艰难的“碳中和”之路：为什么这些碳捕获与封存技术的商业化会失败？

编者按：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：XT，36氪经授权发布。

今年两会，“碳达峰”“碳中和” 首次被写入政府工作报告，一时间成为开年以来的刷屏热词。2021 年因此也被称为“碳中和”元年。

“碳达峰”“碳中和” 的概念究竟是什么？简单来说，碳达峰是指在某一个时间点，二氧化碳的排放达到增长峰值，之后逐步回落；碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内，直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过各类技术应用，抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，达到相对 “零排放”。

为实现碳中和的目标，全球 196 个国家和地区在 2015 年签署了旨在应对气候变化的《巴黎协定》，提出到本世纪下半叶实现温室气体净零排放（即 “碳中和”）的目标。

许多国家明确了碳中和的时间节点，为积极应对全球气候变化，推动全球气候治理，中国政府在 2020 年 9 月召开的第 75 届联合国大会一般性辩论上，向国际社会作出 “中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和的承诺。

如何实现 “碳达峰”“碳中和” 目标？从根本上需要依靠调整经济结构、优化能源结构，推动经济发展全面绿色转型，走绿色低碳循环发展道路。从技术层面讲，要实现全球经济的深度脱碳目标，离不开低碳能源技术的规模化部署，在化石燃料发电厂等多个部门中起着举足轻重作用的碳捕获和存储（Carbon Capture and Storage，简称 CCS）技术被给予厚望。

但是，问题来了：尽管碳捕获与封存技术的发展史已达四五十年多，但商业化速度缓慢，根本原因在哪里？

近日，来自加拿大、美国、英国的一个国际合作研究团队通过分析美国所有未获成功的（attempted） CCS 项目，确定了 12 个可以解释商业碳捕获与封存项目在美国得以成功或失败的基本属性。

（来源：Environmental Research Letters）

相关研究以 “Why Commercialization of Carbon Capture and Sequestration has Failed and How it Can Work” 为题，发表在《环境研究通讯》（Environmental Research Letters）杂志上。

商业化受阻

碳捕获与封存技术是指将工业生活活动所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中。当使用碳而不仅仅是存储碳时，系统通常被称为碳捕获、利用和存储（CCUS）。CCS 技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖较为经济、可行的方法。

在全球应对气候变化方面，碳捕获与封存技术所发挥的作用也变得越来越重要。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）就对 CCS 技术给予厚望，期望以低成本实现零碳排放。此外，在美国总统约瑟夫・拜登（Joseph Biden）提出的 4000 亿美元清洁能源计划中，CCS 也是为数不多的低碳技术之一，该计划还获得了美国两个党派的支持。

研究发现，尽管 CCS 系统的某些单个组件的成本和性能在技术上已经成熟，但由于商业可行性取决于整个系统如何大规模运行，CCS 的实际投资未能满足该技术的巨大预期。据统计，美国在 CCS 商业化方面进行了大量投资，但大部分项目都以失败告终。

图 | 全球拟议和实施的年度二氧化碳封存量（主要数字），以及按类型划分的全球实施的年度二氧化碳封存量（插图）（来源：Environmental Research Letters）

根据美国能源部（DOE）国家能源技术实验室（NETL）的数据，全世界已提议或建立了 300 多个各种类型的 CCUS 项目，在过去的二十年中，美国私营企业和政府已经投入了数百亿美元，来从数十个工业和发电厂中捕获二氧化碳。尽管得到了广泛的支持，这些项目在很大程度上还是失败了。实际上，在寻求将碳捕获和封存技术商业化的项目中，有 80％ 的项目都以失败告终。

该研究的作者之一、加州大学圣地亚哥分校深层脱碳计划的研究员、卡尔顿大学机械和航空航天工程的倡议者和助理教授 Ahmed Y. Abdulla 说：“我们决定不依赖案例研究，而是需要开发新的方法来系统地解释为什么这么多项目会失败，项目结果的多样性在哪儿，了解 CCS 项目的哪些特征是以往项目成功和失败的最主要因素，不仅可以使开发人员避免过去的错误，还可以确定更有可能成功的现有、近期 CCS 项目集群。”

Abdulla 补充说：“通过考虑美国有史以来研究过的最大 CCS 项目样本，并在过去管理这些项目的人员的广泛支持下，我们从本质上创建了一份重要属性清单，并评估了每个属性的执行程度。”

