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变废为宝 破解温室气体难题


【内容提要】处理温室气体排放是全人类面临的重大课题。作为全球第一大温室气体(二氧化碳)排放国,中国的内外部环境都要求在温室气体减排上采取更多行动。作为世界第一工业大国,中国以煤炭为主的化石能源结构难以在短时间内实现大的转变,从单纯做减法的角度实现进一步减排存在压力和困难。要履行全球减排负责任大国担当和建设本国生态文明,就需要中国转变理念,由过去的以减排为主的堵、转为减排与温室气体(二氧化碳)再利用相统一的疏堵结合,构建更完善的温室气体捕获转化再利用技术、制度、产业体系,实现温室气体变废为宝再利用。

【关键词】 温室气体排放 碳捕获和转化 变废为宝  消除雾霾


一、温室气体减排已成全球性共识


(一)温室气体排放全球现状
人类的衣食住行、绿色森林的保护都离不开碳元素,但人类的活动也会造成碳排放。如今,二氧化碳(CO2)作为全球温室气体(76%是 CO2)和众多环保问题的源头,不仅是各国的沉重负担, 而且正在对人类乃至整个地球带来重大负面影响。联合国世界气象组织 2017 年 10 月发布的年度《温室气体公报》称:2016 年全球大气 CO2 浓度增加到了数百万年以来的最高水平,或将导致海平面上升 20 米,并使气温升高 3 摄氏度;2016 年CO2 的增加量比过去 10 年平均值高出 50%、大气 CO2 浓度较工业化之前的水平高出45%、达到 400ppm,超过了数十万年来自然变化的程度。
二氧化碳大量排放带来全球变暖,会使降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升,不仅危害自然生态系统平衡,其带来的一系列连锁反应,还威胁人类的生存。今年夏天,北极圈内一些气象站气温已超 30℃,连续 3 天平均最高气温处于历史最高点;北美地区加拿大魁北克省 7 月初遭遇几十年罕见的连续高温; 美国得克萨斯州、亚利桑那州等多地气温突破历史纪录;英国部分地区持续高温干旱,创半个世纪以来最干旱夏天的纪录;东亚地区更是热浪滚滚,日本、韩国出现近百人死亡、上千人中暑。

更让人担忧的是,最新研究显示全球气温升高会对粮食作物带来明显影响。美国哈佛大学公共卫生学院的塞缪尔·迈尔斯等研究人员综合分析了高浓度CO2 环境中,农作物培育实验数据和联合国全球人口饮食信息等数据后发现:在大气 CO2 浓度升高情况下,水稻、小麦、大麦和马铃薯的蛋白质含量会出现明显下降。此外,CO2 浓度升高不仅会造成上亿人蛋白质摄入不足,还可能导致更多人贫血。其实,早在 2015 年,迈尔斯就曾发表研究报告称,CO2 排放量增加可能导致全球大约 2 亿人缺锌。

人类大量排放以CO2 为主的温室气体,已经给人类生活、地球生态带来明显影响,如何削减碳排放已成为本世纪最重要的环保话题之一。从哥本哈根大会,到《巴黎协定》,这种全球共识其实已经转换为削减碳排放实际行动。


(二)全球气候治理中的中国担当

作为全球第一人口大国、工业大国,中国的碳排放量居于全球首位。2014 年,全国 CO2 排放量达到 105.5 亿吨,占全球总量的 29.6%。2009 年哥本哈根大会前,中国政府首次向国际社会宣布了国家控制温室气体排放的行动目标:到 2020 年单位国内生产总值 CO2 排放比 2005 年下降 40%至 45%。此外,中国通过以大国气候外交、推动《巴黎协定》的顺利达成与生效,并在美国宣布退出《巴黎协定》前后坚定发声等。中国气候变化事务特别代表、全球气候行动峰会联合主席解振华 9 月 13 日在美国旧金山表示, 中国将确保百分之百兑现对外宣布的应对气候变化承诺,为全球绿色低碳发展做出更大贡献,赢得了国际社会的喝彩与瞩目。
党的十九大报告首次提出“引导应对气候变化国际合作,成为全球生态文明建设的重要参与者、贡献者、引领者”的论述, 不仅指出了中国应对气候变化国际合作在全球生态文明建设中的主要地位,同时明确提出了中国在全球气候治理中的国家定位: 从最初的参与者、到积极建设性的贡献者、到引领者的转变。这一论述不仅体现了党中央对应对气候变化国际合作的高度肯定, 而且公开回应了国际社会对中国在全球气候治理中发挥更为关键作用的期待,为中国在全球气候治理中发挥更大作用指明了方向。


