碳中和背景下的脱碳方案

田江南，安 源，蒋 晶，罗 扬，田景奎，常德生

(1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京市 西城区 100120；2.山西省第二地质工程地质队检测中心，山西省 侯马市 043011；3.香港大学土木工程系，中国 香港 999077；4.大唐国际发电股份有限公司，北京市 西城区 100033)

0 引言

2020年9月，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上提出：力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这对我国能源发展提出了新的要求。国际上把能源技术革命作为降低碳排放的最主要途径，美国在2021年2月重新加入《巴黎协定》，全球大部分国家已经或正在制定碳中和计划。在可再生能源(主要是风和光资源)形成高比例发电系统之前，给我国能源提供兜底保障的还得依靠化石能源。因此，影响中国碳达峰时间点的重要因素就是化石能源消费总量[1-2]。

通过提高可再生能源比例来实现脱碳之路也有弊端。由于风、光资源的不稳定性，风光的接入对电网的稳定性带来了一定的冲击。由于氢具有可储存、能量密度高、清洁无污染等优点，将可再生能源转化为氢能是一条可行的路线。风光发电电解水制氢消耗的原材料仅为水，而电解水制氢产生的氢气在消耗之后又会产生水，这是一条可持续地、循环发展的技术路线。在“新能源电解水制氢”技术成本降得足够低(至少能和煤制氢相同)之前，我国的碳排放还要靠碳捕集与利用技术兜底[3-4]。

1 我国的碳中和解决方案

碳中和是指人为利用化石能源的碳排放量被人为作用和海洋吸收、侵蚀-沉积过程的碳埋藏、碱性土壤的固碳等自然过程所吸收，即净零排放。2019年，全球碳排放量为401亿 t，其中化石燃料燃烧占86%。这些排放量被陆地碳汇31%，被海洋碳汇23%，剩余的46%滞留于大气中。碳中和目的是使这部分无法被大自然碳汇的碳降为零。

目前我国是世界第一大碳排放国，我国的碳排放总量是欧美其他国家的2～3倍。我国实现碳中和负担远大于其他国家，因此需依靠技术革新来驱动碳减排。2010年中国的非化石能源在一次能源消费中的比重为8.6%，到2020年提高到的15.9%左右，大约每年平均提高0.73%。我国定下的目标是在2060年实现碳中和，则一次能源中非化石能源所占比重在21世纪中叶需提高到80%或更高。这意味着到21世纪中叶，我国非化石能源在一次能源中所占比重每年应提高2%左右[5]。

我国重视核电和水电的发展，这两种发电形式也给我国的脱碳目标贡献了很大力量。但由于生态安全等多种因素，除正在建的少数几个大型水电外，水电事业发展较慢。我国的核电事业有很大的增长潜力，但是在福岛核事故后，受我国政策影响，核电的发展进展也不容乐观。因此，未来需要提升以光伏和风电为主力的可再生能源比例，从而提升非化石能源的比例[6]。

2 碳捕集与利用技术

温室气体除二氧化碳外，还包括氧化亚氮、甲烷和其他三类含氟化合物，二氧化碳排放对气候变暖的贡献大约占75%，绿色植物的碳汇对碳减排的贡献非常低，因此必须依靠碳捕集封存和利用技术为实现碳中和目标兜底[7]。

2.1 碳捕集技术

碳捕集技术是指二氧化碳捕集与封存技术(carbon dioxide capture and storage，CCS)，简单理解为将含碳燃料燃烧生成的二氧化碳分离并且富集的技术，通过将二氧化碳捕集起来，避免排放至大气，以减缓温室效应加剧的方法。根据燃烧过程与碳捕集过程的先后顺序， CCS通常被划分为二氧化碳燃烧前捕集、二氧化碳燃烧中捕集以及二氧化碳燃烧后捕集，如表1所示[8]。

表1 碳捕集方式的分类Table 1 Classification of carbon capture methods

2.1.1 二氧化碳燃烧前捕集技术

二氧化碳燃烧前捕集二氧化碳是指在含碳燃料燃烧之前将含碳燃料中的“碳”分离出来的一种技术，这种技术从源头上解决了碳排放的问题。主要是利用煤气化技术和重整技术，将煤炭在燃烧前转化成二氧化碳和氢气的合成气，然后将二氧化碳在合成气中得以分离，使含碳燃料中的“碳”不参与后面的燃烧过程，煤炭整体气化联合循环是这种技术的代表。燃烧前捕集二氧化碳的优点是处理的烟气流量小，二氧化碳分压高，分离难度较低，分离成本较低；该技术路线的缺点是工艺较复杂，系统稳定性较低，对燃气轮机的参数要求高[9]。

