文 | 陈曦，霖和气候科技（北京）有限公司首席科学家，哥伦比亚大学地球工程中心主任、终身教授，中国ESG30人论坛专家
上一期专栏我们分析了传统CCUS（碳捕获、利用与封存）的痛点，如果一厢情愿地以碳捕集端（C）为核心，则和碳利用端（U）严重脱节，导致CCUS的商业化、规模化推广应用受到很大局限。C、U、S三个板块中，目前唯有U是市场化的，有潜力通过产业创造价值将二氧化碳变废为宝。
作为碳天平右端核心的工程化技术路线，CCUS是全球实现碳达峰碳中和的必经之路，也是中国实现“双碳”目标的必然选择路径之一。据国际能源署（IEA）测算，要实现联合国设定的2050年减排目标，CCUS捕集的二氧化碳需从2020年的约4000万吨/年增至2050年的至少56亿吨/年；中国生态环境部环境规划院所发布《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》指出，CCUS将成为中国实现碳中和目标不可或缺的关键性技术之一，2050年和2060年中国需要通过CCUS技术实现的减排量分别为6亿～14亿吨和10亿～18亿吨二氧化碳；据壹行研（Innova Research）预测，从2021年到2030年这10年间，中国CCUS二氧化碳处理量的年复合增长率将超过100%。由此可见，只要打破传统CCUS的痛点，打通二氧化碳的大规模应用场景和商业路径，实现市场化创造经济效益，碳天平右端将迎来无限的新产业机遇，呈现指数级爆发式增长。
（图1）中国CCUS减排贡献需求 图片来源：《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）》
碳天平右端另外一个核心的工程化技术就是直接空气捕集（DAC），尽管其也是捕集二氧化碳的一种方式，然而无论从技术路径上还是社会和经济意义上都和CCUS有重要的区别。首先，DAC是唯一的工程化“负排放”技术，是唯一可以让大气中二氧化碳含量直接下降的工程技术；其余所有碳中和技术（包括碳天平左端的新能源和节能减排等，以及碳天平右端的CCUS）均只能减缓大气中二氧化碳含量的增速；因此可以说DAC是最直接面对气候变化挑战的工程化技术，国际能源署（IEA）在2050年净零排放进行的展望中，直接空气捕获在2050年将达到10亿吨数量级二氧化碳来应对气候变化。其次，未来全球碳价一统时，DAC由于其捕集二氧化碳的成本相对最高，因此也会成为全球碳价天花板，直接影响碳金融碳交易各个板块，由此降低DAC的成本意义重大。而由于空气中二氧化碳含量（~420ppm）相对烟气浓度（10%-30%）要低差不多3个数量级，这也决定了DAC可能需要走和烟气捕集不一样的技术路线，尽管目前捕集成本相对较高，然而DAC的无需运输成本、就地捕集、易于衔接分布式利用的独特特性，从全局来看无疑也是有着相当大的吸引力的。
捕集二氧化碳的方式多种多样，然而从市场化角度来看，只有从创造经济效益的碳利用端（U）需求入手，根据所需的二氧化碳浓度流量体量等特性，倒推出合理的碳捕集端（C）技术路线，才能够实现将碳捕集（C）与碳利用（U）紧密结合，市场化地打造出能够既能产生经济效益并可持续发展的全新商业路径，为碳天平右端打造全新的产业链。下图2是笔者从市场化角度出发，以U定C设计的碳天平右端商业路径工业互联网图，从图中可以看出，市场化商业路径应当是从碳利用（U）和碳封存（S）板块各应用领域对所需求二氧化碳的不同特性出发，寻求较优的碳捕集（C）板块的合理的按需捕集技术路径。
以富碳农业应用领域为例，大部分作物光合作用所需的最佳浓度二氧化碳在0.1%数量级，且每日只有数小时需要光合作用。这意味着富碳农业的碳肥需求为分布式、最佳对应为空气捕集数千ppm浓度二氧化碳（只需将空气中二氧化碳浓度提升数倍），在大棚外捕集直接输送到大棚内，随需随捕，无需铺设管道或者专门远距离运输二氧化碳，只有这样才能实现设施农业的高效率和最优碳足迹。反之，任何集中捕集用于富碳农业都会面临着先将烟气的二氧化碳浓度富集10倍，再管道或罐车长途运输，再稀释为作物可接受浓度，形成巨大的能耗浪费。从另外一个角度来说，空气捕集的二氧化碳也是最清洁的二氧化碳，属于“绿碳”，适合富碳农业且为负排放；而集中捕集则是工业废气来的。类似地，图2中其他很多U的领域（呈现高度分布式）也都需要不同浓度不同品级的二氧化碳，按需捕集才能将C和U市场化地对应起来，形成分布式CCUS。
