[读懂科学]海外早已商业化…韩国碳技术开始追赶

Published 11 Sep.2023 08:16(KST)

Updated 11 Sep.2023 19:15(KST)

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应对气候变化、保障资源供给
“碳循环经济”转型势在必行
主要技术国家已进入商业化阶段
韩国仅达80%水平，停留在实验室技术
“必须积极投资才能跨越碳关税壁垒”

“抓住导致全球变暖和气候变化的罪魁祸首——二氧化碳（CO2）！”

图片由EPA韩联社提供

减少交通工具、工业流程和能源生产过程中排放的二氧化碳，已成为人类面临的重大课题。这不仅仅是简单的减排问题，通过对二氧化碳进行捕集、储存和利用的技术也备受关注。近期成为话题的澳大利亚大型地下碳捕集与储存示范中心就是代表性案例。其方式是，在开采利用完埋藏于地下约2000米处的天然气后，将二氧化碳注入腾空的枯竭气田和深层咸水层并进行管理。除此之外，各主要强国也在建筑、材料、能源化等商业化和研究开发（Research and Development）方面积极投入。然而，国内相关技术仍停留在实验室阶段。下面来看看被视为应对气候变化必备技术的二氧化碳捕集·利用·储存（CCUS）技术开发与商业化现状。

直接处理二氧化碳

所谓CCUS（碳捕集·利用·储存）技术，是指将能源、工业流程等排放的二氧化碳捕集起来，直接加以利用，或将其转化为一氧化碳等，再制成具有市场价值的产品加以使用。像澳大利亚案例那样只做到捕集与储存的称为CCS，将利用也包括在内的则归类为CCU。所谓捕集，是指在二氧化碳排放量最大的火力发电、钢铁产业以及炼油、化工流程的烟囱中，从废气里选择性分离二氧化碳，主要有湿法、干法和膜分离三种方式。其中的储存，是指将从烟囱废气中捕集的二氧化碳注入地下地层进行储存，目前用于监测和永久隔离的技术正在开发之中。

所谓利用，是指将二氧化碳作为工业原料和产品直接使用，或经转化后使用。通过化学或生物转化以及矿物化处理，可将其变为石油炼制阶段的中间物质如石脑油等，进而用作燃料、化学品和建筑材料。二氧化碳本身也可不经转化，直接作为工业用、食品饮料用、农业用气体加以利用。自工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度急剧上升，已成为所谓温室效应的主要元凶。为此，各国正在引入不排放二氧化碳的可再生能源。但国际能源署（International Energy Agency）认为，如果没有CCUS技术，就不可能实现碳中和目标。到2050年为止，全球能源领域累计二氧化碳减排目标中，有10%（其中CCS占95%，CCU占5%）必须通过CCUS来实现。尤其是我国，到2030年必须减少2.91亿吨二氧化碳排放量，其中仅依靠CCUS技术就要削减1120万吨（3.8%）。此外，为在2050年前实现碳中和，还肩负着将整体二氧化碳减排目标中CCUS的占比提高至8%至12.3%的任务。

实现碳资源循环的必需技术

CCUS技术不仅仅是减少碳排放的手段，更被视为向“碳循环经济”转型的关键要素。与生物质、塑料再利用等方式一道，它通过提供环保型碳源，被认为是实现完全碳资源循环的核心技术。以往主要利用原油或天然气生产乙烯、丙烯、丁二烯、BTX等基础油品，以及对二甲苯（P-X）、氯乙烯单体（VCM）、苯乙烯单体（SM）等中间原料，再将这些加工成合成树脂（如聚乙烯）、合成燃料（如己内酰胺、对苯二甲酸TPA）、合成橡胶及其他产品，最终以塑料、纤维、橡胶、精细化工品的形式被消费。问题在于，这一过程中化石原料被不断消耗，温室气体也持续排放，形成恶性循环。CCUS则可切断这一链条，通过阻断碳源输入与温室气体排放，构建环保型碳循环经济，被视为关键技术。

