什么是循环碳经济？碳捕获和再利用

循环碳经济将“碳”视为一种资源，而二氧化碳则被视为碳利用过程中的副产品。我们需要实施充分的资源和废物管理，应用减少、再利用、回收、移除的4R原则，并创建一个封闭的循环经济模式，以维持人类的安全栖息地，同时保证生活质量。本文将介绍循环碳经济以及如何实施4R和碳捕获、利用和储存（CCUS）。

什么是循环碳经济？

碳循环是维持地球气候稳定的自然循环系统。生物呼吸、火山爆发、燃料燃烧、微生物分解等活动产生的二氧化碳被植物和藻类吸收。当这些植物和藻类死亡时，二氧化碳会被埋入地下或再次沉入海底，平衡大气中的二氧化碳含量。然而，工业革命后人类排放的大量二氧化碳打破了这个循环的平衡。碳被认为是用于经济活动的资源，同时也会产生一种危险废物——二氧化碳。

在传统的线性经济模式下，人们通过开采和燃烧富含碳的石油、煤炭、天然气等化石燃料来利用碳，最终将废弃物以二氧化碳的形式排放到大气中，这种从摇篮到坟墓的经济模式加剧了温室效应，进而导致气候变化。

维持线性经济模式，解决气候变化的关键是尽量减少资源的使用，这意味着人们的生活质量将受到影响。为了保证气候安全，维持舒适的生活环境，人们借鉴循环经济，提出了循环碳经济的概念。通过再利用、减废、零废弃等做法，将碳保持在封闭的资源利用系统中，降低环境危害。

循环碳经济主要包含4R方法，即减量、再利用、回收、移除，有别于循环经济中零废弃的层级结构，四个方法同等重要且互相依赖，因此资源投入与解决方案实施并不分先后。

请参阅文章：什么是零废物？零废物原则和示例。了解有关零废物层次结构的更多信息。

减量措施方面，可透过提升能源利用效率、使用替代能源等方式减少碳的消耗；再利用措施是在不消耗能源的情况下生产新产品；回收利用措施则是透过能源消耗，将二氧化碳转化为新产品；移除措施则是将无法减量、再利用或回收的废弃物，以形成天然或人工的碳汇，将二氧化碳移出封闭的资源利用系统，虽然无法产生新的价值，但却可以避免这些二氧化碳对环境造成影响。

循环碳经济的4R是什么？

循环碳经济的4R原则是：减少、再利用、回收、去除。它们是循环碳经济的基石。

减排措施包括提升能源生产及运输效率，降低发电所需燃料量；增加水电、核电、风电、潮汐能、太阳能、地热能等可再生能源的发电能力；减少发电项目的碳排放。

再利用措施包括利用二氧化碳提高温室作物产量；喂养藻类，为牡蛎或鲑鱼提供丰富的食物；将其转化为碳酸盐，可用作建筑用途的混凝土原料；用它来制造碳酸饮料；使用它作为制冷剂气体；用它来提高石油采收率。

回收措施包括利用电能或热能将二氧化碳转化为甲烷和甲醇等燃料；以及生产化肥、塑料和合成橡胶。

二氧化碳的去除可通过自然或人工方式进行。例如湿地保护、从事低耕农业和覆盖种植树木、直接从空气中捕获二氧化碳、将二氧化碳储存在可保存数百年的系统中，如建筑材料或地壳。

减少：减少进入大气的碳

循环碳经济中的“减量”措施包括从源头上减少排放到大气中的二氧化碳量，以及减少必须管理和捕获的二氧化碳量。目前，实施的方法如下：

提高运输效率

根据国际能源署（IEA）的估计，通过提高交通运输的能源效率，全球排放量有望减少20%以上。在公共道路运输方面，通过降低车辆重量、提高发动机效率以及增加电动汽车的市场份额，尽管汽车数量有所增加，但二氧化碳排放量仍将维持在2018年的水平。未来，如果汽车产量停滞或下降，二氧化碳排放量将逐渐降低。

在交通运输领域，航空业是最需要改进的。使用更高效的发动机和改进飞机设计有助于提高效率。但由于飞机交付时间长、成本高，而且电动机和燃料电池的突破性创新不会在近期出现，用高铁取代短途航空运输是一种更经济、更实惠的替代方案，因为它的能源效率是飞机的11倍。在欧洲之星、中铁高铁和日本新干线等高铁系统覆盖的地区，航空运输使用率下降了40%以上。

提高建筑和家用电器的效率

目前，该技术可用于提高烹饪、水、空间加热和冷却设备的能源效率。许多国家还通过税收或补贴提供激励措施。特别是，仅改善隔热性能就可以将全球能源消耗减少一半，而使用区域冷却设备也可以将冷却能耗减少 50%。

改善工业设备

虽然随着人口和消费能力的增长，工业活动也在增加，但它们正从能源使用强度较高的重工业转向能源使用强度较低的轻工业。轻工业是减少二氧化碳排放的关键，可以通过增加电动机效率和减少废热排放的新机器来实现。对于能源使用强度较高的重工业，主要措施包括提高废金属、废玻璃和废塑料的材料回收率，以减少二氧化碳排放。

可再生能源

可再生能源是指原材料取之不尽的能源生产方式，包括地热、风能、潮汐能、太阳能和生物发电。目前，最成熟和最有前景的两项技术是太阳能发电和风能发电，而生物燃料发电可以弥补太阳能和风能因天气条件而不稳定的缺点。可再生能源发电过程中不会排放二氧化碳，是许多循环碳经济措施不可或缺的一部分。例如，将二氧化碳净化并回收成不同产品的过程需要大量能源，而使用可再生能源将增加可供选择的数量。

