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生物能源与碳捕获和储存

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BECCS图示举例：附设碳捕集与封存设施的生物能源发电厂。[1]

生物能源与碳捕集和储存（英语：Bioenergy with carbon capture and storage，简称BECCS）是一种结合生物能源、碳捕集与封存（CCS）技术的复合式方法，目的在减少大气中的二氧化碳浓度，达到气候变化缓解的目的。[2]理论上，BECCS可算是一种"负排放技术"(NET)，[3]虽然许多政府和产业界认为将此大规模部署可能"会带来重大的经济、技术和社会可行性的挑战，威胁到粮食安全和人权，并会超越多个地球限度而产生不可逆转的风险。"[4]生物质中的碳元素来自大气中的二氧化碳，是生物质在生长过程中所吸收温室气体中的主要成分。当生物质被利用时，通过燃烧、发酵、热裂解或其他转化方法，可将生物质中的能量（生物能源）以电能、热能、生物燃料等形式呈现。

生物质中的碳有部分会转化为二氧化碳或生物炭，可透过地质封存或土地应用方式进行储存，而实现二氧化碳移除 (CDR)。[3]

BECCS的潜在负排放数量估计为每年0至220亿吨。[5]截至2019年，全球有5个地点正积极使用BECCS技术，每年可捕获约150万吨二氧化碳。[6]而广泛部署BECCS会受到生物质的成本及其数量的限制。[7][8]:10

负排放

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参见：碳汇和二氧化碳移除
不同能源系统的碳流动示意图。

BECCS的主要吸引力在于其能实现二氧化碳负排放 - 透过生产生物能源来补集二氧化碳可有效去除大气中的二氧化碳。[9][10]

生物能源由生物质产生，生物质是一种再生能源，在生物质生长过程中可充当碳汇。在工业过程中将生物质燃烧或加工，会将二氧化碳重新释放进入大气。CCS技术用于拦截释放到大气中的二氧化碳，并将其重新引导到地质储存地点[11][12]或是混凝土中。[13][14]此过程将可能导致二氧化碳净零排放，但会因为生物质生长、运输和加工相关的碳排放而发生正或负的变化（参见下文中"环境考量"一节[15]）。与生物质相关的二氧化碳不仅会从燃烧生物质发电厂释放，而且会在生产纸浆以及生物燃料（例如生物燃气和生物乙醇）的过程中释放。 BECCS技术也可用于工业流程，例如于前述的造纸生产过程[16]和水泥制造。[17]

BECCS技术以半永久性的方式将二氧化碳封存在地质构造中，而树木仅能在其生命周期内储存碳。于2005年的估计，透过地质封存的二氧化碳，有99%以上有机会在原地保存1,000多年。 [18]联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2005年估计，BECCS技术将二氧化碳储存在地质构造中，会较其他类型的碳汇有"更持久的封存效果"。海洋、树木和土壤等碳汇在气温升高时有不利的气候变化反馈风险。[19][18]

工业制程释放过多的二氧化碳，传统碳汇如树木和土壤等无力将其完全吸收，因此没法达到降低排放的目标。[20]全球除目前已累积的温室气体排放量外，即使在最具雄心的低排放情景中，本世纪仍会出现大量额外排放量。因而BECCS被建议作为一种扭转排放趋势，并创建全球净负排放的技术。[2][21][20][22][23]这表示不仅是净零排放，而是更进一步的负排放，有机会将大气中二氧化碳的绝对数量降低。

成本

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估计BECCS的成本为每吨二氧化碳60-250美元。[24]

据估计，将海水电解与由非化石燃料发电提供动力的海洋矿物风化两种技术结合（称为地球电化学法），可较BECCS在能量生产和二氧化碳去除量平均提高50倍以上，且会耗用相当或甚至是更低的成本，然而前述概念过于先进，仍需进一步研究与验证。[25]

