碳利用的案例
2022年中國碳捕集、利用與封存（CCUS）行業洞察報告
CCUS是溫室氣體減排的關鍵技術，其發展對于促進化石能源的高效利用、如期實現“雙碳”目標愿景具有重要意義。目前，我國CCUS仍處于發展早期，部分先進技術尚處于研究階段。未來，隨著政策支持不斷、關鍵技術逐步成熟以及各行業巨大減排需求拉動，我國CCUS將向著低成本、商業化、集群化方向發展，產值規模有望在2050年突破3,000億元。
發展概況
CCUS定義
碳捕集、利用與封存（Carbon Capture, Utilization and Storage，簡稱 CCUS）是指將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接加以利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程[1]。按照技術流程，CCUS主要分為碳捕集、碳運輸、碳利用、碳封存等環節。其中，碳捕集主要方式包括燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒等；碳運輸是將捕集的CO2通過管道、船舶等方式運輸到指定地點；碳利用是指通過工程技術手段將捕集的CO2實現資源化利用的過程，利用方式包括礦物碳化、物理利用、化學利用和生物利用等；碳封存是通過一定技術手段將捕集的CO2注入深部地質儲層，使其與大氣長期隔絕，封存方式主要包括地質封存和海洋封存。
政策環境：政策助力CCUS技術推廣和示范工程建設
CCUS是目前實現大規模溫室氣體減排的重要技術手段。短期內，我國以石油、煤炭等化石能源為主的能源結構難以改變，發展CCUS可促進化石能源的高效利用，加快傳統高排放行業的轉型發展，對我國實現“雙碳”戰略目標具有重要意義。近年來，我國出臺了一系列政策促進CCUS發展，具體內容包括推動CCUS示范工程建設、加強CCUS技術推廣示范、將CCUS納入綠色債券目錄等。
展開 碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
圖4 富氧燃燒碳捕集原理圖及其主要特征(上)富氧燃燒捕集技術(下) 圖源/MAN Energy Solutions
3.燃燒前捕集
燃燒前捕集是指在燃燒前去除CO2。首先，水蒸汽甲烷重整或氣化(如天然氣、煤或生物質)產生合成氣。隨后，合成氣發生水-氣變換反應將一氧化碳和水轉化為氫氣和CO2。CO2濃度高且可被分離，而剩余氫氣作為燃料使用。
圖5 燃燒前碳捕集原理圖及其主要特征(上)燃燒前捕集技術(下) 圖源/ MAN Energy Solutions
碳利用
捕集的CO2可作為原料應用于眾多工業流程。但這些機遇的開發需要基礎設施設計師、生產商和運營商在基礎設施領域更緊密合作。
1.碳輸送
CO2在捕集后輸送至工業用戶或封存地點。鹿特丹港正在建立一個收集網絡以整合和分配CO2。大多數CO2排放者缺乏管理排放的專業知識。而這里公用事業公司可以介入，因為發電廠是最大的排放源，所以必須采取行動。公用事業公司可以結合CO2捕集方面的專業知識與自建帶有CO2輸配功能的工業中心，將提供碳管理作為一種服務。
圖6 Porthos項目:全范圍二氧化碳管理 圖源/MAN Energy Solutions
2.碳利用
CO2利用是指在工業或化工流程中直接或間接使用CO2生產有價值的含碳產品。并非所有的利用方案都能永久去除CO2，多數方案仍需要大量的可再生能源。
圖7 二氧化碳利用路徑 圖源/MAN Energy Solutions
碳封存
碳封存是將CO2儲存在油氣田或鹽堿含水層等地表下，該技術可追溯到20世紀70年代。
展開 CCUS新技術：我國碳捕集利用與封存技術發展研究丨中國工程科學
本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期
作者：張賢，李陽，馬喬，劉玲娜
來源：我國碳捕集利用與封存技術發展研究[J].中國工程科學,2021,23(6):70-80.