（图2）碳天平右端的工业互联网图：市场化的CCUS路径应该从U端需求出发，倒推合理的C端技术路线，遵循分布式的商业模式 
通过工程化的手段，用多学科交叉的科学理念和市场化的分布式路径来将二氧化碳捕集、利用、封存有机地结合起来，工程化掌控和驾驭碳循环。特别是将二氧化碳按需捕集与多路径综合利用紧密结合，创新造就碳天平右端的两个全新产业链：碳捕集产业链和碳利用产业链（图3）。碳捕集包括了所有主要可排放源以及分布式排放源（含空气），根据利用端（U）需求进行的多源、多路径按需捕集；利用，是探索一切可能实现市场化应用的路径，包括富碳农业、赋碳建材，以及把二氧化碳转化为生物质、原料、燃料等有附加值的产品等。
（图3）工程化的手段掌控和驾驭碳循环，打造碳捕集和碳利用两个产业链
综上所述，碳天平右端的分布式碳捕集和碳利用两套技术体系需要有机地结合起来：通过颠覆性技术突破，开发出面向各种排放源的二氧化碳按需捕集技术系列，以及多路径二氧化碳综合利用技术系列，从而以创新链驱动产业链，通过将二氧化碳变废为宝在碳天平右端打造新的经济增长点并推动可持续发展。
不同排放源排出的二氧化碳浓度和特性大相径庭，因此必须采取不同的捕集技术。有的工业烟气（如煤化工）二氧化碳富集程度高，较易捕集；大部分工业烟气的二氧化碳浓度为10%-20%数量级，目前又较为成熟的化学法捕集，这些目前是集中排放源捕集的路径。但是，也有大量的小型集中排放源，例如分布式的锅炉，甚至不可能被捕集的尾气，如交通工具或者农业的排放，需要采用更为合理的路径加以捕集，特别是按需捕集。
捕集技术的本质在于二氧化碳浓度，既包括了起始捕集的浓度，也包括（按需）输出的捕集后浓度。不同的浓度采取的捕集技术是不同的（图4）。如果烟气浓度较高（如煤化工、燃烧前集中捕集等），烟气浓度可以高达90%数量级，通过空分即可集中和液化捕集二氧化碳，成本为约100元一吨。以煤化工为例，燃烧前集中捕集通过煤气化的方法将煤等化石燃料进行气化或重整，在高压高温的环境下将碳氧化成一氧化碳或者合成气，再将二氧化碳分离出来。然而这类高浓度烟气排放只占工业烟气的很小比例，且捕集之后仍然面临常常难以找到应用场景的困境。
（图4）二氧化碳空气捕集、燃烧后集中捕集、燃烧前集中捕集
工业中最大体量的排放（电厂、钢厂、水泥厂等）适用燃烧后集中捕集。燃烧后集中捕集技术的思路是基于二氧化碳是酸性气体，通过在吸收塔里的碱液或胺液，中和反应被吸附；接下来在再生塔里（一般情况下需要加热）脱附为高浓度二氧化碳并被收集，同时吸附液循环；液化的食品级二氧化碳成本约300-400元一吨（运营费）。目前该类技术较为成熟，其优势在于反应原料成本相对较低，其弊端在于二氧化碳分离时的再生能耗不低（同样带来排放），如果未来使用风光电等清洁能源可以改善。
DAC是唯一能够减少空气中二氧化碳浓度的工程化技术，是人类应对全球气候变化的“终极”兜底负碳技术。无论各个国家如何制定碳中和战略，最终全球空气中二氧化碳浓度大抵相同，是人类命运共同体的衡量指标之一。从全球排放角度来看，有相当多的移动排放源，包括交通行业、农业等，其排放总量几乎和大型集中固定排放源相当——要实现碳中和，必须面对解决这些问题，而DAC技术可以发挥重要作用；此外，DAC是真正的分布式捕集技术，无需管道网络，哪里需要哪里捕集，因此可以很好地实现从利用端（U）出发，以U定C，产生市场化经济效益。目前DAC最大的障碍还是在进一步降本提效上，所以需要找到第一批合适的应用场景。
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