二、单纯做减法必然存在压力

中国在削减碳排放上已经对世界作出庄严承诺,并选择了绿色循环低碳发展之路。在《中国制造 2025》中,明确要推进绿色制造。同时,中国经过多年努力也已经成为世界上开发利用可再生能源的第一大国:在累计 4000 多亿元国家补贴的推动下,风能、光能等可再生能源在一次能源中的占比也由 1990 年的零,增长到2016 年的 3%、展望至 2040 年将扩大至 18%,年均增长率 9.8%。但是,中国的温室气体排放总量依然巨大。
作为全球第一人口大国、第一工业大国,中国的生产、生活能源消耗量注定是一个庞大的数字,并且以煤炭为主的化石能源在能源结构中的高比例短时间内难以改变。根据国办发布《能源发展战略行动计划(2014-2020 年)》:到 2020 年,化石能源在一次能源消费中占比高达 85%;《〈BP 世界能源展望〉2018 年版中国专题》: 2040 年,中国化石能源在一次能源消费中占比仍达到 66%。化石能源的使用仍将产生大量 CO2,减排形势严峻。此外,中国无论是电力热力,还是石油、化工冶金等 CO2 排放的主要行业,其整体发展水平已经处于全球前列,单位能耗下降空间非常有限。以燃煤发电为例,通过发展高参数大容量先进机组、淘汰落后产能、采用先进节能技术、提升经营管理水平等途径,我国燃煤发电技术水平、排放指标都处于全球先进水平。2017 年, 我国火电机组的平均供电煤耗已达到 309g/kWh,相比于 1949、1978 和 2002 年分别降低了 73%、34%和 19%,明显优于美国和世界平均水平,与欧洲相当,进一步下降空间有限。

因此,优化产业结构、发展非化石能源、以节能和提高燃煤效率来推进大幅度碳减排从中短期来看空间有限,从单纯做减法转化为“减排+二氧化碳再利用”是中国实现温室气体减排的必由之路,也是《中国制造 2025》所提倡的“绿色制造”的应有之义。


三、CO2 再利用日益受到关注

实际上,世界各国在寻找减排、实现低碳经济的同时,也正加快研究 CCUS(碳捕获、利用和封存技术)的新途径,并取得了实质性进展;发达国家正积极发展 CCUS 技术,将其列为基本国策, 并进行大力扶持;CO2 已经与太阳能、风能一样获得政府补贴。根据美国国会 2018 年 2 月通过的税收抵免政策,将CO2 永久封存、每吨可获得高达 50 美元的税收抵免,将 CO2 转化成相关产品或通过强化驱油(EOR)储存在地质中、每吨可获得 35 美元的税收抵免;2018 年 5 月 10 日,美国众议院科学空间和技术部提出《2018 年化石能源研究与发展法案》,扩大对新兴 CCUS 技术的研究,这是近十年来首次修改,显示了美国政府对于碳利用技术的关注。
此外,加拿大也已经将 CCUS 作为基本国策之一,推出了与美国类似的碳回收利用税收优惠政策。加拿大阿尔伯特省还在今年5 月末成立了碳转化技术中心。早在 2008 年 6 月,欧盟就宣布将推进化石燃料发电厂CCS(碳捕捉和储存)技术,捕集与封存 90%的碳排放,到 2025 年将所有现有的化石燃料发电厂都改造采用CCS 技术。而澳大利亚则颁布海上石油法,允许对燃煤电站排放的 CO2 进行海床封存等。9 月 13 日,在全球气候峰会上,加拿大、墨西哥和美国气候联盟(美国 17 个州政府组织的联盟,代表美国40%的人口,9 万亿美元(近美国 GDP 一半的实力))宣布将在 2025 年实现北美范围内,50%的能源生产实现 CO2 零排放的目标。
大力发展CCUS 技术作为全球削减碳排放的一个趋势,只有顺势而为,才有机会在其中掌握主动。中国作为一个科技大国,在发展 CCUS 技术有必要积极主动出击,争取能够在未来这一技术大面积普及时实现全球引领。目前来看,中国在 CCUS 技术方面已经取得了一些重要的成绩:经过两年的努力,今年4月,宋维宁博士领导的绿碳环保-C4X 团队作为唯一中国队在美国举行的世界碳X 大赛中进入世界十强。刚刚召开的全球气候行动峰会上宋维宁博士还成为了峰会世界各地 22 位气候开拓者中唯一的中国代表。
据了解,该团队来自中科院兰化所和上海有机所、大连理工大学、以及加拿大多伦多大学等。他们的技术是以“吸附精馏法回收 CO2”和“多种气源 CO2 捕集提纯”方法捕获提纯各种工业烟气里的CO2,再以 CO2 与环氧乙烷生成碳酸乙烯酯(锂电池电解液的主要组分);碳酸乙烯酯与甲醇反应生成碳酸二甲酯;利用风、光等新能源电解水制得氢气,再与碳酸乙烯酯在“纳米催化剂” 作用下生成乙二醇等高附加价值化工产品和甲醇燃料,其技术具有高效、节能和经济的优异特点。另一技术路线是利用超临界 CO2 制造绿色发泡建材、飞机汽车内饰件、包装材料等节能环保产品。还将利用 CO2 制造纳米碳管、纳米碳纤维、聚氨酯、聚碳酸酯等。
按上述的解决方案,不仅能将燃煤电站、燃气电站、钢铁厂、 化工厂、冶炼厂、水泥厂、石灰石、酿酒厂等工业烟气中的 CO2 制成高附加值的化工和建材产品,大幅度减少温室气体排放,而且同时以完全脱除烟气中的大气污染物为目标、能够极大解决当前备受热议的雾霾问题。