編者按
碳捕集利用與封存是將二氧化碳從能源利用、工業過程等排放源或空氣中捕集分離，通過罐車、管道、船舶等輸送到適宜的場地加以利用或封存。碳捕集利用與封存技術，可以實現化石能源利用近零排放，促進鋼鐵、水泥等難減排行業的深度減排，而且在碳約束條件下，可以增強電力系統靈活性、保障電力安全穩定供應、抵消難減排的二氧化碳和非二氧化碳溫室氣體排放，是實現碳中和目標不可或缺的重要技術選擇。
中國工程院李陽院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第6期發表《我國碳捕集利用與封存技術發展研究》一文，對我國碳捕集利用與封存技術水平、示范進展、成本效益、潛力需求等進行了全面評估。文章指出，我國碳捕集利用與封存技術發展迅速，與國際整體發展水平相當，目前處于工業化示范階段，但部分關鍵技術落后于國際先進水平。在工業示范方面，我國具備了大規模捕集利用與封存的工程能力，但在項目規模、技術集成、海底封存、工業應用等方面與國際先進水平還存在差距。在減排潛力與需求方面，我國理論封存容量和行業減排需求極大，考慮源匯匹配之后不同地區陸上封存潛力差異較大。
展開 深度解析：碳捕集、利用與封存（CCUS）技術工藝及其適用性
CO?利用
CO?的資源化利用方式主要有：化工利用、生物利用和礦化利用。
CO?的化工利用是指以CO?為原料，與其他物質發生化學轉化，產出附加值較高的化工產品，如甲醇、碳酸鹽、乙酸、乙醇等。但由于CO?是一種惰性氣體，需要大量能量才能使其發生化學反應，這意味著將其轉化為其他產品的成本可能會很昂貴，克服這個問題就需找到不需要消耗大量能量的產品，或者找到轉換CO?的低能耗方法。化學轉化產品涉及多個領域，可轉化二氧化碳量級在十萬噸/千萬噸級。
CO?生物利用技術是指，通過模擬自然界中植物和微生物等的自然光合作用過程，設計和構建出全新的人工光合體系與路徑，從而將CO?更加高效地轉化為合成化學品和農業產品。目前微藻固碳技術是被廣泛關注的方法，主要以微藻固定CO?轉化為液體燃料和化學品、生物肥料、食品和飼料添加劑等。
此外，受天然生物固碳的啟發，解析天然生物固碳酶的催化作用機理，融合各類技術創建了全新的人工固碳酶和固碳途徑。在眾多的碳利用技術中，融合合成生物學手段的人工生物轉化CO?技術扮演著尤其重要的角色:一方面實現高效的人工生物固碳，能夠有效減少溫室氣體的排放量，加快向碳中和轉化的推進步伐;另一方面還為解決糧食安全、太空探索等重大課題提供了關鍵思路。但該類技術距離商業化落地至少還需10年的時間。
展開 
保證人類零碳未來的托底技術 ——碳捕集利用與封存（CCUS）技術路線利弊分析
撰文 | 張書銘
編輯 | 郭郭
環球零碳
碳中和領域的《新青年》
摘要：為了在2050年實現零碳排放，碳捕集利用與封存（CCUS）技術起到至關重要的托底作用。最近，使用固體吸附劑的二氧化碳捕集技術吸引了極大的關注，如鈣基固體吸附劑和生物炭等。IEA預估利用CCUS技術，從2017年到2060年可以減少280億t的CO2排放。巨大的期望會驅使著下一代碳捕集技術在材料的創新、工藝或設備的改進，最終將使得投資運營成本降低并投入商業化發展。
CCUS新技術--礦化：跟我一起探索碳捕集利用與封存方向的突破性技術！
碳捕獲、利用和儲存 (CCUS) 是我們尋找的產品組合中最重要的技術之一。今天介紹的這個技術來自國外，這是在30多個CCUS項目正在進行實踐中，廠家也正在測試的技術將為2030年以后的業務脫碳奠定基礎。
最令人興奮的 CCUS 技術之一被稱為“礦化”，或將 CO 2鎖定在礦物質中。研發單位正在與意大利能源公司 Eni 合作，推進他們的碳捕獲產品組合，將人們運營中產生的 CO 2重新用于生產的綠色水泥。Eni 正在將其碳捕獲和礦化專業知識用于將 CO 2儲存到橄欖石中，橄欖石是一種廣泛使用的礦物。研發單位的創新中心的研究人員正在探索使用這種碳酸化橄欖石作為一種新的低排放原材料來配制我們的綠色水泥。
創新和技術發展是成功應對能源轉型挑戰的戰略關鍵，它將利用 Eni 的研發專業知識和 Holcim 的經驗。通過為難以減排的行業提供合適的解決方案，這項技術使人們能夠加快脫碳進程。Holcim 和 Eni 的全球運營，加上 olivine 在全球范圍內的廣泛可用性，將使該 CCUS 解決方案具有高度可擴展性。它將使 CO 2永久封存 到建筑材料中以實現更環保的建筑，從而增加我們范圍廣泛的創新低排放原材料。研發廠家的團隊目前正在繪制歐洲最相關的地點，以進行工業規模的試點。這種伙伴關系符合人們的凈零旅程以及埃尼對其行業脫碳的承諾。
