摘要：从高能效循环利用技术、零碳能源技术、负排放技术3个方面综述了碳中和减排技术，分析了这些技术的优缺点及其在碳中和目标下的减排可行性，并对减排技术的发展进行了展望，以期为缓解气候变化、实现碳中和目标提供技术借鉴。
面对能源危机和环境问題日益严重，习近平主席在第75届联合国大会上宣布，通过采取更有效的政策和措施，让中国在2030年之前达到碳达峰，并在2060年达到碳中和。碳中和意味着社会活动引起的二氧化碳排放量和碳汇或捕获、封存技术吸收的二氧化碳的量相等。目前我国拥有全球最大的能源系统（生产和消费），我国天然气、一次电力及其他能源占能源总量比重逐年增加，但占比较小，虽然煤炭占能源总量的比重逐年降低，但所占比重依然很大，煤炭仍然是我国碳排放主要的化石燃料；在一次能源中化石能源虽然从1978年的96.6%下降到2019年的84.7%，但所占比例在90%左右，化石能源仍然在我国能源结构中占主导地位。关于我国的碳排放，有研究表明，从2000年到2020年，我国第一产业和第三产业碳排放占比分别在1.2%、13.5%左右，而第二产业的碳排放量比重大，在85%左右，并且第二产业碳排放量变化率与碳排放总量曲线几乎重合，工业制造业经济的发展与全社会碳排放总量密切关联，成为温室气体产生的重要根源；到2020碳排放量约100亿t，就是要在40年间使我国的碳排放从100亿t变为0亿t，这将是一个很大的挑战，需要采取更有效的减排技术。要实现“碳中和”，不仅仅要考虑节能减排技术，同时还要考虑负碳排放技术。因此，本文中针对这几种减排技术的研究与发展进行了简单的综述。1 高能效循环利用技术
能效提高技术主要任务是降低能源消费强度，降低碳排放强度，控制煤炭消费，倡导节能（提高工业和居民的能源使用效率）和引导消费者行为。主要包括在生产方面使用节能设备，在消费方面采用节能家电、能源梯次利用、发展循环经济、垃圾分类、选择比较低碳的出行方式等。陈伟华以青岛薛家岛充换电站退役电池锂离子电池为研究对象，在Matlab/simulink中建立电池的仿真模型，仿真结果表明，梯次利用电池储能系统是今后钻研的主要方向。林成淼等基于生活垃圾处理过程温室气体排放核算方法，设定2个情景：到2022年浙江省未全面推进生活垃圾分类和全面推进生活垃圾分类，预测和比较2种情景下生活垃圾产生量、分类回收量及处理过程产生的温室气体排放量。结果显示，通过推进生活垃圾分类，生活垃圾处理过程温室气体排放量减少24%。发展循环经济的技术包括利用废旧的钢、铝和其他金属，以及塑料回收利用。能效提高技术能降低碳排放强度，成本较低，有显著的经济效益，但15%的能源消费碳排放是无法减少的，并且该技术主要受时间成本、激励错位、行为因素等方面的影响，要实现碳中和目标，只应用这一种技术是远远不够的。2 零碳能源技术
零碳能源技术即开发以零碳排放为特征的清洁能源技术，包括可再生能源发电（光伏、风能、水力）、生物能、绿色氢能，实现彻底取代化石能源。2.1 可再生能源发电
我国可再生能源丰富，发展具有很大的潜力，可再生能源发电主要包括风力发电、太阳能发电、水力发电。风力发电是利用风轮，通过主轴带动发电机，将风能先转化为机械能，然后再转化为电能。太阳能发电技术有2个方面，分别是光热发电和光伏发电，一是利用太阳光辐射所产生的热能进行发电，通常是利用太阳能集热器将所吸收的热能转变成蒸汽，最后驱动汽轮机发电；二是利用光伏效应，太阳光照射到半导体的p-n结上，形成新的空穴和电子对，由于p-n结内电场的作用，空穴由n区向p区移动，电子由p区向n区移动，最后连接好电路就形成了电流。水力发电是利用叶片收集水流中的动能并转化为机械能，之后以主轴带动发电机，使机械能转化为电能。可再生能源发电潜力巨大，对实现碳中和目标有很大的促进作用。Li等利用生命周期评价（LCA）比较了风力发电和燃煤发电的环境排放，研究结果表明，对于1 kWh，风力发电消耗的二氧化碳排放总量和环境成本仅占燃煤发电的4%；且与燃煤电厂相比，风力发电可使CO2、SO2、NOx、CO分别降低744.5、5.9、2.84、0.14 g/kWh。