碳利用技術的案例
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 碳捕集技術的應用領域有哪些？
在生物質能源發電廠或生物質燃料生產過程中，碳捕集技術可以用于捕集和回收這些排放的二氧化碳。捕集的二氧化碳可以進一步利用于生產合成燃料、化學品或其他有價值的產品。
5. 直接空氣碳捕集：
直接空氣碳捕集技術是一種將二氧化碳直接從大氣中捕集的方法。這種技術使用吸附劑或化學反應物質與大氣中的二氧化碳進行反應，并將其分離和捕集。這種方法可以在任何地方進行，而不僅僅局限于工業設施，因此具有廣泛的應用潛力。直接空氣碳捕集技術可以幫助降低大氣中的二氧化碳濃度，并提供一種補充的碳捕集途徑。
6. 海洋碳捕集：
海洋碳捕集是利用海洋生物來吸收和儲存二氧化碳的過程。通過促進海洋生物的生長和光合作用，可以增加二氧化碳的吸收量，并將其轉化為生物質。海洋生物還可以形成沉積物，在適當的條件下長期儲存二氧化碳。
7. 蓄能和地質儲存：
捕集到的二氧化碳可以通過地質儲存技術進行安全儲存。地質儲存通常是將二氧化碳注入地下鹽水層、油氣田或巖石地層。在適當的地質結構下，二氧化碳可以長期封存，并防止其重新進入大氣。
8. 碳利用技術：
除了儲存，捕集的二氧化碳還可以通過碳利用技術轉化為有價值的產品。例如，二氧化碳可以用作合成燃料的原料，用于化學品和材料的生產，或者用于增加植物生長的溫室氣體施肥。
以上是一些碳捕集的例子，涵蓋了不同的行業和領域。這些技術的發展和應用對于減少碳排放、應對氣候變化以及實現可持續發展目標具有重要意義。
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
01
前言
減碳不僅是國家政策規劃承諾的問題，也是關系到我們人類賴以生存的環境問題。IPCC（政府間氣候變化專門委員會）關于全球變暖1.5℃的特別報告指出，CCUS（碳捕集利用與封存）技術可以有效改善全球氣候變化，并明確指出CCUS技術對于在2050年實現零碳排放具有重要意義。
根據2015的巴黎氣候大會披露的減碳圖表，可以看出CCUS技術主要是在2030年之后全球將逐漸發力于二氧化碳的移除，而這與中國2030碳達峰的目標不謀而合。
來源：Rhodes CJ. The 2015 Paris Climate Change Conference: Cop21. Science Progress 2016;99(1):97-104.
02
主流減碳技術總結
碳減排首先第一步是將二氧化碳捕集，后續可將捕集的二氧化碳直接封存也就是CCS，或是把二氧化碳能源化或資源化也就是CCU。在這些步驟中，二氧化碳捕獲是最關鍵的技術，因為它占整個CCS運營成本的70%以上。
展開 
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！
為了對我們的凈零之旅產生突破性影響，我們正在探索一系列下一代技術，以幫助我們實現建筑環境的脫碳。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。
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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
該公司首席情報官Inketsu Oina表示，使用PJP Eye的碳基技術，能夠可持續性制造和回收電池，同時提供卓越的能量密度、安全性和壽命。
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。
展開 碳捕集、利用與封存(CCUS)價值鏈研究
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。