世界需要變革性技術來加速人們向凈零排放的過渡。通過將 CO 2儲存 在橄欖石等新礦物中，廠家正在擴大我們的綠色水泥解決方案范圍，使可持續建筑在全球成為現實，同時減少企業運營的足跡。該單位與 Eni 的合作符合他們開放的創新生態系統，與志同道合的組織合作，從初創公司到跨國公司，共同創造更大的不同。
展開 日本初創公司PJP Eye開發碳電池 利用從有機棉中回收的碳替代鈷
PJP Eye公司開發的替代電池，使用從有機棉（或任何可以轉化為碳的有機材料）中回收的碳，取代電極中的稀有金屬。
目前，該公司已經開始量產單碳電池，其中一個電極由碳制成，另一電極由普通金屬制成。在這一改進的基礎上，與傳統電池（充電循環次數約1500次）相比，單碳電池的充電速度提高了10倍，電池循環次數超過8000次。而且，這種電池的安全性高，在正常電池達到300°C及以上的情況下，其溫度不會超過50°C。
單碳電池的缺點在于，無法為電動汽車提供足夠的功率密度和電壓。其輸出電壓為3.6V，因此不適合電動汽車或飛機等應用（通常需要4.2V），然而非常適用于電動滑板車、衛星和小型無人機等解決方案。
至于電動汽車和其他需要高電壓的應用，PJP Eye正在研究一種方法，用碳取代電池中的兩個電極，在完全去除稀有金屬的同時實現更高的電壓，即5.2V。這種電池被稱為雙碳電池，目前已完成概念驗證，尚末進入生產階段。Oina認為，未來兩年有望投產。
該公司希望，通過創造電池技術，改善人們的生活，提高城市和車輛的效率。目前，因為規模有限，與傳統鋰離子電池相比，這種碳電池的成本更高。理論上講，未來通過擴大使用范圍，有望使其價格達到同等水平。
歸根結底，PJP Eye表示，其目標分為兩方面。對于發達國家來說，碳電池可能成為智能城市基礎設施和可持續電動汽車的基石。對于新興世界來說，可以為離網地點提供高效、安全的電力儲存，這可能更為重要。
-END-
展開 CCUS研究報告：實現碳中和社會的CCUS發展動向研究
在“碳循環利用技術路線圖”中將其分類為CO2的利用，但作為固化CO2的技術，在混凝土凝固的過程中可以吸入CO2進行固化的環保型混凝土已經實用化。但是，存在成本高和用途受限的問題，正在進行擴大用途和降低到與現有混凝土相同價格的努力。此外，用涂敷在混凝土表層的浸漬劑促進CO2吸收的CO2固化技術也在開發中。除了可以固定大氣中的CO2之外，還期待提高防腐蝕性能的效果。
此外，利用鋼鐵渣使CO2吸收到海藻等海洋生態系的“藍碳”措施等也在進行之中。
日本為了推進2050年實現碳中和，于2020年設立了約2兆日元的“綠色創新基金”，其中包括碳循環利用領域，建立了從研發、實證到社會實施的持續支援機制?！?em>碳循環利用產學官國際會議”等國際學會的召開以及民間主導為加速碳循環利用的一般社團法人碳循環利用基金也于2019年設立，對碳循環利用的期待大大提高。
已經實用化的以CO2為原料的化妝品用塑料容器的開發是由風險投資公司、原料廠商、化妝品制造商共同完成的，在碳循環利用中，不是個別企業的努力，而是通過協作取得成果，這樣的例子很多。期待國際學會和碳循環利用基金等成為信息交換和共同研究的契機。
CCUS是包括分離和回收、利用、封存及運輸等在內的一個廣泛的技術領域。其中，碳循環利用技術的開發是提高國際競爭力不可或缺的舉措。
（來源：世界金屬導報）
展開 碳捕集技術的應用領域有哪些？
CCUS是
碳捕集利用與儲存
（Carbon Capture, Utilization, and Storage）的縮寫。它是一種技術和方法的組合，用于減少工業和能源生產過程中產生的二氧化碳（CO2）排放。CCUS技術的目標是將二氧化碳氣體捕集、利用或儲存，從而降低碳排放并減少對氣候變化的影響。
它被視為一種重要的臨時措施，可以幫助實現全球的減排目標，并為過渡到低碳經濟提供時間和空間。
01
CCUS的主要步驟
CCUS（碳捕集利用與儲存）主要包括以下三個步驟：
1. 碳捕集（Carbon Capture）：
碳捕集是指從工業排放源或能源生產過程中捕集二氧化碳氣體。這可以通過多種技術實現，包括化學吸收、物理吸收、膜分離和吸附等。這些技術旨在將二氧化碳從煙氣、氣體流或其他排放源中分離出來，以防止其進入大氣。
2. 碳利用（Utilization）：
捕集到的二氧化碳可以通過不同的途徑進行利用。碳利用的方法包括將二氧化碳用于生產化學品、燃料或其他有價值的產品。例如，二氧化碳可以通過化學反應轉化為化學品，或者通過催化轉化為合成燃料。碳利用有助于減少二氧化碳的排放量，并為其賦予經濟和環境價值。
3.
