COP26系列七｜CCUS：实现碳中和的“最后一公里”
如果”碳中和”行业要评选十大年度热词，CCUS 毫无疑问会跻身其中。这在某种程度上可能要归功于现任地球首富埃隆·马斯克（Elon Musk）。今年初，他在社交媒体上公开“悬赏”1亿美元，征选最佳碳捕集技术。
Elon Musk 的社交媒体发言
马斯克这里提到的 Carbon Capture（碳捕集）正是全球热议的碳中和技术的重要一环。这一技术完整表述是碳捕集、利用和储存（Carbon Capture Use and Storage, CCUS），即把发电和工业生产过程中排放的 二氧化碳，或是空气中的二氧化碳进行捕集之后，对其进行再利用或永久封存，以此实现碳减排的过程。
©️ IEA 2020
事实上，在经历了几年的“低潮”之后，CCUS 确实在2021年迎来了强大的上升之势，成为本届 COP26上各国代表和专家研讨的高频词之一。根据国际能源署 （IEA） CCUS 小组领导人 Samantha McCulloch 最新发表的评论文章， 2021年，CCUS 技术取得了前所未有的进展。迄今为止，全球各地已宣布将建设100多个新的 CCUS 设施，全球管道工程项目的推进也有望让碳捕集能力翻两番。
2021年全球正在开发的 CCUS 项目中，美国占据了68%，其次为欧洲（60%），中国目前是10%。
数据与图片来源：https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/global-ccus-projects-in-development-by-region-or-country-2021
在 IEA 看来，“想要实现净零，如果没有 CCUS，几乎是不可能完成的任务。” 目前，全球每年二氧化碳的捕获能力约为4000万吨。然而，若要达成2050年实现净零排放的目标，根据 IEA 的数据预测，全球每年二氧化碳的捕获能力到2030年时需要增加至16亿吨。
01
实现“碳中和”的最后一公里
IEA 在2020年9月发布名为《Special Report on Carbon Capture Utilisation and Storage》报告，其中总结道，CCUS 技术可以在以下几个方面发挥至关重要的作用：
首先，解决现有能源基础设施的排放问题，也就是以 CCUS 技术去改造现有的发电厂和工业厂房。
其次，为一些最具挑战的排放提供解决方案，尤其是在工业领域。CCUS 是水泥行业实现深度减排几乎唯一可行的技术路径，也是减少钢铁和化工行业排放最具成本效益的方案之一。
第三，CCUS 是获取 “低碳氢”（蓝氢）的重要途径。
©️ RFF
👉 在上一篇 COP26系列推文《氢能会成为解决气候问题的最后一块拼图吗？》中，我们也为大家详细介绍了氢能的重要作用。
第四，CCUS 还可以清除大气中的碳。
⬆️ 我们也曾经在《我们能想到的终极浪漫：下一枚钻戒，用二氧化碳做吧》这篇推文中，为大家介绍过全球目前非常热门的 DAC （直接空气捕获）技术以及 CCUS 的一些创新应用。
从碳中和的实现路径来看，可以说，CCUS 正是实现“碳中和”最后一公里的利器。
02
碳的72变
从技术发展来看，CCUS 的一些应用已经得到广泛部署，其中包括合成氨生产和天然气加工中过程中对二氧化碳的化学吸收、在化肥（尿素）生产中使用二氧化碳、二氧化碳驱油（Enhanced Oil Reovery，提高石油采收率）等。但是根据 IEA 的评估，这类成熟技术仅占 CCUS 技术的2%左右，绝大部分 CCUS 技术尚处于演示阶段（Demonstration）和原型（Prototype）阶段。
©️ IEA 2020
将二氧化碳作为原料资源化循环利用，能产生更高的经济效益，是当前 CCUS 中“U”的重要创新方向。目前，全球每年约可以循环利用2.3亿吨的二氧化碳。最大的“消费者”是化肥行业，该行业每年使用1.25亿吨二氧化碳，主要作为尿素的原料。
从目前的技术发展趋势来看，二氧化碳的利用主要集中在以下三大方向：
（1）化学品：二氧化碳中的碳可以作为化石燃料的替代品，用于生产需要碳提供结构的化学品，包括聚合物和初级化学品等。化工巨头科思创 （Covestro）在这方面作出了积极探索，其在德国 Dormagen 经营一个每年生产约5000吨聚合物的工厂，生产过程中20%的化石燃料可以由二氧化碳替代。
这座工厂被称为“梦幻工厂” ©️ Covestro
（2）燃料：二氧化碳中的碳可用于将氢气转化为合成碳氢化合物燃料。目前，位于冰岛的 George Olah 工厂每年利用可再生电力，可以将大约5600吨二氧化碳转化为4000吨甲醇。
George Olah 工厂 ©️ greenbyiceland
（3）建材：二氧化碳可用于建筑材料的生产，以取代混凝土中的水。这种工艺称为二氧化碳固化（CO2 Curing），或作为其成分（水泥和建筑骨料）中的原材料。
CarbonCure 水泥车 ©️CarbonCure
👉 在上一篇低碳建材推文《COP26系列五｜2050年的人类将如何“搬砖”？》中，我们就曾经介绍过多种利用二氧化碳实现“碳中和”乃至“负碳”的水泥。CarbonCure、Solidia 和 CarbiCrete 都开发出了 CCUS 水泥工艺。CarbonCure 还因此获得了2021年的 XPRIZE 碳去除（XPRIZE for Carbon Removal）专项奖，也就是文初提到的马斯克基金会提供1亿美元的那个大奖。
CO₂利用转化后衍生产品举例 ©️Lux Research
03
碳的“吃货版”应用
除了工业应用之外，逐年增多的创新案例和实验室成果也为行业带来了激动人心的启发。小博为大家特意收集了一些脑洞大开的“吃货版”应用。
💨 二氧化碳变身11亿罐可乐
根据今年7月中央电视台经济频道报道，上海石化通过回收生产过程中产生的废弃二氧化碳并提纯，一年向社会提供约10万吨食品级二氧化碳。
