清華新聞網(wǎng)1月10日電 為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，有必要在實(shí)施深度減排戰(zhàn)略的同時(shí)部署二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）技術(shù)，以抵消難減排行業(yè)的剩余排放。其中，兩種生物質(zhì)碳移除技術(shù)——生物能源結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）和生物炭（Biochar）——各有利弊，聯(lián)合部署或能最大限度地發(fā)揮碳移除潛力，同時(shí)降低環(huán)境影響，但當(dāng)前沒(méi)有研究量化聯(lián)合部署的潛力和經(jīng)濟(jì)可行性，阻礙了碳移除的早期和深度部署。
為此，清華大學(xué)核研院能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所滕飛教授課題組和合作團(tuán)隊(duì)采用空間顯示分析方法和優(yōu)化模型評(píng)估了BECCS和生物炭（Biochar）共同部署戰(zhàn)略的前景。1月6日，相關(guān)研究成果以“聯(lián)合部署生物炭和生物能源結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)，以更具成本效益和可持續(xù)地推進(jìn)中國(guó)碳中和”（Co-deploying Biochar and Bioenergy with Carbon Capture and Storage improves cost-effectiveness and sustainability of China’s carbon neutrality）為題，在線(xiàn)發(fā)表于Cell Press旗下期刊《一個(gè)地球》（One Earth）。
圖1.土壤和地質(zhì)限制情況下BECCS和生物炭系統(tǒng)的比較
BECCS是一種領(lǐng)先的碳移除技術(shù)，它通過(guò)燃燒等過(guò)程將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電力或其他能源產(chǎn)品，同時(shí)以較高效率捕集二氧化碳并封存。然而，BECCS受限于管道基礎(chǔ)設(shè)施及盆地二氧化碳注入能力，難以滿(mǎn)足碳中和減緩路徑下的碳移除需求，并面臨大規(guī)模利用作物殘留物或種植能源作物造成土壤退化的風(fēng)險(xiǎn)。生物炭（Biochar）則不受到封存限制，碳通過(guò)生物質(zhì)熱解過(guò)程被封存在生物炭中，生物炭還田后可以長(zhǎng)期不分解，并且產(chǎn)生改善土壤健康等共同效益。然而，生物炭的碳封存能力低于BECCS，并且將與BECCS競(jìng)爭(zhēng)有限的生物質(zhì)資源。鑒于BECCS 和生物炭各有優(yōu)勢(shì)，二者聯(lián)合部署有可能在遵守各自限制因素的同時(shí)最大限度地發(fā)揮碳移除潛力，同時(shí)降低對(duì)土壤健康和糧食安全的環(huán)境影響。
研究結(jié)果表明，在單獨(dú)部署情景下，雖然與生物炭相比，BECCS的碳移除效率更高，但其整體碳移除潛力可能低于生物炭。具體而言，生物炭的碳移除潛力則為1.11Gt CO2/年；而考慮到土壤可持續(xù)性、盆地注入率以及管道基礎(chǔ)設(shè)施限制，中國(guó)BECCS的碳移除潛力將從3.31Gt CO2/年下降到0.23Gt CO2/年。
首先，為了維持土壤有機(jī)碳含量，部分原料需要還田，這意味著B(niǎo)ECCS系統(tǒng)內(nèi)可用的原料減少。而生物炭則可作為土壤改良劑，保持甚至提高土壤有機(jī)碳含量。因此，約25.6%生物質(zhì)資源所在地區(qū)，生物炭的碳移除潛力超過(guò)了BECCS（圖1）。這種差別在土壤質(zhì)量較差的地區(qū)尤為明顯。
其次，可持續(xù)的盆地二氧化碳注入率是BECCS的關(guān)鍵瓶頸，超過(guò)注入率可能會(huì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。相比之下，生物炭可直接在農(nóng)田中封存穩(wěn)定的有機(jī)碳，從而避免了地質(zhì)封存需要。
此外，由于源匯不匹配以及二氧化碳管道基礎(chǔ)設(shè)施尚未完善，BECCS的近期部署面臨挑戰(zhàn)，而生物炭則可以就地還田。分析表明，在缺乏二氧化碳運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，72.3%的生物質(zhì)原料應(yīng)用于生物炭系統(tǒng)將會(huì)實(shí)現(xiàn)更高的碳移除潛力，進(jìn)一步結(jié)合可持續(xù)注入率限制，該比例提升至92.6%。
圖2.因地制宜聯(lián)合部署B(yǎng)ECCS和生物炭技術(shù)
因此，因地制宜聯(lián)合部署B(yǎng)ECCS或生物炭對(duì)于可持續(xù)地發(fā)揮碳移除潛力至關(guān)重要（圖2）。一方面，生物炭可以在BECCS封存能力受限時(shí)提供碳移除；另一方面，生物炭還田避免了聯(lián)合部署系統(tǒng)內(nèi)的農(nóng)作物殘留物直接還田，既維持了土壤可持續(xù)性，也提高了生物質(zhì)資源利用率。結(jié)果表明，即使沒(méi)有成熟的管道網(wǎng)絡(luò)及能源作物種植，聯(lián)合部署B(yǎng)ECCS和生物炭可實(shí)現(xiàn)0.89 Gt CO2/年。隨著二氧化碳長(zhǎng)距離運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的建立，聯(lián)合部署可將中國(guó)的二氧化碳減排潛力進(jìn)一步提高到2.62Gt CO2/年，滿(mǎn)足多數(shù)1.5°C目標(biāo)和碳中和目標(biāo)減緩路徑的碳移除需求，成本相比于僅BECCS系統(tǒng)降低約1/5，這是因?yàn)樯锾磕軌虮苊舛趸嫉拈L(zhǎng)途運(yùn)輸，以較低的成本實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)排放潛力。
該研究還確定了在所有需求情景下部署生物炭的無(wú)悔潛力區(qū)域，這將帶來(lái)總計(jì)1.12億噸的二氧化碳移除量。
該研究為中國(guó)更經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)地推進(jìn)碳中和目標(biāo)提出了一種前景廣闊的碳移除技術(shù)聯(lián)合部署策略，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的資金支持。
研究所鄧旭博士為論文第一作者，滕飛教授為論文通訊作者，中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心張賢研究員、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)樊靜麗教授、國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所尼克拉斯·福賽爾（Nicklas FORSELL）高級(jí)研究員，以及劍橋大學(xué)大衛(wèi)·雷因（David M. Rein）教授為論文共同作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.12.008
供稿：核研院
編輯：李華山
審核：郭玲
