「捕碳利用」,碳中和风口最热的「赔钱货」

摘要

造富风口 or 烧钱机器,说的都是这同一件事。

作者 | 雪小顽

编辑 | 靖宇

在澳大利亚某所高校的实验室里,27 岁的博士生尹舟正对着一组由试管、仪表、线路等构成的试验装置,记录下新的数据结果——简单来说,他的目标是研究如何利用二氧化碳开采出更多的石油,同时将二氧化碳埋在地下。

用二氧化碳驱油的背后,是时下颇具话题度的负碳技术 CCUS——Carbon Capture,Utilization and Storage,即二氧化碳捕集、利用与封存。

事实上,这项技术并不新鲜,在国外已经有三四十年的历史,却一直处在水面之下。直到近年全球气候议题再次被提上肉眼可见的日程,碳中和已然成为人类未来确定性最强的风口信号,这给 CCUS 技术注入了新的动力。

CCUS 正经历着自身周期中的高光时刻。

根据国际能源署(IEA)的数据,如今世界各地的 CCUS 设施,每年可以捕获 4000 多万吨二氧化碳,是全球能源转型的四大关键支柱之一。

许多政企、资本也嗅到了机会,高频加码布局,其中不乏比尔·盖茨、马斯克这样的科技大佬重金押注,尤其是今年上半年的项目融资金额大都以亿美元为单位。

那么,CCUS 这项「玩转」碳循环的技术究竟是怎么一回事?当 CCUS 被寄予厚望,它的减碳 ROI 当真如想象般美好?它又能在多大程度上兑现承诺?

如同硬币的一体两面,热捧之下,关于 CCUS 的质疑也从未停止。

去空气里「捉」点碳

作为气候议题中的主角,二氧化碳原本在自然界中有一套自己的天然循环系统:源自工业废气和动植物呼吸产生的二氧化碳,一「出生」就会释放到空气中,这些二氧化碳之后会迎来不同的命运走向,一部分被森林和海洋吸收,剩下部分则留在空气中。

如果把地球大气层看作是一个大型碳账户,那么工业和自然界排放二氧化碳就是入账的「碳源」,而吸收二氧化碳的过程则是支出的「碳汇」。所谓的「碳中和」,本质上就是要求做到收支正负平衡,碳源(碳排放)=碳汇(碳吸收)。

按照这个逻辑,通向碳中和的路径不止一条。如果人类一时难以减少碳排放源,那么也可以试试换一个思路,在等式的右端——碳吸收上做文章。

但森林、海洋等天然碳汇的吸收能力和效果有限,想在短时间抵消掉快速增长的二氧化碳排放量,需要借助技术和工程手段进行干预,把多余的碳「捉」住并且固定封存下来,从而减少大气中的二氧化碳,直至净零状态——这就是 CCUS 负碳技术希望做到的事情。

拆解 CCUS 的概念可以看出,这是一项技术综合体,整个产业链条涵盖了二氧化碳的排放-捕集-运输-利用-封存,形成一套流程连续且完整的人工碳循环。

CCUS 产业链条。|来源:NIKKAN

  • 从上游环节来看,可以将电力、化工、水泥等高碳排行业作为源头,利用专业设备直接从这些工业生产活动中捕集新生的二氧化碳「增量」,或者,也可以去空气中捕获已有二氧化碳的「存量」。
  • 到中游环节,如果碳利用场景不在捕集现场,那么被捕获的二氧化碳将被液化压缩,通过管道、船舶、罐车被运输到利用点或者存储地。其中,管道的运输成本最低,但极大依赖基础设施建设;罐车更适用于陆地短途,且能承载的二氧化碳运输量较为受限;相比之下,二氧化碳航运更灵活,在运输距离和运输量上更具优势,是日本、法国等许多国家正在着手布局的重点。
  • 进入下游的利用和封存环节后,二氧化碳的实用价值会被开发出来,用不掉的会被封存在地质结构中,通常的选择是废弃的油气藏或盐碱地。