具体来看，二氧化碳利用技术可分为化学转化、生物转化和矿物碳酸化等。化学转化是将二氧化碳作为反应原料，通过化学反应转化为燃料和基础化学产品，可制成合成气、甲醇、乙烯、液体和气体燃料以及塑料。生物转化是利用微藻生产生物质，再将其转化为生物燃料和生物材料的技术，可将二氧化碳转变为液体和固体燃料，以及化妆品、食品、医药等生物材料。矿物碳酸化则是将二氧化碳转化为碳酸盐形态，实现矿物化的技术，可生产建筑材料、混凝土养护制品、二次制品以及碳酸盐化学品。

不过，其中仍存在诸多技术难题。Korea Research Institute of Chemical Technology（韩国化学研究院）高级研究员 Choi Jina 表示：“二氧化碳在化学性质上活性极低，是一种非常稳定的化合物，因此要实现转化，就必须投入大量能源和还原剂。虽然可以转化为多种产品，但产品类别与技术路径众多，而且利用潜力高度依赖于既有市场，这是一个问题。”她接着指出：“CCU技术是一项对因地制宜制定和深化开发战略要求极高的技术，有必要通过战略性地给予各种支持和激励措施，使所生产的产品能够在既有商业市场中具备竞争力。”

海外CCUS技术动向

随着碳中和成为主要课题，过去10年间海外在CCUS技术示范与商业化研究方面的投入大幅增加。已经有民营企业在建筑材料、化学品燃料、高分子材料（聚合物）等领域走出实验室和示范阶段，迈入商业化。以建筑材料为例，加拿大的Carbon Cure公司颇具代表性。该公司在混凝土生产过程中注入二氧化碳，将水泥中的二氧化碳以矿物形态固化，已实现商业化。这项技术不仅具有温室气体减排效果，还可同时带来提高混凝土强度、减少水泥和用水量等多重效益。

德国Covestro公司则利用二氧化碳作为反应原料生产聚氨酯产品，正在销售含有比传统产品多20%二氧化碳的汽车内饰和床垫。

冰岛的CRI公司通过让二氧化碳与氢气发生反应生产甲醇，并将其作为清洁燃料使用，相关技术已实现商业化。此外，这一转化过程所需能源完全采用可再生能源（地热），构建了良性循环。德国的Audi和Porsche则开发了合成燃料技术，目前处于示范阶段。它们通过让二氧化碳与氢气反应，生产出与柴油（Audi）和汽油（Porsche）相当的合成燃料，这是利用直接空气捕集（Direct Air Capture）和绿色氢等技术生产清洁合成燃料（e-Fuel）。虽然欧洲联盟（European Union）规定自2035年起禁止销售燃油车，但将使用清洁合成燃料的发动机列为例外，以示鼓励。

政府层面的研究开发（Research and Development）投资也在扩大。英国在2020年公布了对发电产业领域CCUS基础设施新增投资计划，规模达12亿美元（约1.5万亿韩元）。美国同年也决定新增投入2.3亿美元（约3000亿韩元），用于CCUS技术开发与推广。直接财政支持也在加强。美国对CCU设施按每吨二氧化碳给予60至180美元的税收优惠，加拿大则对CCU项目投资给予37.5%的税收减免。

在法律和制度层面的支持也十分活跃。欧洲已将再生碳燃料纳入可再生燃料范围，美国、加拿大和欧洲部分地区还实行了采用CCU技术生产的混凝土联合采购制度。海外围绕市场抢占展开的竞争异常激烈。预计到2030年，CCUS市场规模最高将达1529万亿韩元（约1.157万亿美元）。

我国在CCUS领域的技术水平仅相当于引领该领域的美国和欧洲联盟约80%。虽然实验室层面的技术储备相当丰富，但通过放大试验进入商业化阶段的技术却不多。在产业现场，Hyundai Steel最近才在唐津工厂安装了100升规模的捕集与反应装置，启动将二氧化碳转化为甲酸的试生产；POSCO也计划在年内建设类似设施。有舆论指出，数年内欧洲联盟和美国等可能会将碳排放量作为贸易壁垒工具，因此必须加大研究开发投资和商业化努力。