CO2的封存需要將其注入地下深層孔隙巖地質儲層，如鹽堿含水層、枯竭油氣儲層，或含有高濃度活性鈣鎂離子的巖層并已形成穩定的碳酸鹽。據國際能源署2020年一項詳細分析顯示，工業國家70%的排放量是在距離潛在儲存地點100至300公里的范圍內釋放的。目前，至少有8000Gt的空間可用于碳封存。
圖8 MAN Energy Solutions碳捕集、利用與封存解決方案 圖源/MAN Energy Solutions
地質封存的深度必須大于800米，以保持CO2處于稠密液體狀態。這就要求注入壓力通常保持在130至250 bar之間。氣候與能源方案中心列出了超過20處，在各種地質背景已經累計數十年經驗的封存現場。
壓縮技術
壓縮技術是實現CO2管道輸送或以液相注入的前提。壓縮和脫水過程在CO2捕集價值鏈的成本中占比約15%，在總能量消耗中占比約25%。
1.高效整體齒輪式壓縮機
隨著能源成本不斷增加，降低壓縮成本顯得尤為重要。壓縮機設計的選擇會有影響。整體齒輪式壓縮機在效率、中冷、葉輪總數、工藝抽氣/旁路的靈活性，以及入口導葉流量控制等方面優于單軸壓縮機設計。
展開 CCUS研究報告：實現碳中和社會的CCUS發展動向研究
碳循環利用，除了本身可以直接為減排CO2作出貢獻之外，還可以通過氫和可再生能源利用的協同效應，有效實現“凈零”排放（溫室氣體排放量與吸收量均衡，排放量實質為零）。而且，由于多種行業的經營者能夠在各自的業務領域中利用現有的基礎設施進行努力，因此CO2減排的關鍵還在于多種行業（圖5）。
在碳循環利用領域，由CO2合成天然氣主要成分甲烷的甲烷化技術受到關注。“碳循環利用技術路線圖”提出，2030年在現有的基礎設施中注入1%的合成甲烷，2050年注入90%的目標。于是進行了以實用化為目標的實證試驗，在小田原市對分離、回收從清掃工廠排放的CO2生成甲烷的設備進行了試驗。
在鋼鐵領域，也進行了甲烷化技術的研究，正在推進碳循環高爐的開發。這是利用高爐產生的CO2、CO和H2生成碳中和還原劑（甲烷），并再次在高爐中使用（圖6）。
在礦物領域的碳循環利用中，正在進行應用于混凝土的研究。“碳循環利用技術路線圖”提出，以到2030年近100% 回收石灰石分解排放的CO2的技術開發為首，以確立碳循環水泥技術為目標。
此外，在新能源?產業技術綜合開發機構（NEDO），作為“碳循環利用?新一代火力發電等技術開發”的一環，為了確立有效利用CO2作為資源的碳循環利用技術，在日本的中國電力公司大崎發電站內整備了實證研究據點。碳循環利用實證研究據點于2022年在大崎上島町（廣島縣）開設。
展開 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 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）
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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。
展開 利用HyperWorks進行帆船碳纖維復合材料內飾頂板優化設計
頂板內部采用的材料是A500泡沫和Nomex蜂窩，外部采用T800碳纖維。可用的碳纖維是UD和編織碳纖維。0度及90 度板層僅用UD，30度、40度和60度板層只能夠用編織碳纖維。屋頂核心固定部分的厚度為20mm。優化過程中考慮5個載 荷步。一個載荷步著重于作用于頂板0.65kNm2的水壓，而另外四個模擬Alex單腿在屋頂不同位置的情況（90kgat2g）。
Altair產品設計咨詢團隊對頂板進行了自由尺寸優化和尺寸優化。第一步，自由尺寸優化，確定了鋪層補丁最佳形狀和位置，基本上回答了：在結構上需要哪些纖維角度？這決定了兩個目標：規格最小化和整體質量最小化。第二步，實現尺寸優化，發現鋪層補丁厚度優化。工程師優化系統達到以下目標：規格最小化、約束撓度為10mm和約束失效指標為0.5。
結論
根據預期要求的剛度，最終頂板設計總重為36kg，且在任何載荷工況下均沒有失效。在行駛帆船時既阻擋了浪花又不影響Alex的操作。通過Altair產品設計咨詢團隊和Caterham公司復合材料團隊的合作，最終實現了頂板的設計優化和生產。