2.1.2 二氧化碳燃烧中捕集技术

二氧化碳燃烧中捕集二氧化碳是通过调整助燃剂的成分，使得燃烧后排放的气体中二氧化碳浓度大大提高，从而有利于二氧化碳富集的技术。富氧燃烧技术是这项技术的代表，其技术是用纯氧作为氧化剂进入燃烧设备与含碳燃料进行燃烧反应，燃烧后产生的烟气中二氧化碳浓度可高达95%，不需进一步提纯便能实现液化输送。富氧燃烧的优势是烟气排量小，二氧化碳浓度高，后处理简单；其缺点是空分制氧过程的耗电量太高，高浓度二氧化碳气氛加速锅炉腐蚀、结渣等问题[10]。

2.1.3 二氧化碳燃烧后捕集技术

二氧化碳燃烧后捕集是指将二氧化碳从含碳燃料燃烧生成的烟气中分离、富集的一种技术。相较于前面所述的两种技术，燃烧后捕集系统位于燃烧系统的下游。如果是改造工程，仅需要在现有的系统后增设二氧化碳捕集装置，对原有系统的改变较少；这项技术缺点是烟气流量大、二氧化碳分压低、出口气体温度高、烟气组分复杂和由此导致的二氧化碳捕集过程能耗偏高。燃烧后捕集技术主要有化学吸收、物理吸附、生物固碳和膜分离技术等。目前，化学吸收法是目前燃烧后碳捕集技术分类中应用最多的方法[11]。

(1) 化学吸收法。

化学吸收法是燃烧后碳捕集工艺中应用最广泛的技术，这项技术的关键在于化学吸收剂的选用，选用一种合适的吸收剂有利于节省碳捕集的成本。原理是用化学吸收剂选择性地从混合气相组分中分离出易溶成分的方法。化学吸收法实质上是利用碱性吸收剂与烟气中的二氧化碳接触并发生反应去除二氧化碳，这种反应是一种可逆反应，在特定条件下会发生逆反应。反应生成的盐类在一定的条件下会分解并将二氧化碳释放，从而可以将二氧化碳从烟气中脱除并富集[12]。

(2) 物理吸附法。

吸附剂选择性地从烟气中吸收二氧化碳，然后通过调整温度和压力将吸附的二氧化碳释放，吸附剂得以再生。这项技术和萃取的原理有些类似，只不过溶剂和溶质都是气态。物理吸附法较化学吸收法的优势是整个碳捕集的过程能耗非常低。物理吸附技术主要包括变温吸附和变压吸附，最常用的是变压吸附。变压吸附是在较高的压力下利用吸附塔内的吸附剂选择性地吸附烟气中的二氧化碳，从吸附塔顶端获得脱除二氧化碳后的气体，再通过降低塔压使吸附在吸附剂上的二氧化碳脱离从而实现二氧化碳捕集。目前，通常采用多次均压和多塔吸附工艺来提高变压吸附装置捕集二氧化碳的能力和纯度[13]。

(3) 膜分离法。

膜分离法的原理是烟气中不同组分透过膜时的速度不同，从而分离并富集二氧化碳的方法。二氧化碳的渗透速率相对于烟气中其他组份来说较快，会优先通过膜而将二氧化碳脱除。膜分离技术的优点是工艺和操作都比较简单，能耗也比较低。因此在烟道气的二氧化碳捕集方面具有较大竞争力，也逐渐受到更多关注。但是，膜分离法存在一定缺点：富集的二氧化碳浓度较低、二氧化碳分离条件要求较高、工作负荷较低等，这些缺点限制了膜分离法在碳捕集领域的大规模应用[14]。

(4) 生物固碳法。

生物固碳法是利用微生物(如微藻等)来吸收二氧化碳的技术。这项技术的优点是：脱碳过程中不产生二次污染，对环境友好。缺点是：占地面积大，应用条件有地域限制(生物固碳法需要在水资源丰富、光照强度大的地区)，减碳速度小。另外，为适应大规模的应用，微藻的抗毒性有待提升[15]。

2.2 二氧化碳利用技术

二氧化碳的利用技术主要包括：化工利用、物理应用、地质封存和生物质利用等[16]。

(1) 二氧化碳化工应用。

二氧化碳化工应用就是利用化学法将二氧化碳转化为目标产物的方法。目前，已经实现了二氧化碳较大规模化学利用的技术主要有二氧化碳与氨气合成尿素、二氧化碳与氯化钠生产纯碱、二氧化碳与环氧烷烃合成碳酸酯以及合成水杨酸技术。