展開 行業熱點 ｜ 石化行業的CCUS技術
碳利用和封存技術
從國內外項目經驗看，地下封存、驅油和食品級利用，是當前較主流的方向。
碳利用
CCUS-EOR (Enhanced oil recovery，強化采油)技術可以通過CO2把煤化工或天然氣化工產生的碳源和油田聯系起來，有較好的收益，該技術通過把捕集來的CO2注入到油田中，使即將枯竭的油田再次采出石油的同時，也將CO2永久地貯存在地下。CO2驅油的主要原理是降低原油粘度、增加原油內能，從而提高原油流動性并增加油層壓力。CO2制化肥和食品級CO2商業利用也是目前較成熟的碳利用項目。
國外近年來碳利用有很多新興的利用方向，如荷蘭和日本均有較大規模的將工業產生的CO2送到園林，作為溫室氣體來強化植物生長的項目。包括溫室氣體利用技術在內，國外處于示范項目階段碳利用技術有CO2制化肥、油田驅油、食品級應用等;正處于發展階段的有CO2制聚合物、CO2甲烷化重整、CO2加氫制甲醇、海藻培育、動力循環等;尚處于理論研究階段的方向有CO2制碳纖維和乙酸等。
國內新興的碳利用方向主要有CO2加氫制甲醇、CO2加氫制異構烷烴、CO2加氫制芳烴、CO2甲烷化重整等，如山西煤化所、大連化物所、中科院上海研究院、大連理工大學等，對這些技術進行了研究，但大多都處在催化劑研究的理論研究階段或中試階段。
碳封存
CO2捕集后，可以通過泵送到地下、海底長期儲存，或直接通過強化自然生物學作用把CO2儲存在植物、土地和地下沉積物中。當前的碳封存技術主要分為以下2種:
第一種是將CO2高壓液化注入海洋底。
展開 產業報告|2023CCUS產業發展報告（二）CCUS發展現狀與未來趨勢
國內的碳捕集技術核心企業主要有中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司（簡稱清能院，中國華能集團公司直屬的清潔能源技術研發機構）、中國華電科工集團有限公司（簡稱華電科工，中國華電集團有限公司下屬企業）、齊魯石化、安徽碳合能科技發展有限公司（安徽海螺水泥投資）、西南化工研究設計院有限公司（中國昊華化工集團股份有限公司下屬的科技型企業）、中國石化集團南京化學工業有限公司（簡稱南化公司，中國石化集團下屬企業）等。
我國CCUS整體發展較晚，碳捕集技術研發與應用雖有規模，但整體來說不夠成熟，項目多示范作用，產業化發展情況不夠明朗，下一步可以在示范工程的基礎上擴大應用規模，實現產業化。
表10：國內部分碳捕集項目及企業情況
2、碳利用與封存
碳利用與碳封存是CCUS的下游領域，屬于對捕集的二氧化碳進行資源化利用或處置的過程。碳利用參與方是碳利用技術與設備的供應商，目前我國碳利用技術與設備的研發與制造并無完全匹配的企業，在此領域相對成熟的企業有中國化學、凱美特氣、萬華化學、寶豐能源等企業，這些企業雖并非將二氧化碳的利用作為主營業務，但其對碳利用有較為密切的關注，對碳利用技術或設備有相關布局或開展過相關項目，目前中國化學正在積極探索CO2電催化轉化成高附加值產品；萬華化學除了積極開發碳捕捉技術外,也在布局碳利用，比如利用干重整技術將CO2重新用于產品的生產過程中,比如CO2用于替代硫酸中和生產過程中的堿性廢水,又比如將其出售給干冰企業制作干冰等。
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PPT│碳四資源綜合利用技術
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編 輯 | 化工活動家
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展開 慕尼黑工業大學利用海藻開發PAN基碳纖維
日前，慕尼黑工業大學（TUM）的研究人員開發了一種利用海藻吸收環境中的CO2，并制備碳纖維的工藝過程。
據TUM研究人員介紹，利用海藻能夠將空氣或發電廠和鋼鐵廠的工業廢氣中的CO2轉化為海藻油。隨后，海藻油被用來生產聚丙烯腈（PAN）基纖維，并通過拋物面太陽能反光鏡對纖維進行碳化處理，最終得到碳纖維。