该公司化工部乙二醇联合装置的副产物中有大量二氧化碳。通过碳捕捉将废弃的二氧化碳收集起来，再经过进一步提纯加工，获得纯度超过99.99%的食品级二氧化碳。这些二氧化碳继而会出现在可口可乐上海工厂的流水线上，并最终伴随着一瓶瓶可乐到达消费者手中。
据悉，可口可乐上海工厂每年向上海石化采购约1万吨食品级二氧化碳产品，可满足11亿罐可乐产品的生产需求，上海石化则实现750万元销售收入。
可乐上海工厂流水线场景 ©️ China Daily
💨 合成淀速率约是玉米8.5倍的“空气淀粉”
今年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队首次实现了利用二氧化碳人工合成淀粉，其科研成果发表在了国际权威学术期刊《科学》，取得了国际意义上的突破性进展。
刊登该成果的学术期刊《科学》官网页面 ©️ Science
此成果只需要11步核心生化反应，就可以完成从二氧化碳到淀粉的转化。其中的关键一步就是二氧化碳与氢气结合变成甲醇。在这项研究中，人工合成淀粉的速率是自然渠道玉米淀粉合成速率的8.5倍，为实现高效的工业化淀粉生产提供了可能性。
这一生物应用技术为碳捕集和利用提供了全新的循环方案。让排放在空气中的碳回到生产生活的循环中，不仅可以回收利用二氧化碳，还能生产人类赖以生存的食粮，为低碳生物经济发展打造了新循环雏形。
💨 火星定居“专供”：二氧化碳变糖
研究二氧化碳在的应用不仅能够解决地球变暖问题，还可以为深度探索太空提供基础生存条件，NASA 二氧化碳转化大赛就是将二氧化碳与太空技术结合的激励性竞赛。今年，著名华人科学家杨培东团队的二氧化碳制糖，斩获了该大赛的最高奖。
此项成果利用二氧化碳循环利用，为非生物糖生产打开了一扇门，提出了实现可再生糖生产的方法，也为二氧化碳转化为更复杂化学品的过程拓展了可能性。
转化过程现场图 ©️ University of California, Berkeley
多年来杨培东一直致力于人工光合作用研究来解决地球气候变暖的问题，产生相关技术也同样可以解决深太空探索难题。尤其是火星上的应用，在这个上面 96% 的气体都是二氧化碳的星球，解决人类所需的东西都能在太空当地合成的需求，二氧化碳制糖将是未来最大的应用场景。
💨 荣登“世界百大发明”的太阳能蛋白粉
芬兰食品技术公司 Solar Foods 推出了突破性的空气蛋白 Solein，这是一种独特的单细胞蛋白质，生产过程类似于酵母或乳酸菌的自然发酵，将活微生物放入液体，通过电力与水产生二氧化碳及氢气泡沫，之后微生物会制造出蛋白质。
Solein 的味道和外观接近小麦粉，可添加到各种食品中和制作各类食品，包括用作营养成分，生产替代肉或培养肉，作为动物蛋白和植物蛋白的替代品。
太阳能+二氧化碳制成的 Solein 蛋白粉 ©️SolarFood
该蛋白粉目前每公斤成本约5欧元（约合人民币38元）。研究团队表示，随着技术成熟成本降进一步降低。它将在未来十年内在价格上与大豆蛋白竞争，这可能是解决与农业和畜牧业相关的环境问题的最佳方法。
04
结语
除了以上“吃货派”的利用方式，“行动派”的利用方式也从交通、建筑等领域给出了解题思路。比如，日本企业就正在研发以二氧化碳作为燃料原材料，却在航行中不会产生二氧化碳排放的“零碳排”船舶🚢。
尽管这一切听起来非常具有诱惑，但需要注意的是，如 IEA 报告中指出，在产品中使用二氧化碳不一定能减少排放。量化潜在的气候效益（Climate Benefits）是复杂和具有挑战性的，需要采用生命周期分析的方法。
Makeable 紧密跟随 COP26的脚步，推出一系列与气候变化和碳中和相关的内容，从理论历史、科学进展、企业行动、气候创新和零碳/低碳创新技术等方面，多角度地呈现不同立场的思考与实践。本文为本系列第7篇，欢迎点击文末阅读更多了解。
部分撰文：姚异姚
参考资料：
《一本书读懂碳中和》。安永碳中和课题组
https://www.iea.org/commentaries/carbon-capture-in-2021-off-and-running-or-another-false-start
https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/global-ccus-projects-in-development-by-region-or-country-2021
https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-11-04/climate-pledges-curb-warming-to-1-9-degrees-cop26-update
https://iea.blob.core.windows.net/assets/181b48b4-323f-454d-96fb-0bb1889d96a9/CCUS_in_clean_energy_transitions.pdf
https://content-static.cctvnews.cctv.com/snow-book/index.html?item_id=87447241726132496&t=1634882367062&toc_style_id=feeds_default
https://www.weforum.org/agenda/2021/10/what-if-we-saw-co2-not-as-an-enemy-but-an-ally/
https://m.guokr.com/article/460351
https://mp.weixin.qq.com/s/sbfLrpYup-PoKMVzkwtVVg
https://mp.weixin.qq.com/s/tbQaU4vNXwFtNTQykl12Dw
https://www.jgc.com/en/news/2020/20200716.html
https://weekly.caixin.com/2021-10-30/101793718.html
点击，阅读更多