作者
Amanda McGrath
Staff Writer
IBM Think
Alexandra Jonker
Editorial Content Lead
什么是碳捕集与封存 (CCS)？
碳捕集与封存 (CCS) 是指在二氧化碳 (CO2) 排放进入地球大气层之前对其进行捕集和封存的流程。CCS 的目标是缓解气候变化，具体方法则是防止大量温室气体排放助推全球变暖和环境破坏。
CCS 过程包括收集工业运营、发电厂和其他来源产生的二氧化碳，然后将其运送到地下储存地点，永久封存。CCS 有时也被称为碳捕集、利用和封存 (CCUS)，指的是捕集的碳有时可用作促进其他工业流程的产品。
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碳捕集为什么重要？
减少大气中的温室气体对减缓气候变化至关重要。向可再生能源过渡是实现这一目标的重要组成部分。但是，由于化石燃料的普遍性以及向更可持续发展能源转换所面临的挑战，化石燃料在一段时间内仍将是全球能源结构的一部分。CCS 可以减少化石燃料释放的二氧化碳量，从而以更清洁的方式使用这些化石燃料。
二氧化碳的排放浓度主要来源于大型排放源，例如大型工业设施、天然气加工厂、炼油厂和发电厂，他们也是 CCS 项目的理想候选对象。2022 年，全球捕集和封存了 4,600 万公吨（也称为“吨”）二氧化碳；到 2030 年，预计此类项目每年将在全球捕集和封存 2.54 亿公吨二氧化碳。1随着越来越多的国家/地区和公司寻求实现净零排放并投资于清洁能源战略，人们对 CCS 项目和碳捕集技术的兴趣日益浓厚。
Mixture of Experts | 8 月 28 日，第 70 集
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碳捕集与封存的工作原理
CCS 是一个三步过程，包括二氧化碳 (CO2) 的捕集、运输和封存三步。
捕获
二氧化碳捕集主要有三种类型：燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧。每种方法各有优势和挑战。具体选择取决于多种因素，例如发电厂或工业设施的类型、所用化石燃料的具体特性以及经济上的全面考虑。
燃烧后捕集：最常见的二氧化碳捕集类型是燃烧后捕集，即在化石燃料燃烧并转化为电能或热能后捕集二氧化碳。产生的烟气使用溶剂分离成浓缩的二氧化碳流，然后进行压缩和运输封存。更新现有发电厂时经常使用此方法。燃烧前捕集：燃烧前捕集是指在化石燃料燃烧前去除二氧化碳。化石燃料在燃烧前被部分氧化，产生氢气和一氧化碳的混合物。然后，加入水将一氧化碳转化为二氧化碳进行捕集和封存。这种方法比燃烧后捕集的效率更高，但需要更复杂、更昂贵的设置。富氧燃烧：这种方法是在纯氧中而不是在空气中燃烧化石燃料，产生的烟气主要由二氧化碳和水组成。水蒸气凝结后，剩下的是几乎纯净的二氧化碳，可以直接进行压缩和运输。这种 CCS 技术仍处于早期开发阶段，尚未得到大规模使用。
运输
一旦捕获二氧化碳，便会将其运送到储存站点。此操作通常是通过管道来实现的，且所用技术与长距离运输天然气和石油的技术相同。轮船或卡车也可用于距离较短或地形困难的情况。
存储
碳封存是指通过长期和永久办法封存二氧化碳，以防其释放到大气中。碳封存分为几种类型：
地质封存：这种方法是将二氧化碳注入地下深处的地质结构中。这些地质结构可包括枯竭的油田或气田、无法开采的煤层或咸水层。深层地质结构封存是迄今为止最常用的碳封存方法。海洋封存：这种方法是将二氧化碳直接注入海洋深处。在那里，二氧化碳会溶解或形成稳定的水合物。然而，这种方法有可能会对海洋生态系统产生影响，因而引发了人们对环境方面的担忧，目前尚未被视为一种可行的选择。矿物碳化：在这一过程中，二氧化碳与某些类型的多孔岩层发生反应，形成稳定的矿物。这些反应需要数千年的时间才能自然发生，但是可以通过工业过程来加速反应。虽然这种方法可以一劳永逸地解决二氧化碳封存问题，但目前仍然存在成本高昂和极其耗能的不足。生物封存：这种方法是通过自然方式捕集和封存二氧化碳，例如植物可在生长过程中吸收二氧化碳，将碳封存在其组织和土壤中。基于生物的战略包括重新造林和碳农业技术，它们可以最大限度地提高封存量并最大限度地减少排放量。