該項目負責人Thomas Bruck教授領導的研究團隊來自TUM的海藻養殖中心。Bruck教授表示，歐洲和北非擁有數量巨大的植物。該轉化系統易于工程化放大，而能夠覆蓋阿爾及利亞國土面積的植物即可抵消現在航空運輸過程中所有的CO2排放量。
TUM表示，采用海藻制備的碳纖維與傳統工藝制造的碳纖維并無差別，完全可以采用現有工藝制備。
（來源：中國國際復材展組委會）
展開 利用HyperWorks進行帆船碳纖維復合材料內飾頂板優化設計
然而，了解如何最高效地利用這些材料需要復合材料領域內豐富的知識和經驗，以及相關行業，如賽車行業多年的磨練。
為了充分利用復合材料的優勢，加快實現帆船設計過程的優化，賽艇設計員使用虛擬開發方法進行設計、分析、優化和測試，然后再生產。這種方法能夠節省時間和金錢，而且減少船行在水上的壓力。
關于AlexThomson
AlexThomson是目前環球帆船賽事最為年輕的冠軍，曾獲得1998/99年克利伯環游世界帆船賽的冠軍；目前他仍保持著這一賽事記錄。之后，Alex的目標是成為首個贏得法國旺底不靠岸單人環球航海賽（VendéeGlobe）冠軍的英國帆船選手。
挑戰
帆船滑動內飾頂板能夠保護船長AlexThomson躲過沖到甲板上的浪花，使他在駕駛帆船時能夠最大限度的發揮船的潛力。頂板的設計同時能夠保持船身向前，從而最大化駕駛艙區域以供Alex操作。Caterham公司復合材料團隊經費和材料有限，項目需要在緊張的時間框架內完成并配合整修和訓練計劃。
Caterham公司復合材料團隊的工程師使用現有的中模量碳纖維來做頂板的外殼。核心部分則使用泡沫和Nomex。加工使用的材料是膠合板，雖然精確，但是容易因溫度和壓力變化的影響而變形。由于膠合板不能熱壓處理，在項目和最終交付時就需要考慮到室溫固化樹脂較低體積分數和較低力學性能這兩個特性。
展開 利用棉花短絨：制備出超高比表面積氮摻雜多孔碳材料
利用棉花短絨：制備出超高比表面積氮摻雜多孔碳材料
新型碳材料的設計是當前材料科學研究的一個熱點，碳材料可廣泛應用于傳感、催化、儲能、環境修復等領域。傳統制備碳材料的原料都是以化石資源為主，但隨著化石能源的大量消耗，環境問題也變得日益突出。因此，開展以可再生的、廉價的、綠色環保的生物質為原料制備碳材料的研究具有重要的意義，也是可持續和綠色化學的目標和方向。
中國科學院新疆理化技術研究所資源化學研究室研究員張亞剛帶領其團隊立足于新疆資源轉化，以新疆豐富的棉花短絨為原料，設計開發了新型碳纖維和功能型氮摻雜多孔碳材料。在前期的工作中，張亞剛團隊設計開發了一種以棉花短絨為原料，環保、低成本制備碳纖維的新工藝。在制備碳纖維過程中，采用了較為環保的纖維素氨基甲酸酯工藝（CarbaCell），該工藝與傳統制備再生纖維素的方法相比，不僅生產流程更簡便，而且在制備再生纖維素纖維過程中更環保。相關研究成果發表在國際刊物ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2016, 4(10): 5585-5593上。
近日，張亞剛團隊以棉花短絨為原料，經纖維素氨基甲酸酯、溶液配制，碳化、活化等步驟制備出了氮摻雜多孔碳材料，該材料孔隙結構可調，具有超高的比表面積，比表面積達到3700m2/g，氮含量達到7.7%。同時，系統地考察了不同的碳化溫度對試樣得率、元素組成、形貌、孔結構的影響。
科研人員還對氮摻雜多孔碳的電化學性能和染料吸附進行了評價，結果顯示，以該材料制備的超級電容器，具有優異的循環穩定性，循環5000次后比電容容量仍可保持初始容量的93-95%。此外，在濃度是1摩爾每升的H2SO4電解液中比電容容量達282 F/g，在6摩爾每升的KOH電解液中比電容容量達289 F/g，同時具有優異的倍率特性。
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