技术

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主条目：碳捕集与封存

从生物来源捕集二氧化碳的主要技术与从传统化石燃料来源捕集二氧化碳的相同。[26]一般而言有三种技术：燃烧后捕集（英语：Post-combustion capture）、燃烧前捕集和富氧燃烧（英语：Oxy-fuel combustion process）。[27]

富氧燃烧

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参见：富氧燃烧（英语：Oxy-fuel combustion）
概略描述富氧燃烧法从生物质捕集碳的关键流程和阶段。在冷凝水蒸气而将之去除时仍需做净化处理。[28]

富氧燃烧是玻璃、水泥和钢铁业中的常见制程。对CCS来说，这也是一种有前景的技术。富氧燃烧与传统燃烧的主要区别在于将燃料置于纯氧和回收烟道气的混合物中燃烧。 氧气由空气分离装置 (ASU) 产生，ASU从通过氧化剂的空气中将其中的氮气移除，利用如此而来的纯氧参与燃烧，而产生含有高浓度二氧化碳和水蒸气的烟道气，水蒸气透过冷凝后去除，留下纯度相对较高的二氧化碳流，而无需使用燃烧后捕集装置。由此而得的二氧化碳经后续纯化和脱水后，可输送到地质储存点。[28]

使用富氧燃烧进行BECCS的主要挑战与燃烧过程相关。由于生物质含有较高的挥发成分，将其粉碎时必须维持较低的温度，以减少发生火灾和爆炸的风险。另外，由此产生的火焰温度较低，而须将氧气浓度增加27-30%。[28]

燃烧前捕集

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"燃烧前补集"指的是在产生能量之前即捕集二氧化碳的过程。通常透过五个阶段来完成：氧气生成、合成气生成、二氧化碳分离、二氧化碳压缩和发电。燃料首先经历气化，即与氧气反应形成一氧化碳和氢气的混合流（即合成气）。然后合成气透过水煤气变换反应（英语：water-gas shift reaction）装置将二氧化碳和氢气分离。由此而来的二氧化碳将被捕集，而清洁来源的氢气将用于燃烧而发电。[29]气化与合成气生产结合的过程称为整体煤气化联合循环（IGCC）。空气分离装置（ASU）可作为氧气来源，但一些研究发现在相同的烟道气中使用氧气进行气化仅比使用空气进行气化稍好一些。两者皆以煤碳为燃料，热效率约为70%。[28]因此燃烧前捕集的流程实际上不需用到ASU。

生物质通常"不含硫"，可作为燃烧前捕集的燃料。然而实际上生物质中仍有其他微量元素，例如钾和钠，可在系统中累积并最终导致机械部件退化。[28]因而需要进一步开发分离这些微量元素的技术。此外，在气化过程后，生物质来源的合成气中二氧化碳的质量占比为13%至15.3%（而煤碳来源二氧化碳质量占比仅为1.7%至4.4%）。[28]这会限制水煤气变换过程中一氧化碳转化为二氧化碳的程度，并降低氢气的产率。然而，使用生物质的燃烧前补集流程的热效率与煤碳相似，约为62%至100%。一些研究发现，使用干式系统代替生物质/水浆料更具热效率和实用性。[28]

燃烧后捕集

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除燃烧前捕集和富氧燃烧技术之外，燃烧后捕集也是一种有前景的技术，可在生物质燃烧后将二氧化碳捕集。在此过程中，将生物质燃烧产生的烟道气中的二氧化碳与其他气体分离。由于此法对一些现有发电厂（例如使用蒸汽锅炉或其他新建发电厂）可利用设备改造的方式进行，因此被认为是比燃烧前捕集更好的选择。根据于2018年3月发布的《美国生物能源消耗和碳捕集与封存》说明书，估计燃烧后捕集技术的效率为95%，而燃烧前捕集和富氧燃烧捕集二氧化碳的效率为85%和87.5 %。[30]