在整套流程中,碳捕集是首要环节。

在各类工业环境下,目前最先进和被广泛采用的碳捕获技术是化学吸附和物理分离,也就是利用二氧化碳和化学溶剂之间的反应,或者是吸附剂、新型膜来抽离出二氧化碳。

这个环节通常发生在工业燃烧之后,在排放端加接一段装置设备引导废气,再利用脱碳设施分离出二氧化碳。

整个过程不需要推翻工厂的原有设备,在此基础上进行加装改造即可。通常来说,废气里的二氧化碳浓度越高,捕集的成本越低。

来自 IEA 的数据显示,CCUS 设施每年在工业和能源转型中可以捕获近 4000 万吨二氧化碳。

与盯住排放源头相比,直接去空气里捉碳听起来更「科幻」一些,却正在真实发生。今年 4 月,总部位于瑞士的碳捕集初创公司 Climeworks 完成 6.5 亿美元融资——这是碳捕集赛道历史上金额最大的一笔融资,让成立于 2017 年的 Climeworks 一跃成为行业明星。

Climeworks 在冰岛设立了世界上最大的空气捕集二氧化碳设施,并将提取出来的二氧化碳注入地下 1000 米的玄武岩中,永久转化为矿物。

Climeworks 的碳捕集设备。|来源:Climeworks 官网

他们的一套设备有两个海运集装箱那么大,外观看上去有一组圆形风扇。当风扇集体大规模转动起来,空气被采集到收集箱,其中的二氧化碳与里面的化学品发生反应后留存下来,其他成分的气体则返回大气中。

目前,有 18 个直接从空气中捕获捕获二氧化碳的项目正在加拿大、欧洲和美国运营。

碳中和烧来一把「新火」

在「碳中和」这个庞大的叙事框架中,相较于电动汽车、清洁能源、碳管理企服等一众热门绿色赛道,CCUS 的确算不上一门显学。

尹舟最初注意到 CCUS,是在 8 年前。当时他正在读大二,父亲开始做与 CCUS 相关的工程,主要涉及上游的碳捕集。在尹舟看来,这件事「利国利民,非常有意义」,于是将自己接下来一路硕博的求学方向确定在 CCUS。

但在细分方向上,他研究的重点与父亲从事的碳捕集有所不同,而是专注下游环节的碳利用与封存,再与石油专业结合起来,即如何利用二氧化碳来提高石油采收率(EOR)。

「七八年前,大家对 CCUS 并没有那么高的关注度,那时都是默默研究这件事,因为它确实不赚钱。」尹舟明显感受到,CCUS 在近两年「太火了」,迎来了行业春天。在他的观察中,许多石油领域的微信公众号开始频繁推送 CCUS 相关的文章,业内也出现了很多深耕 CCUS 多年的专家和机构公开发声,「这个现象还蛮有趣的」。

在当前这轮绿色环保浪潮之前,CCUS 一直是冷门方向,技术成本过于昂贵,也没有明确的现实需求和应用场景。所以在很长时间里,CCUS 技术都处在不温不火、停滞不前的状态。

日本三菱造船公司的液化二氧化碳运输示范试验船概念图。|来源:三菱重工

在全球范围,第一个碳捕集项目诞生在 1996 年的挪威,是在海上天然气设施上监测和储存二氧化碳,但反响平平,没有可观的经济价值出手刺激,单凭技术之力难以形成规模化效应。

从这个概念的内涵演变上也能印证这一点。起初,这套技术名叫碳捕集与封存,也就是 CCS,直到后来人们才发现,捕获的二氧化碳可以作为工业原料,用来驱油、制造化学产品、辅助食品加工。这些应用场景的出现让二氧化碳摇身一变成为了一种资源,人们看到了技术潜在的实用价值和经济价值,原来的 CCS 也扩展成了 CCUS——「Utilization」成为技术落地转化的支点。

但这也并未从根本上扭转 CCUS 的冷门处境。「因为它真的不赚钱,很少有人愿意去做。」尹舟告诉极客公园,在很多年前,CCUS 能真正赚钱的场景就是用来驱油,这是为数不多的可以看见经济收益的地方。

CCUS 此番收获热度,联合国气候变化专门委员会(IPCC)发布的《全球升温 1.5℃特别报告》是一个重要契机。该报告指出要将全球升温幅度控制在 1.5°C,否则人类会面临严峻的气候危机,例如极端高温会更频繁地侵袭农业生产和人体健康。

这个目标意味着全球还要去除百亿吨量级的二氧化碳。各国的气候政策都盯紧了二氧化碳排放,纷纷制定路线图,但可以预测的是,单靠碳减排的话难以实现人类的气候目标,一旦减碳能力见顶,只有借助碳吸收来降低二氧化碳总量——负碳技术的受关注度逐渐上升。