(2) 二氧化碳物理应用。

二氧化碳物理应用在饮料、啤酒等场所有很多应用。比如将二氧化碳用作制冷剂，在食物、空调、热泵等场所有很多应用。二氧化碳的物理应用还可以将其制作为干冰，干冰的冷却能力约为水的2倍，其最大的特点是升华冷却时不留痕迹，无毒无害，能够用于食品的保存和运输等环节的冷却。

(3) 二氧化碳的地质封存。

二氧化碳地质封存与利用是指将二氧化碳注入地层以及深水层中，利用地质条件或地下矿物生产如煤层气、石油、天然气及页岩气等产品的方法。这种方式可以将二氧化碳封存，相较于传统工艺，能进一步降低二氧化碳的排放。

(4) 二氧化碳生物质利用。

二氧化碳可以用于生物农产品增产等技术中。因为植物生长需要进行光合作用，光合作用就需要以二氧化碳为原料。当前，二氧化碳的生物利用技术还处于起步阶段，其研究主要集中在二氧化碳气肥和微藻固碳上。其中，微藻固碳主要应用于食品、能源、饲料和肥料等的生产。

3 碳中和背景下的氢能发展机会

在低碳经济时代，氢能无疑是未来最具发展潜力的能源。但利用化石能源制氢，获得产物氢气的同时会排放大量的二氧化碳，这严重制约着氢能发展。CCS与氢能相耦合，有利于CCS与氢能产业协同发展。

氢能可通过可再生能源电解水制氢和化石能源转化制得。我国的氢能主要来自于化石燃料的转化，因此从严格意义上讲这种氢能不属于清洁能源。氢能通过化石能源转化的过程(比如煤制氢、天然气制氢等)中会排放大量二氧化碳，碳排放的问题将制约氢能的发展[17]。

3.1 氢能参与脱碳的必要性

世界上主要的经济体提出碳中和目标以来，氢能成为了各国碳中和技术唯一的的救命稻草。目前氢能产业存在的主要问题有：(1)绿氢在整个氢产业链中占比较少(仅为4%左右)；(2)绿氢成本较高，其受制于电解水制氢设备的价格和高昂的电价。尽管氢气的发展存在各种各样的问题，但是各国仍努力发展绿氢产业，以求最终降低其成本。因为在实现碳中和目标以后仍有30%左右的能源用户无法通过电气化满足。比如冶金行业就无法完全通过电气化实现脱碳，除使用可再生能源外，还需通过氢能来实现脱碳。大规模绿氢产业将带来较高的新增电力需求，加快绿氢的应用，也是我国构建高比例可再生能源电力系统的重要途径[18]。

氢除了可在冶金等碳减排难度较大的领域有应用空间外，还可作为合成氨和甲醇的化工原料。以氢为燃料的氢燃料电池车在交通领域也有很大的应用空间，在交通领域能够发挥其能量密度高和续航能力强的优势。在发电和电网系统内，氢能可借助氢燃料电池发挥调峰和分布式供能的作用。实现碳中和的目标离不开氢的参与[19]。

3.2 氢能发展政策

近年来，包括我国在内的主要经济体都出台了氢能相关发展规划。我国“十四五”开局以来，各地方、各企业纷纷出台相关文件支持氢能发展。很多企业，包括大型国企、私企等纷纷布局氢能产业，成立了氢能公司。比如国电投、中能建、隆基、阳光电源等都成立了自己的氢能公司，企业层面也体现出了对氢能发展的重视[20]。

这些政策涉及氢能产业的上下游的多个行业，多个文件都提到了有关氢能产业基础设施建设的指导性政策。比如“网源荷储一体化”政策就明确提出，新增风、光等新能源布局的同时要建设一定比例的负荷端，这个负荷就包括制氢。我国很多地方政府都出台了对发展氢能有利的政策文件，这一系列的氢能指导意见都体现了氢能在我国的受重视程度非常高，也体现了我国对氢能产业发展的支持。山东省的2021年光伏支持政策中明确提出，建设光伏的同时考虑配置10%～20%的储能，其中氢能也可视同储能看待。这些氢能政策的正式印发也推动了氢能产业的快速发展，相关补贴政策的出台也体现了我国对氢能产业发展的重视[21]。