郑志美等提出了一种新型的太阳能与燃料热化学互补的发电系统，集成了太阳能热化学燃料转化过程与固体氧化物燃料电池（SOFC）单元。设计工况下，系统发电效率达到58.24%，太阳能净发电效率为41.1%。Glasnovic等提出了抛物面集热器太阳能热电厂（ST）的最优规模模型，该热电厂采用抽水蓄能水力发电（PSH），对太阳能热泵蓄能水电站（ST-PSH）电厂的可行性和特性进行了测试，结果表明，ST电厂获得的功率为22 MW，可产生热能459 kWh/(m2·a)和电能160 kWh/(m2·a)，与ST发电相比混合ST-PSH系统显著地降低了CO2排放。风能是一种清洁和可持续的能源，建设周期短花费时间短，装机规模灵活，成本较低，与传统发电相比对环境的影响较低，如减少二氧化碳排放、节约用水和防止全球变暖，然而，该技术面临着一些挑战，如初始投资成本、风电厂的固定属性以及很难找到风能效率高的地区、占用大片土地，由于自然因素，风力发电不稳定及不可控，给电网可靠性、稳定性、电能质量带来挑战。太阳能光伏是一种商业化程度较高的成熟技术，适用于小规模和大规模应用，而光热发电技术虽然价格昂贵，但经济效益较高，适合大规模应用。太阳能发电是可持续新能源，无污染物的排放；不受资源分布地域的限制；基建周期短；发电系统相对经济实惠。但太阳能技术面临着各种问题，太阳能电池效率低、系统平衡低、经济障碍（前期成本高和缺乏融资机制）和体制障碍（基础设施不足和熟练劳动力短缺）、占用巨大面积、太阳电池发电受到空气污染的影响、获得的能源受到气象条件的影响。水力发电对环境冲击较小且提供廉价电力，发电效率高、成本低，但是占地大、造价高、电力输出容易受到天气的影响。2.2 生物能
生物能源是指储藏在生物质中的能量，直接或间接地通过绿色植物的光合作用把太阳能转化为化学能，然后将这些能量固定和贮蓄在生物体内，利用生物质储存的能量合成可再生的电能或热能。可再生能源燃料是生物能源（生物燃料或沼气）的良好来源，从农作物或微藻或生物废物的生物质中获得，可以在减少温室气体排放的情况下，作为化石燃料能源的替代方案。Papong等介绍了泰国木薯淀粉废水处理厂产生的压缩生物沼气（CBG或BIO-CNG）的综合生命周期、能源和环境评价，能量分析表明净能量比大于1，净能量增益。Leeuwen等以阿姆斯特丹为例，采用气化炉和固体氧化物燃料电池（SOFC）耦合装置，为以风能和太阳能供电的阿姆斯特丹提供灵活电力，实现城市生物质垃圾向电能的转化。生物能可再生、降低碳排放、分布面积较广、种类丰富、应用性广，但现在生物能的开发和利用市场和保障机制不完善，体系不完善，商业化还有很多问题没有解决。2.3 绿色氢能
通过电解制氢技术，可以将大量太阳能和风能生产的绿色电能有效整合到现有能源网之中。Gibson等通过将光伏电池的最大功率输出和电压与质子交换膜（PEM）电解槽的操作电压相匹配，并优化电解槽操作电流和温度的影响，优化后氢气生成效率提高到12.4%，并且电解槽可以提供足够的氢气来运行燃料电池汽车。使用沼气生产绿色氢气是一种缓解气候变化的解决方案，可以确保能源和移动部门的可持续性，同时降低成本并实现连续生产。有研究者采用能量和㶲分析2个以沼气为主要能源的制氢装置（蒸汽重整生物气制氢装置、自热重整生物气制氢装置），结果表明，蒸汽重整的配置在制氢能量和㶲的效率分别为59.8%和59.4%时表现出最佳性能；但考虑到热能和氢气的联产，能量效率为73.5%和㶲效率为64.4%时蒸汽重整的布局是最好的解决方案，而能源效率为73.9%和㶲效率为54.8%时采用自热重整的布局。绿色氢能是可变可再生能源，能源安全，减少空气污染，是工业和运输的灵活能源载体，但绿色氢气必须克服成本障碍才能充分发挥潜力，且电解槽的高效和经济运行需要足够高的负荷率。由于单个能源间歇性和不可预测性等缺点，近年来，多能源互补受到极大的关注。零碳能源综合利用也变得格外重要，储能系统、智能电网、新能源汽车在实现碳中和目标下具有广阔的发展前景。3 负排放技术