由于燃烧后捕集的技术存在一些问题，目前尚未完全成熟。使用此技术捕集二氧化碳的主要问题之一是寄生负载耗能（parasitic energy consumption）。[31]如果机组容量设计较小，其向周围散失的热量就很大，足以造成太多的负面后果。此技术的另一个挑战是如何处理生物质燃烧产生烟道气中的混合物成分。此类混合物含有大量碱金属、卤素、酸性元素和过渡金属，可能会对过程效率产生负面影响。因此在具体溶剂的选择以及如何管理溶剂方面应仔细设计和运作。

生物质原料

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参见：生物能源

BECCS使用的生物质来源包括农业残留物和废弃物、林业残留物和废弃物、工业和城市废弃物以及专门种植用作燃料的能源作物。[32]目前的BECCS专案所采的是从生物乙醇工厂和都市固体废弃物回收中心捕获二氧化碳。

确保使用生物质的碳捕集可行且能达到碳中和，须克服各种挑战。生产生物质材料需用到数量庞大的水和肥料，而这些投入本身就存在资源破坏、冲突和肥料径流等环境挑战。第二项挑战是物流：分离出来的大量二氧化碳需要运送到能妥善封存的地质环境。[33]

专案和商业运作设施

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全球截至2017年已设有23个BECCS项目，其中大部分位于北美和欧洲。[28][34]

乙醇工厂

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美国伊利诺州工业碳捕集与封存（IL-CCS）专案于21世纪初启动，是第一个工业级规模的生物能源与碳捕集和封存计画。 IL-CCS位于伊利诺州迪凯特，从阿彻丹尼尔斯米德兰 (Archer Daniels Midland，ADM) 乙醇工厂捕集二氧化碳，并将其注入西蒙山砂岩（英语：Mount Simon Sandstone）地质构造中。 IL-CCS计画分为两个阶段。试点阶段从2011年11月持续到2014年11月，花费资本约8,400万美元。在此期间已成功捕集并封存100万吨二氧化碳，在注入区并未发现有任何泄漏，会持续监测以供将来参考。第二阶段于2017年11月开始，利用相同的注入区，所需资本约为2.08亿美元，包括来自美国能源部提供的1.41亿美元资金。此阶段的捕集能力较之前的试点计画提高两倍，让专案每年捕集超过100万吨二氧化碳。截至2019年，IL-CCS专案是世界上最大的BECCS计画。[35][36][37]

除IL-CCS之外，还有其他几个较小规模从乙醇工厂捕集二氧化碳的项目。包括：

  • 位于美国堪萨斯州阿卡隆（英语：Arkalon, Kansas）的工厂：捕集0.18-0.29百万吨二氧化碳/年
  • 位于荷兰的OCAP公司：捕集0.1-0.3百万吨二氧化碳/年
  • 位于加拿大的Husky Energy公司：捕集0.09-0.1百万吨二氧化碳/年

垃圾焚化厂

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世界各地有些垃圾焚化厂设有碳捕集装置，但截至2021年，没有一间将捕集的二氧化碳封存，而是以各种方式再予利用。例如于荷兰德伊芬的一家工厂将捕集的二氧化碳用来提高温室中的作物产量。一间位于日本佐贺市的工厂利用二氧化碳进行藻类培植。[38]

生物能源发电厂

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欧盟从2021年开始对一间名为Stockholm Exergi的能源公司（位于斯德哥尔摩）现有，以生物质为燃料的热电联产工厂改造提供资助。[39]透过将热碳酸钾与发电厂排放的烟道气混合来捕集二氧化碳，这是此项技术首次被大规模应用。捕集的二氧化碳先被液化，以利运输，并封存在约800公尺深的海底地质含水层和枯竭的油气田中。 微软于2014年宣布购买Stockholm Exergi永久清除的330万公吨的二氧化碳，作为该公司碳排放抵消额度用途。[40]

英国政府于2024年批准投资德拉克斯发电站四座碳捕集装置中的两座，预计该发电厂每年将可捕集近800万吨二氧化碳。[41]

挑战

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环境考量

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参见：与生物燃料相关的问题（英语：Issues relating to biofuels）