激励措施和收入的可信度是关键

研究人员不仅从工程和工程经济学角度出发，还确定了 CCS 为何仍是如此高风险的投资，他们在过去两年分析了 39 个美国项目的公开记录，并向具有丰富实际经验的 CCS 项目经理寻求专业知识。

图 | 39 个拟议或建造的 CCS 项目成果的详细信息（来源：Environmental Research Letters）

他们确定了 12 个可能决定项目结果的因素，分别是：

• 技术准备度；

• 激励措施的可信度；

• 财务可信度；

• 成本；

• 监管挑战；

• 二氧化碳去除负担；

• 产业利益相关者反对；

• 公众反对；

• 人口接近度；

• 就业影响；

• 工厂位置；

• 所在州对化石基础设施发展的欲望。

研究发现，具有政策和政治的功能的收入和激励措施的可信度是最重要的属性之一，而资本成本和技术成熟度是最重要的属性之一，这些因素在过去已被广泛研究。

作者指出，政策设计对于助力产业商业化起着至关重要的作用，因为 CCS 项目需要大量的前期资本。现有的可信政策起到了激励作用，例如 2018 年扩大的 45Q 税收抵免。如果公司在深层地质库中封存二氧化碳，它将为公司提供一个有保证的收入来源。

迄今为止，公司收回碳捕获投资的唯一激励措施是将二氧化碳出售给石油和天然气公司，然后由石油和天然气公司将其注入油田，从而提高开采率，这一过程也被称为提高石油采收率。45Q 税收抵免还可以刺激石油采收率的提高，但与专用地质二氧化碳封存相比，每单位二氧化碳的价格更低。

除了向石油和天然气公司销售以外，二氧化碳也不完全是一种有价值的商品。因此，几乎不存在可行的商业案例来维持 CCS 产业的规模，而这种规模是稳定气候所必需或设想的。

加州大学圣地亚哥分校全球政策与战略学院的深度脱碳倡议联合负责人和工业创新教授 David Victor：“如果明确设计以提高公信力，公共政策可能会对项目的成功产生巨大影响。”

为了评估 12 个因素在解释项目成果方面的相对影响，研究人员建立了两个统计模型，并通过专家评估得出的模型对他们的经验分析进行了补充。专家们只强调了收入和激励措施的可信度的重要性，绝大多数成功的项目都预先安排出售其捕获的二氧化碳以提高石油回收率。他们在前期就获得了无条件的激励措施，提高了人们对他们的财务基础安全的认识。

图 | 对可提高 CCS 项目可行性的四组政策工具的有效性和政治可行性进行的专家判断（来源：Environmental Research Letters）

研究发现，CCS 项目的成败与许多因素有关，在该研究中，利用历史记录和专家判断，作者建立了三个分析模型，描绘出了资本成本、技术就绪性和项目收入信誉重要性的连贯画面。研究人员表示，该研究建立了一个可以复制、辩论和调整的系统框架和透明编码系统，并发现专家启发可以作为评估难以量化的项目属性的急需补充。

来自具有实际经验的项目经理的专家建议的结果

为了说明这种用于建模初始条件（例如行业的近期升级）的指南，研究人员向专家询问了在 CCS 开发的未来十年内可能成功的项目数量和类型。

图 | 对未来十年 CCS 行业前景的专家评估，特别是对捕获的二氧化碳体积分布的专家评估（来源：Environmental Research Letters）

专家们达成共识，就数量而言，CCS 将优先部署在发电厂，其二氧化碳捕获量大约是工业现场 CCS 的两倍。但是，工业 CCS 站点（点数较小的变暖气体源）数量会更多。此外，捕获的二氧化碳更有可能被利用，而不是被隔离在专用的储层中。这也揭示了专家们对诸如合成燃料生产和耐用碳等新型利用选择的怀疑态度。

研究人员总结了该研究中的模型，尤其是在通过专家判断的结构化启发加以增强的情况下，可能会改善跨能源系统中 CCS 的部署情况。“像我们这样的评估使开发人员和决策者都可以从中受益。借助数据确定近期更有可能成功的 CCS 项目，这些项目将成为新的 CCS 产业萌芽的种子。”

参考资料：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/abd19e

https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/why-commercialization-of-carbon-capture-and-sequestration-has-failed-and-how-it-can-work