CCUS 也引起了科技巨头的兴趣。马斯克砸重金举办除碳大赛,比尔·盖茨旗下的气候基金投资碳捕捉初创公司,数字支付平台公司 Stripe 与 Shopify、谷歌以及风投公司 Lowercarbon Capital 等合作,设立碳捕捉基金项目,金额总计超过 12 亿美元。

气候目标叠加资本激励,让 CCUS 从过去的边缘学科跻身时下的创投风口。

行业火起来之后受到更多关注,聚集更多人和资源,「这是一件好事」。但尹舟也流露出了一丝担忧:现在的情形和情绪更像是,如果你晚一步进场,就比别人落后了,很多人其实在盲目地做这件事,「这是一件坏事」。

技术美好,但生意蹩脚

CCUS 的技术故事很性感,但商业现实却是骨感。

「不赚钱」一直是导致 CCUS 难以出头的最大「原罪」,在高成本和低收益之间,现实需求紧缩,CCUS 难以找到落地可行的商业化路径,一时难以大规模商用。

CCUS 的「昂贵」贯穿于产业的全流程。根据《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》公布的数据,预计至 2030 年,二氧化碳的捕集成本为 90-390 元/吨,管道运输成本为 0.7 元/( 吨·km),封存成本为 40-50 元/吨。

与此同时,有机构预测 2030 年中国碳市场价格大概在 139 元/吨。

这意味着,一套 CCUS 流程下来的减碳成本高于碳的市场价,需求方去市场上「买碳」反而更便宜。

这还不算项目前期的设备改造、占地成本等固定资金投入,以及技术运行环节中的能耗。一个来自中国 CCUS(2021)年度报告的数据是,一家钢铁厂安装年产能为 10 万吨的二氧化碳捕集和封存设施,成本约为 2700 万美元。

北京航空航天大学经济管理学院研究员朱磊在接受《能源高质量发展》杂志采访时介绍,按照现有技术,每封存 1 吨二氧化碳,需要耗费大约 300-500 度电。

如果按照 2021 年工业用电一般时段的平均费用标准 0.725 元/千瓦·时来计算,每封存 1 吨二氧化碳的价格成本,还要再加上 300 元左右。

在 CCUS 各环节中,碳捕集的成本占比最高。根据中金发布的研究报告测算,当前国内化工行业 CCS 技术的平均成本约为 403 元/吨,其中碳捕集、运输、封存成本占比分别为 56%、19%、24%。

国外 CCUS 发展同样面临着成本困境。根据经纬创投最近发布的碳中和科创汇研究报告,在比较容易捕捉的工业场景中,比如天然气加工、煤化工等,捕捉成本可以控制在 20-40 美元/吨的范围内,而针对钢铁、水泥等低浓度二氧化碳排放源,捕捉成本通常会超过 60 美元/吨,特殊情况下甚至会超过 100 美元。

加拿大的 ACTL 碳运输管道系统全长 240 公里,耗资 12 亿美元。|来源:Canada Action

如果是从空气中捕捉二氧化碳,造价更为昂贵。以 Climeworks 为例,它的碳捕集工厂 Orca 耗资 1500 万美元,现阶段每年可以捕获 4000 吨二氧化碳,只相当于 250 名美国公民一年的碳排放量,但代价却是 600-800 美元/吨的捕获成本。

事实上,Climeworks 融资之后的商业化进程也并不顺畅。据媒体报道,工厂仅两个星期后就宣布停工,官方解释是「机器无法承受当地的严寒」。

导致 CCUS 难以跑通商业模式的原因还在于,整个产业链涵盖多个上下游环节,产业链条长,涉及不同行业的企业间协调合作与利益分配,商业可行性取决于整个系统能否实现大规模产业化运行。

短期看来,CCUS 的确不是一门收入可观的生意,但也有观点认为,现阶段的 CCUS 就像 10 多年前的光伏行业——成本高,但对行业长期有利,需要再多一点政策和资金支持,以及耐心。

未来,CCUS 成本的下降,或主要依赖技术突破性创新和规模效应。

无论如何,多一条路径通往碳中和,总归是好事。一个真问题在于,如何理性看待和发展 CCUS。

CCUS 更多是一种辅助性的兜底技术,尤其在清洁能源尚无法取代传统化石能源的主导地位时,可以为碳减排争取更多时间。但如果在减排源头上掉以轻心,哪怕碳吸收的「最后一公里」跑得速度再快、姿势再漂亮,也难以在规定时间冲破终点线。

(本文中,尹舟为化名)

头图来源:国际能源署

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