15%的能源消费碳排放是无法减少的，这就需要负排放技术来实现碳中和目标，这类技术主要包括农林碳汇、碳捕集、利用与封存和直接空气碳捕获与封存。3.1 农林碳汇
“联合国气候变化框架公约”用从大气中清除二氧化碳的过程、活动或机制来定义“碳汇”。农业碳汇指农田生态系统吸收大气中的CO2，并将碳固定和储存在植被和土壤中，从而减少大气中CO2并将其与碳汇交易结合的一系列活动，包括农田土壤的固碳、农作物光合作用固碳、秸秆还田固碳。She等收集和分析了我国主要农作物的碳成本数据，估算了农田的碳汇和碳源效应，结果表明，我国农田生态系统表现出固碳效应，水稻、小麦、玉米等主要作物的年净碳汇总量约为165.76 Tg，其中水稻最高，占48.71%。林业碳汇通过造林和再造林、减少毁林、森林管理等活动，清除大气中二氧化碳并与碳汇交易结合的过程、活动和机制，包括森林经营碳汇和造林碳汇。Song等研究发现，森林可能会使全球二氧化碳封存增加约32%，Zhang等发现在1999—2014年间，中国林地碳汇对总碳汇的贡献超过90%。与传统农业相比，农林复合经营大大促进了碳的固存，增加了调节生态系统服务的范围，并增强了生物多样性。碳汇造林成本低、农林资源较丰富，但造林技术不成熟、碳汇增值空间小、农林管理混乱、碳汇宣传力度不够、农林分布不均匀、容易发生森林火灾等问题阻碍农林碳汇的发展。3.2 碳捕获、利用和封存
碳捕获、利用和储存（CCUS）是一种从化石燃料发电厂等来源的混合气体中捕获二氧化碳并将其储存或再利用以防止大量二氧化碳排放到大气中的新方法。CCUS由二氧化碳捕获、运输、利用和储存4个阶段组成，捕获技术是CCUS最核心的部分，大体上可以分为燃烧前、燃烧后和富氧燃烧3种类型，表1比较了3种捕集技术。运输主要有3类：卡车油罐车运输、新建或改建管道运输和轮船运输。CO2在工业、农业、能源生产和其他领域得到利用，如可产氨和尿素，还可以用于食品、饮料、制冷剂和灭火气体；使用捕获过程中的CO2提高石油采收率和显著提高CO2利用率；CO2可以通过矿化来利用；通过纳米技术来开发新型催化剂将CO2转化为甲烷（CH4）或甲醇（CH3OH）。有4种不同的地质构造可以储存二氧化碳：枯竭（或接近枯竭）的油气藏、不可开采的煤层、含盐含水层、深海。BECCS是碳定价政策有效性的关键技术，是负排放技术中容易实现的技术。有研究者分析了生物质与煤共气化及碳捕集技术（CBECCS）对中国碳排放和大气污染的影响以及经济效益，结果表明，采用35%作物残渣率的CBECCS系统可以产生温室气体全生命周期净零排放的电力，电价不超过0.62元/kWh；在华北地区部署该系统，SO2、NOx、PM2.5、黑炭等排放分别减少169 300、132 400、225 200、8 800 t/a，分别相当于2015年区域排放总量的5.2%、3.6%、12.2%、3.8%。表1 捕集技术
捕集过程 | 原理 | 应用领域 | 优点 | 缺点 |
燃烧前捕集 | 燃料被氧气或蒸汽重整，形成H2和CO2的混合物。然后，CO2可以从氢气中分离出来；二氧化碳和氢的分离可以通过吸收、吸附或膜来实现 | 煤气化厂 | 高浓度二氧化碳提高吸附效率；技术全面发展，在一些工业部门按所需规模进行商业部署；有机会对现有装置进行改造 |
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燃烧后捕集 | 燃烧生成的烟气中有CO2和其他组分，将CO2从里面分离出来，并达到CO2富集 | 燃煤和燃气工厂 | |
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富氧燃烧 | 使用低温空气分离器或薄膜生产的纯氧(将氮气排除在系统之外)；燃烧产物基本上是CO2和H2O，由冷凝水分离 | 燃煤和燃气工厂 | 二氧化碳浓度极高，可提高吸收效率；可采用成熟的空气分离技术；减少需要处理的气体体积，因此需要较小的锅炉和其他设备 |