3.3 氢能参与脱碳的可行性分析

要想真正获得绿氢，必须解决氢能生产过程中碳排放的问题。根据氢能产业发展阶段可以把氢能的发展过程大致分为3个阶段：初期阶段(灰氢阶段)、中期阶段(蓝氢阶段)和最终阶段(绿氢阶段)。目前我们就处于初期阶段，氢气来源主要是灰氢，主要通过化石燃料转化获得。例如天然气制氢、煤气化制氢等工艺得到的氢气成为灰氢，灰氢的生产过程中会伴随着大量的碳排放。中期阶段的氢气被称为蓝氢阶段，这个阶段是灰氢与CCS技术相耦合，减少碳的排放的阶段，这个阶段的氢能碳排放降低，但是投资较高。最终阶段的氢气被称为绿氢阶段，这也是我们发展的终极目标。此阶段氢气是通过可再生能源电解水获得，新能源发电不消耗化石能源，没有碳排放。电解水所用的原料水在氢气消耗的过程中又会被生成，从这个角度看水也是可再生的，循环的。制氢过程可实现完全脱碳，这个阶段是氢能发展的最终目标。目前从价格上来看，氢气的价格高低排序为：灰氢<蓝氢<绿氢。考虑到成本和环保等因素，现阶段的主要方向是提升科技水平、降低绿氢成本，在逐步实现脱碳制氢的同时，进一步降低制氢成本[22]。

在蓝氢和绿氢之间还有一种氢气，叫“蓝绿氢”(turquoise hydrogen)，蓝绿氢有时也被称为“青氢”。青氢的制备原料是采用天然气，但不用水蒸气转化法，而是采用热裂解技术，在高温反应器中甲烷被直接裂解为氢与固体碳。固态的碳不会排放到大气中，可以直接储存起来，或是用作冶金等用途。这种高温裂解工艺通常需要耗用大量化石燃料，从这个角度讲也会有碳排放；也可采用可再生能源或者碳中和能源来加热，这种方式能源转化次数较多，能量转化效率会降低[23]。

目前工业上制氢的方式有电解水制氢、天然气制氢、煤制氢、工业尾气制氢和甲醇制氢等，各种制氢方式占总氢产能的百分比如下：工业废气制氢为45%、煤制氢为41%、天然气制氢为10%、电解水制氢为4%。从数据可看出目前氢气的主要来源为工业尾气制氢，电解水制氢所占的比例最低。预计到21世纪中叶，电解水制氢占比将达到64%，灰氢占比将达到21%。各种制氢方式的技术特点如表2所示[14]。

表2 各种制氢方式的特点Table 2 characteristics of various hydrogen production methods

目前新能源电解水制氢的发展瓶颈主要是电解水制氢设备成本和度电成本较高，随着电解槽、电极、双极板成本的下降和新能源发电成本的降低，绿氢成为一种脱碳的终极方案[24]。

图1为绿氢竞争力的阶跃式变化图，数据来自于国际可再生能源机构，从图中可看出发电成本是绿氢价格的主要决定因素。因此除了降低电解槽造价外，降低可再生能源的发电成本是降低绿氢成本的另一条可行路径[25-26]。

图1 绿氢竞争力的阶跃式变化图Fig.1 Step-change diagram of green hydrogen competitiveness

4 结论

(1) 现阶段，CCS是目前实现碳减排、脱碳的有效手段，CCS通常被划分为二氧化碳燃烧前捕集、二氧化碳燃烧中捕集以及二氧化碳燃烧后捕集。常见的燃烧后碳捕集技术有化学吸收、物理吸附、生物固碳和膜分离技术，目前化学吸收法的应用最多。

(2) 2013至2019年中国碳市场的平均价格为21.5元/t，在未来碳价很有可能会上涨，如果国家制定严格的碳交易政策则会倒逼企业进行碳减排技术改革。

(3) 目前我国碳捕集技术的大规模应用还面临着许多困难，如成本偏高、二氧化碳市场需求不足、碳市场机制不健全等。未来应重点提高碳捕集技术的经济效益，以实现更大规模的二氧化碳减排。

(4) 氢能产业是脱碳经济的终极方案，可通过大力发展绿氢的方式代替灰氢、蓝氢实现脱碳。

(5) 我国实现碳中和的周期短、难度大，和发达国家相比，我国需要用更短的时间完成深度碳减排，需重点关注这方面的技术储备。

(6) 目前国内的绿氢项目不多，“十四五”开局半年来，绿电制氢项目在全国各地火热布局，相信在不久后会看到这些项目相继落地，让绿氢规模的增加推动整个行业的成本下降。