市場3年來，碳現(xiàn)貨成交量保持全球第一。2023年成交量較2021年增長了23%，配額交易和現(xiàn)貨交易超過歐盟、韓國。二氧化碳排放權(quán)開盤價(jià)人民幣48元/噸，最低下探到40元/噸，今年4月達(dá)到最高價(jià)104元/噸。

 

5月1日，《碳排放權(quán)交易管理暫行條例》正式實(shí)施。上海環(huán)境能源交易所將據(jù)此進(jìn)行所有交易規(guī)則包括配套制度的完備，同時(shí)拓展市場功能，在未來兩三年，將包括鋼鐵、石化在內(nèi)的行業(yè)逐步引入全國強(qiáng)制碳市場，還將開展衍生品探索，交易主體也會引入大型投資機(jī)構(gòu)。同時(shí)，綠色供應(yīng)鏈體系標(biāo)準(zhǔn)制定等工作也在有條不紊地推進(jìn)。2023年，已推出兩個(gè)氫能方法學(xué)，目前正在申請相關(guān)機(jī)制。

 

自愿減排交易市場的目的是鼓勵(lì)各類主體自主自愿地開展額外的溫室氣體減排行動，產(chǎn)生的減排效果經(jīng)過科學(xué)方法量化核證后，通過市場出售，獲取相應(yīng)的減排貢獻(xiàn)收益。自愿減排項(xiàng)目需要滿足額外性、真實(shí)性、唯一性三個(gè)條件，且自愿減排交易必須是有已經(jīng)發(fā)布的方法學(xué)量化核證后的減排效果。

 

今年1月22日，全國溫室氣體自愿減排市場啟動。北京綠色交易所有限公司董事長王乃祥介紹，北京綠色交易所承建了全國統(tǒng)一的自愿碳市場，已形成了“1+1+4”的制度體系和“2+2+N”的管理機(jī)構(gòu)。目前，CCER（國家核證自愿減排量）首批方法學(xué)已發(fā)布4個(gè)，今后隨著需求增長還會繼續(xù)發(fā)布。

 

“要建設(shè)更加有效的自愿減排市場，就必須開展多元化主體的探索，擴(kuò)大規(guī)模、擴(kuò)大參與主體、拓展消納渠道。”王乃祥說。