2012年7月，AlexThomson在橫跨大西洋單人帆船航行中實際檢驗了頂板。回程時Alex評價了這次優化設計，“我在冬季大西洋遇到的天氣給了我很多的機會充分測試我們在頂板上所做的調整，我很高興地說這真是太完美了。Caterham公 司復合材料團隊和Altair工程專家的聯手合作就意味著產品的交付能夠達到優化設計的要求。”
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展開 韓國開發碳碳復合材料表面處理技術
近日，韓國研究團隊開發出一種碳碳復合材料表面處理技術，有望替代傳統的鍍鉻工藝。該項技術由韓國碳融合技術院和大英工程公司共同開發，采用了電解沉積涂裝工藝，可以在碳碳復合材料上呈現出鮮明的色彩。
碳碳復合材料是一種高強度的輕便型未來高端材料，而全州市是韓國碳碳復合材料產業的重點地區，隨著用途的進一步拓展，碳產業的競爭力也有望進一步提升。自2016年起，位于全州的韓國碳融合技術院與大英工程公司開展合作，共同開發可以呈現碳碳復合材料多彩顏色的電解沉積涂裝技術，該課題名稱為“碳復合配件高級電解沉積新工藝技術開發”，是一項創新融合研發項目，歷時兩年取得階段性成功。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/10391.html
值得一提的是，通過此次技術開發，韓國碳融合技術院將碳碳復合材料上賦予導電性，并與大英工程公司高級電解沉積涂裝技術相結合，可以在包括碳碳復合材料在內的各種絕緣配件上進行電解沉積涂裝。
如果該項技術得到商業化應用，還有望替代傳統的鍍鉻工藝，緩解環境污染問題。因此，該項技術已經得到了極大的關注。去年年底，在美國亞特蘭大舉辦的“國際表面處理博覽會”上，大英工程公司與80余家來自航天、航空和汽車行業的復合材料企業進行了洽談，與10家企業基本開展采購商談，也有部分企業于今年2月實地考察了大英工程公司的生產現場。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/10387.html
今年3月，大英工程公司投資50億韓元，用于興建電解沉積涂裝處理的專用產線，這項碳碳復合材料技術一旦實現商用化，不僅有助于企業增大銷售，還可以為地區創造更多的就業崗位，進而帶動全州地區的經濟發展。
展開 碳中和時代，我們需要什么技術來減少碳排放？
術和技術創新已經成為減少全球能源系統排放的關鍵推動力，但如果我們要實現全球凈零排放目標，就需要加快步伐。公眾號：3060碳達峰碳中和。
地理、政治、經濟和社會環境將決定將世界不同地區的能源系統過渡到凈零排放的確切途徑。然而，從廣義上講，減少全球能源系統的碳排放需要加快技術部署以實現兩個目標：(i) 盡可能多地滿足能源需求；(ii) 電力供應完全脫碳，尤其是使用可再生能源。
電氣化和可再生能源是國際能源署 (IEA) 2021-2050 年凈零情景中最重要的兩項緩解措施，占所需減排量的 54%（見下圖）。
電氣化
電氣化能源需求是指使用低碳電力來滿足傳統上來自化石燃料的能源需求。這是通過技術轉換實現的，例如用電動汽車代替內燃機汽車，用熱泵代替天然氣或燃油鍋爐為建筑物供暖。在工業中，可以使用清潔電力代替化石燃料來提供低溫和中溫熱量或為某些鋼鐵生產過程提供動力。電氣化潛力巨大?少最終能源需求并因此減少排放，因為電力技術往往比提供類似能源服務的基于化石燃料的替代品更有效。事實上，國際能源署估計，到 2050 年，電氣化可以提供實現凈零能源系統所需的累計減排量的近五分之一 (19%)。公眾號：3060碳達峰碳中和。
當然，如果電力來自低碳來源（可再生能源、核能或熱能發電以及碳捕獲、使用和儲存 [CCUS]），電氣化只會在有意義的程度上減少排放。
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