广泛实施BECCS的一些环境考量和其他问题与CCS类似。然而对CCS的大部分批评是它可能会加强对终将枯竭的化石燃料和对环境造成破坏的煤碳开采的依赖。 BECCS的情况并非如此，因为它依赖再生生物质。然而，还有其他涉及BECCS的考量因素，这些担忧与生物燃料的预计使用增加有关。生物质生产受到一系列永续性限制，例如：耕地和水资源短缺、生物多样性丧失、与粮食生产竞争和森林砍伐。[42]确保生物质的利用能实现能源和气候的效益最大化非常重要。一些建议的BECCS部署情景因过度依赖生物质投入而受到批评。[43]

以工业化规模运作BECCS需要用到大面积土地。例如要消除100亿吨二氧化碳，需要超过3亿公顷的土地（比印度国土面积还大）。[24]BECCS因此面临会用到更适合农业和粮食生产土地的风险，特别是有可能在开发中国家发生。[44]

这类方式可能还有其他负面影响。然而，目前尚无必要扩大生物燃料以提供能源或工业的应用。如今已有许多生物质产生的二氧化碳点源造成大量排放，可供BECCS发挥。然而在未来透过适当的政策诱因，BECCS仍可能在限制全球升温远低于2°C的工作中扮演重要角色。[45]

IPCC第六次评估报告中指出："透过BECCS以及造林来广泛部署生物能源将需要比以前使用更多的淡水资源，而会改变区域内的水循环（高置信度），并在下游用途、生物多样性和区域气候产生影响，取决于先前的土地植被、背景气候条件和部署规模（高置信度）。"[46]

技术挑战

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参见：生物质供热系统（英语：Biomass heating system）

应用BECCS技术的挑战是找到合适的地点来建造工厂并封存捕集到的二氧化碳，与其他碳捕集与封存技术并无不同。如果生物质来源距离燃烧装置远的话，运输也会产生二氧化碳排放，抵消此技术捕获的二氧化碳数量。 BECCS也有生物质燃烧效率方面的问题。虽然每种生物质具有不同的热值，但通常它是一种低品质燃料。生物质热转化的效率通常为20-27%。[47]相较之下，燃煤发电厂的效率约为37%。[48]

BECCS还有另一问题，即该过程是否实际上能产生净能量 - 由于低能量转换效率、生物质产生所需的能源强度，再加上CCS装置所需的能源，均会造成能源损失，而可能会导致利用生物质发电的效率低下。[49]

其他相关二氧化碳来源

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来源 二氧化碳来源 所属经济部门
乙醇生产 将生物质如蔗糖、小麦及玉米发酵，会产生二氧化碳（副产品） 工业
造纸

水泥生产

  • 由回收锅炉（英语：Recovery boiler）产生的二氧化碳。
  • 由水泥厂石灰窑产生的二氧化碳。[17]
  • 造纸业在黑液和树皮、木材等生物质气化反应过程中产生的二氧化碳。
  • 在整体煤气化联合循环过程中燃烧生物质，生产合成气会产生大量二氧化碳。
 工业
生物燃气生产 在生物燃气净化过程中，须将二氧化碳与甲烷分离，以生产更高品质的燃料。 工业
发电厂 燃烧生物质或生物燃料，产生蒸气驱动发电机，会产生二氧化碳（副产品） 能源产业
供热厂 燃烧生物质或生物燃料，产生热量，通常作区域供暖之用，也会产生二氧化碳（副产品） 能源产业

农林残留物

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全球每年产生14吉吨（Gt=十亿吨）林业残留物和4.4吉吨农作物残留物（主要来自大麦、小麦、玉米、甘蔗和水稻）。这大量的生物质经燃烧后每年可产生26EJ（EJ=1018焦耳）的热量，利用BECCS技术可实现2.8吉吨的二氧化碳负排放。利用残留物产生的能源进行碳捕获将为农村社区带来社会和经济效益。BECCS利用农作物和林业废弃物是种应对生态和社会挑战的方法。[50]