转化应用CO2 将创造出一个全新的、能创造巨大价值的碳经济产业链,将为绿色环保和生态发展提供足够的可持续经济来源。根据宋维宁团队的估算,在大规模生产的情况下,每吨 CO2 将产生1.2 万元人民币价值的产品。根据这一数据,理论上全国可转化利用的 70 亿吨 CO2 的总价值是 84 万亿元,与 2017 年中国国民经济总产值相当。


四、政策建议

当然,CO2 捕获转化应用技术的落地全世界都还处于初级阶段。着眼于推动中国在 CO2 再利用方面能够取得更多实质性进展, 在削减碳排放过程中取得更多成绩,我们认为以下几方面的建议具有实际可行性。
其一,着眼于实现技术落地,政府可以在 CCUS 技术发展上出台激励性举措。如,对 CO2 进行捕获转化和应用的企业,提供类似于美国、加拿大的税收抵扣优惠碳税,即永久封存一吨 CO2,给予350 元人民币的税收抵扣;转化或驱油用一吨 CO2,给予 250 元人民币的税收抵扣。这将极大地促进CO2 的规模化减排。
其二,政府可以优先鼓励推进CCUS 技术在大型国企的落地。在钢铁、燃煤发电、化工等诸多领域,CO2 排放总量大,同时这些行业大型国企居多,且近两年来这些中上游产业盈利境况乐观, 适宜作为 CCUS 技术的优先落地对象。
其三,重点推进在大型工业产业园内实现CCUS 技术的落地。当前,国内大型工业产业园内可以集中收集园区内各企业排放的烟气,进行分类,再进行捕获转化应用。
其四,CO2 捕获后,要实现有效利用需要一个成熟的 CO2 行业作为支撑,因此,要促进 CO2 行业与能源、钢铁、化工、制药、建材、交通、农业和环保等相关行业的协调发展,从整个生态产业链的角度促进生态发展和社会经济的可持续发展。
其五,加强在 CCUS 技术层面的国际合作。目前来看,一些发达国家在 CO2 再利用的落地探索中同样积极性很高,且有与中方合作的意愿,因此如何利用跨国合作交流来加快国内在该领域的发展也值得重视。例如,在今年的世界碳 X 大赛颁奖时,加拿大联邦环境与气候变化部部长麦肯纳就专程接见了 C4X 团队宋维宁, 并对中加合作的 C4X 团队及其 CCUS 技术表示了高度认可。
其六,对研发碳捕获及转化的创新企业给予大力投入和扶持, 鼓励创新战略理念与实践相结合,在技术上引领世界的发展。



(本文作者:《瞭望》新闻周刊记者 宫超,国家制造强国建设战略咨询委员秘书处 曾建平,绿碳环保-C4X 团队主要成员宋维宁、张永春、李跃辉、陈绍云、范岩、鲁燕芳)





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