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碳捕集技术发展前沿与趋势预测
2024年,《联合国气候变化框架公约》第二十九次缔约方大会
(COP29)正式通过了《巴黎协定》关于碳移除减排量的授权机制,
国际社会在支持碳捕集利用与封存(CCUS)技术发展方面达成了广
泛共识,进一步明确了CCUS技术在推动化石燃料系统减排及达成全
球净零排放目标方面具有不可或缺的作用。对我国而言,CCUS技术
也是实现碳中和目标的重要技术组成。CCUS技术涵盖了二氧化碳捕
集、运输、利用以及封存等多个环节,其中,碳捕集作为核心技术环
节,具有碳源多样、技术密度高、资金需求大、工艺复杂等显著特点,
是决定CCUS项目投资和部署的关键因素。基于此,本报告立足我国
碳中和目标下碳捕集技术的发展现状,结合国际发展趋势,着重研究
了该技术的发展需求、前沿趋势及关键挑战,并提出相应的发展建议。
一、全球碳捕集技术发展前沿趋势
在碳中和目标与经济高质量发展的双重推动下,我国对CCUS技
术的需求极为迫切(实现碳中和需要CCUS提供5-15亿吨CO2/年的减
排量)。作为当前实现化石能源低碳化利用的唯一途径,CCUS技术
不仅是保持碳中和目标下电力系统灵活性的关键手段,也是钢铁、水
泥等难减排行业在尚未出现颠覆性减排技术时的可行选项。然而,当
前碳捕集技术高昂的成本对上述行业的低碳转型带来了较大压力。同
时因排放源各异,各行业适配的碳捕集技术在工艺、设备、材料及成
1
本等方面具有较大差异,制约着CCUS的进一步推广[1]。在此背景下,
超前研究并部署高效、低能耗的碳捕集材料,推进核心工艺变革升级,
进一步提高各类碳排放源浓度下捕集技术的成熟度,形成碳捕集技术
新体系,是推动CCUS技术广泛应用的关键。
全球碳捕集技术正朝着稳定高效、低能耗和低成本趋势发展,亟
需立足全球视野和我国国情,识别全球碳捕集技术前沿进展及我国的
差距,促进关键核心技术攻关和成果产业化,推动我国在全球碳捕集
技术竞争中抢占战略优势地位。
国际碳捕集技术在成本、能耗和适用性方面不断优化,代际演进
特征凸显。第一代技术以化学吸收法中的基础胺溶剂为主,尽管技术
相对成熟并实现了工业化应用,但是高能耗与高成本限制了其大规模
部署。第二代技术通过复配胺溶剂的优化显著提升了能效。美国成功
将捕集能耗降低至2.6GJ/吨CO2,捕集成本降至70美元/吨;而英国进
一步优化工艺后,实现了2.4GJ/吨CO2的能耗水平,捕集成本降低至
60美元/吨。第二代技术的发展标志着碳捕集技术在能耗和经济性方
面取得了显著进展。而第三代技术,则凭借新型材料与工艺的突破,
成为了当前碳捕集技术研发的前沿方向。以欧洲开发的相变溶剂技术
为例,该技术通过材料创新将能耗进一步降低至2.2GJ/吨CO2,捕集
成本压缩至39美元/吨。第三代技术不仅在技术的经济性和适用性上
实现了显著提升,还为钢铁、水泥等高碳排放行业带来了更具竞争力
的减排方案。碳捕集技术的代际发展,遵循着由工艺改进向技术革新
的演进路径,为未来更大规模、更广范围的技术应用创造了可能。
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新型捕集技术发展迅速。传统的CO2捕集技术主要分为燃烧后捕
集、燃烧前捕集、富氧燃烧。其中,燃烧后捕集技术应用最为广泛,
涵盖化学吸收、物理吸附、膜分离和低温精馏等多种方法。化学吸收
法以单胺和复配胺溶剂为代表,是目前最为成熟的技术,已广泛应用
于燃煤电厂和工业烟气捕集项目(见附表1);物理吸附法适用于高
压气体分离场景,尤其是天然气处理领域;膜分离技术和低温精馏法
在特定条件下表现出高效的分离能力,特别适用于高浓度气源的处理。
与此同时,新型捕集技术正迅速发展,包括但不限于电化学捕集、固
态吸附、催化解吸、界面捕集以及利用微生物或藻类进行CO2固定等
方法。而DAC技术主要依赖于吸附法或吸收法,通过高效的材料和化
学反应,从大气中直接捕集CO2并将其存储或转化为有用资源,目前,
美国、挪威、冰岛、肯尼亚和阿联酋等国家已经开始进行大规模的部
署和示范。尽管多种捕集技术各具优势,但它们仍面临高能耗和高成
本等技术经济挑战,需要通过持续的研发和优化以实现大规模应用。
全球范围内碳捕集技术研发受到广泛重视,专利申请数量庞大,
增长迅速。如图1所示,自2005年开始碳捕集技术专利数量呈快速增
长趋势,年均增速达18.7%。截至目前,世界范
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