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CCUS是非常有发展潜力的技术，利用CCUS技术捕获的二氧化碳的最有吸引力和最成熟的选择是提高石油采收率，并且其他能源和矿产资源得到开发利用，为达到碳中和目标有较大的研究意义。但CCUS开发也存在一些问题包括高昂的成本、高耗能、风险控制能力、公众意识、适当的商业模式和必要的政策支持。
直接空气碳捕获（DAC）系统使用吸附剂材料捕获CO2，并将其释放到准备运输和储存的高纯度压缩CO2流中。这些系统的核心由空气收集器和再生设施组成，空气收集器使环境空气与吸附剂材料接触，再生设施将捕获的二氧化碳从饱和的吸附剂材料中分离出来。有研究者分析了一种基于强氢氧化物吸附剂的DAC系统，结果表明，该系统具有正的碳效率，能够有效地捕获和储存环境空气中的二氧化碳；通过使用可再生能源来满足系统的机械能需求，可以实现该系统碳效率的最大提升，这不仅是对碳效率的最大贡献，而且从技术角度来看也是最容易实现的。Hou等提出了一种低成本的直接空气捕集技术与施肥系统相结合的新概念，对集成系统进行了能源和成本评估，结果表明，二氧化碳的最低能耗需求为35.67 kJ/mol，成本估算为34.68美元/t。DAC有无限的减排潜力，且适用于低浓度或移动污染源去除已经存在于空气中的二氧化碳，但不确定性依然存在、成本高、吸附剂材料的再生和循环以及通过这些系统的环境空气循环需要大量的能源投入，引发了该技术经济和环境可行性的问题，发展DACCS技术还需要好长的路要走。图1是负排放技术减排潜力及成本曲线，不同技术的成本存在很多不确定性，天然碳汇成本最低，高成本的碳汇封存CO2的成本也随之提高，反之则是低成本，封存每吨CO2的成本范围在0~100美元；CCUS技术在工业行业封存CO2的成本有很大的差异，且与碳浓度呈反比，其中水泥和生物质碳捕获、利用和封存成本最高；直接空气碳捕获与封存虽然具有无限的脱碳潜力，但该技术成本高。
①—低成本再造林与农林复合经营；②—天然气加工碳捕获与封存；③—中成本农林；④—肥料与化学品生产的碳捕获与封存；⑤—高成本的农林业；⑥—钢铁碳捕获与封存；⑦—粉煤碳捕获与封存；⑧—煤气化联合循环发电；⑨—天然气复合循环；⑩—水泥碳捕获与封存；11—生物质能碳捕获与封存；12—直接空气碳捕获与封存
图1 负排放技术减排潜力及成本曲线
（图片来源：IPCC, Global CCS Institute, Goldman Sachs Global Investment Research）
4 总结与展望
面对能源危机和环境问題日益严重，为达到碳中和的目标，不仅仅要考虑节能减排技术，同时还要考虑负碳排放技术，主要包括以下方面。（1）能效提高技术相对成熟、成本低，还有显著的经济效益，但该技术主要受时间成本、激励错位、行为因素等方面的影响，需要通过合适的政策标准、宣传机制让个人有明智的能源消费选择，强化企业的能效要求。（2）在对于不同行业应选择最合适的技术对其进行减排，然而单一的零碳能源技术往往不能达到很好的效果，不同技术耦合应用和零碳技术综合利用成为研究热点。近年来，零碳技术成本有所降低，具备大力研发的潜能，但进一步的发展还是需要合理有效的政策措施，通过建立全碳税制度和碳排放交易机制提升零碳技术市场优势和经济性。（3）照当前碳排放速度发展，能效提高技术和零碳能源技术是很难满足碳中和目标，发展负排放技术变得尤为重要，我国农林业资源丰富，使得碳汇有了很好的发展前景，CCUS技术是减排最有潜力的技术，DACCS技术具有无限脱碳潜力，未来以此技术为重点研究方向不断研发。但发展这些存在技术不成熟、研发周期长、成本高、投资风险大等问题，通过公共资金来支持这些负排放技术研发，需要建立政策和法规，加大对市场补偿机制的设立，制定国际认证和负排放交易标准。
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