捕集和封存碳之后会发生什么？
捕获和存储的二氧化碳可以永久保留，也可用于其他工业流程。使用封存的碳的最常见方式是提高石油采收率 (EOR)。通过此技术，可将捕集的二氧化碳注入油田，从而增加可提取的原油量。
典型的石油开采方法会留下大量的石油；EOR 项目可提高开采效率。而且，由于二氧化碳会被留下，这种技术还具有能够作为长期封存选择的优点。
虽然 EOR 有一些优点，但也会导致人们更容易继续使用化石燃料发电。因此，人们将其视为向可再生能源过渡和帮助减排的更广泛战略的一部分，而不是一种完整的解决方案。
从大气中除碳的其他方法有哪些？
上文所述的碳捕集方法通常用于发电厂或工业设施等大型排放源，在新产生的碳排放量被释放之前进行捕集。不过，还有一些其他碳捕集方法可以帮助解决已经排放到大气中的碳。这称为二氧化碳去除 (CDR)。常见的 CDR 方法有两种：
生物能源碳捕集与封存 (BECCS) 是一种利用生物能源来代替化石燃料以作为动力源的策略。生物质能在其生长过程中从大气中吸收二氧化碳；当它作为生物燃料进行燃烧来获取能源时，产生的二氧化碳排放可进行捕集并封存。如此一来，BECCS 便成为了一种潜在的“负排放”技术，因为它可从大气中净去除二氧化碳。直接空气捕集与碳封存 (DACCS) 侧重于直接从空气中捕集二氧化碳，而不是从发电厂等点源位置进行捕集。直接空气捕集 (DAC) 策略也可实现负排放，因为它们致力于消除大气中已存在的二氧化碳。
世界各地的碳捕集与封存项目
联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 和国际能源署 (IEA) 均报告称，他们制定了在 2050 年前实现全球净零排放目标的战略，而 CCS 是这些战略中的一个重要组成部分。不同的国家或地区都在以各自的方式处理 CCS 问题。以下是几个示例：
美国
美国有大约 10 个大型 CCS 设施在运营，包括德克萨斯州的 Petra Nova 项目。作为世界上规模最大的燃烧后碳捕集项目，它每年从燃煤发电厂捕集超过 100 万公吨的二氧化碳，并将其用于附近油田的 EOR 项目。美国政府通过 45Q 税收抵免政策为 CCS 提供财政激励，该政策规定，捕集或封存的每公吨二氧化碳均可抵免相应税款。
加拿大
加拿大部署有多个重大 CCS 项目，其中包括 Weyburn-Midale 油田；自 2000 年开始运营，该油田每年均会封存约 200 万公吨的二氧化碳。加拿大政府通过资助研发以及鼓励其在油砂作业中使用 CCS 的监管措施来支持 CCS。
挪威
挪威是碳捕集与封存领域的先驱。自 1996 年以来，北海的 Sleipner 油田便一直在捕集并封存二氧化碳，从而使其成为运行时间最长的 CCS 项目之一。二氧化碳会从油田开采的天然气中分离出来，然后再被注入到地下盐层中。该国政府会为这些项目提供资金，以将 CCS 作为实现其气候目标的关键工具。
中国
作为世界上最大的二氧化碳排放国，中国将 CCS 视为其减排战略的重要组成部分。中国有多个 CCS 试点项目，并在研发方面投入了巨资。不过，中国的大规模 CCS 部署仍然有限。
欧洲
欧盟 (EU) 通过其排放交易系统来支持 CCS；该系统可通过为碳排放定价来增强 CCS 的财务吸引力。然而，欧洲 CCS 的进展一直较为缓慢，且只有少数项目实现运营。
CCS 有哪些挑战和限制？
CCS 尽管潜力巨大，但也面临着一些挑战。捕集、运输和封存二氧化碳的成本很高，而且碳捕集技术仍处于开发过程的不同阶段。虽然预计成本会随着 CCS 技术的成熟而下降，但它仍是进行广泛部署的重大障碍。此外，CCS 还需要消耗大量的能源，如果管理不善，可能会增加发电站或工业设施的总排放量。这称为 CCS 的“能源损耗”。
扩大 CCS 的应用范围还受到地理位置的限制，因为并非所有地区都有合适的地点用来封存二氧化碳，而建立新地点的可行性也有限。人们还担心永久封存地点的长期稳定性和发生泄漏的可能性。虽然风险较低，但任何泄漏都可能破坏 CCS 在减排和缓解气候变化方面的有效性。不过，随着能源技术的发展和项目成本效益的提高，CCS 还是有望成为碳排放大户用于管理碳排放的重要方法。