在推广中的森林生物能源策略，将森林残留物予以气化后发电，已在许多开发中国家获得政策支持，因为此类生物质丰富且可便宜取得（是传统林业的副产品）。[51]此外，采森林残留物气化发电能持续进行，与风能和太阳能发电所具的间歇性不同，且可以机动方式发电以满足需求的变化。林业具有有利地位，可在促进森林生物能源战略采用和升级以应对能源安全和气候变化而发挥作用。然而在森林生物能源研究中，利用森林残留物进行生物发电的经济成本及其对传统林业经营的潜在财务影响却鲜有研究，特别是在开发中国家，若能深入研究木材与生物电力联合生产的经济可行性，将有助于更全面评估此一发展机会。[51]

都市固体废弃物

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由于都市固体废弃物中含有一些生物质，如食物、木材和纸张，废弃物焚烧在一定程度上可被视为生物能源。估计全球约44%的废弃物由食物和绿色垃圾组成，另外17%是纸张和纸板。[52]估计碳捕获技术可减少垃圾焚化炉的碳排放量，每焚化一公斤垃圾可减少700公斤的二氧化碳排放（假设捕获率为85%）。具体的垃圾成分对捕获率影响不大。[38]

煤炭与生物质混烧

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参见：混合燃烧（英语：Cofiring）

全球截至2017年约有250座混烧工厂，其中40座设于美国。[53]生物质与煤碳混烧的效率接近燃烧煤碳的。[48]与混烧相比，可能更佳的选择的是将电厂的一台或多台发电机组完全转换使用生物质燃料。[54]

政策

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根据《京都议定书》，CCS计画未列入为清洁发展机制（CDM）或共同实施（英语：Joint implementation）（JI）计画的减排工具。[55]截至2006年，有越来越多的人支持将化石燃料碳捕获与封存 (CCS) 和生物能源与碳捕获和储存 (BECCS)纳入京都议定书和《巴黎协定》。关于如何实施这两种技术的会计研究也已经完成。[56]

欧盟

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欧盟制定鼓励使用生物能源的政策，例如再生能源指令 (RED) 和燃料品质指令 (FQD)，要求生物质、生物液体和生物燃气到2020年占总能源消耗的20%。[57]

瑞典

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瑞典能源署受瑞典政府委托，设计瑞典BECCS支援系统，将于2022年启动。[58]

英国

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英国气候变化委员会（英语：Committee on Climate Change）建议到2050年，航空生物燃料应占航空燃料总需求的10%，且一旦技术成熟，所有航空生物燃料都应采用CCS技术生产。[59]:159

美国

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经支持CCS者多年的努力，终于让美国国会于2018年增加并延长针对碳截存的第45Q税收抵免条款。对于安全地质封存每吨二氧化碳，税收抵免从25.70美元增加到50美元，而对用于增强石油采收的每吨二氧化碳，税收抵免从15.30美元增加到35美元。[60]

大众认知

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一篇于2020年发表，名为《公众对气候工程仍缺乏了解且抱持戒心（The public remain uninformed and wary of climate engineering）》的研究报告，提出在2018年从事一项涉及来自英国、美国、澳大利亚和纽西兰的线上小组受访者研究，显示受访者事先对BECCS技术知之甚少。对受访者观感的测量表明公众对BECCS的看法既有正面，也有负面。在此四国中，45%的受访者表示支持BECCS的小规模试验，而只有21%的受访者表示反对。与其他二氧化碳移除方法如直接空气捕获和增强风化（英语：Enhanced weathering）相比，BECCS受到中等程度的偏好，而远比太阳辐射管理（英语：Solar radiation modification）更受欢迎。[61]

于2019年在英国牛津郡所做的一项研究，发现公众对BECCS的认知受到用于支持该做法相关政策的显著影响。参与者普遍赞成税收政策和实施标准，而对政府出资一事，看法各异。[62]

参见

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参考文献

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