核电

核能发电涉及铀的使用。虽然核能是一种不可再生能源，但在发电过程中不会排放二氧化碳。除非发生意外，核能是最可靠、最稳定的低碳能源。2019年，核能成为全球第二大低碳电力来源，仅次于水力发电。核能可用于支持不稳定的可再生能源。除了发电外，核能产生的热能还可用于工业和住宅供暖、海水淡化或制氢，从而从多个方面减少二氧化碳排放。

再利用：捕获并重新注入二氧化碳

循环碳经济中的“再利用”措施直接利用二氧化碳或通过低能源强度的方法为人们生产其他新产品：

采油

将二氧化碳注入原本储油的岩层，迫使原本难以采收的石油流向生产井，从而增加石油产量，同时将二氧化碳保留在岩层中。岩层内所含的二氧化碳量可能比燃烧额外采收的石油产生的二氧化碳量还要多。

建筑材料

在混凝土搅拌过程中注入二氧化碳会产生碳酸钙，碳酸钙是用于粘合和固化的填料的一部分。注入二氧化碳的混凝土不仅比传统混凝土性能更高，而且还可以将二氧化碳储存在稳定的材料中，这种材料可以保存数百年。

肥料（尿素）

尿素由氨与二氧化碳反应生成，二氧化碳是氨生产过程中的主要副产品。尿素用于土壤中，将氮引入农作物根部，并在过程中将二氧化碳释放到土壤中，最终将二氧化碳释放回大气中。

制冷、饮料制造和其他商业应用，如促进植物生长

二氧化碳还用于其他商业用途，包括制冷、饮料制造和促进植物或藻类生长。尽管这些用途对二氧化碳的需求正在增加，但与上述三种用途相比，它对循环碳经济的益处较小。

回收：将二氧化碳转化为新产品

循环碳经济的“回收”部分涉及通过能源或高温将二氧化碳与其他材料混合和加工，以生产新产品或能源。

合成燃料

由于CO2是一种非常稳定的分子，将其转化为燃料需要大量的外界能量，目前最成熟的方法是将CO2与电解氢结合，形成甲烷等碳氢化合物燃料，以替代化石燃料。

合成化学品

二氧化碳可用于生产塑料、纤维和合成橡胶等碳基化学材料。这些产品中的大部分碳来自化石燃料。然而，合成化学品需要较高的能源和水使用强度，因此可再生能源和选址变得极为重要。

建筑骨料

发电厂或工业过程中产生的铁渣、煤粉等废料，经过分离、高温高压净化后，可以与二氧化碳发生反应，生成建筑骨料。

移除：碳捕获和封存

虽然减量、再利用和回收有利于碳资源和废弃物的有效管理和利用，但目前循环碳经济中已经存在过剩的CO 2 ，​​再利用或回收只是将其暂时储存在其他产品中，如燃料或肥料。产品使用后，CO 2将被释放回循环系统。其他方法也可以长期储存CO 2 ，​​如将其重新制成建筑材料等。然而，由于需求有限，这种方法无法充分封存大量的CO 2。因此，必须采用直接从碳循环系统中移除的技术来封存CO 2 。

地质储存

来自大气或废物收集系统的二氧化碳被注入地下深处的岩层，这些岩层不透水，可以防止二氧化碳泄漏。

造林

植树造林在植物的整个生命周期中将二氧化碳转化为氧气，从大气中去除二氧化碳。特别是红树林生长在湿地中，死亡后不易被微生物分解，而是以生物炭的形式将二氧化碳长期封存，单位面积封存的碳量是热带森林的3-5倍。因此，种植红树林和保护湿地作为去除二氧化碳的手段非常重要。

碳捕获、利用和储存（CCUS）

CCUS技术由CCS（二氧化碳捕获、封存）演化而来，相较于CCS单纯的碳捕获、封存，CCUS增加了利用功能，充分体现循环碳经济。下面从捕获、运输、利用、封存四个环节来阐述CCUS技术。

二氧化碳捕获​

人们捕获的二氧化碳主要来自燃煤或燃气发电厂的排放、大气和海洋。

燃煤或燃气电厂的烟囱是收集CO2的理想场所，因为烟气中含有大量的CO2 。自20世纪50年代起，人们在烟囱内安装胺溶液罐来捕获CO2 ， CO2在胺溶液中形成可溶性碳酸盐，通过加热加压释放出来。

直接空气捕获可直接从大气中去除二氧化碳，并使用氢氧化钾溶液与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钾。然后氢氧化钙与碳酸钾反应生成碳酸钙，用于碳封存。或者，使用风扇强制空气通过过滤器，捕获的二氧化碳随后可通过加热过滤器释放。由于直接空气捕获依赖于空气接触表面积，因此需要大片土地。

海洋中CO 2浓度是大气中的数十倍，海水吸收CO 2的过程与海水淡化类似，引入海水后，通过渗透分离出少量（约1%）含有重碳酸盐的酸碱液，剩余去除CO 2 后的海水直接返回海洋，酸碱液经净化后可生成CO 2。

二氧化碳运输​

捕获的二氧化碳将经过加压，变成液体，然后储存在气瓶中或通过管道运输。二氧化碳加压和运输会消耗能源，因此利用减排措施中的可再生能源对于这一阶段至关重要。

二氧化碳利用​

收集二氧化碳后，它会被重新利用或回收，变成燃料、化学品或建筑和商品材料，以完成循环碳经济。

二氧化碳封存​

除了重复使用外，二氧化碳还可以压缩成超临界流体 (SCF)，这种流体同时兼具气体和液体的特性。SCF 被注入地下 800 米的合适地质结构中，进行永久封存。这些封存点大多是空的海上油井，以尽量减少额外钻探地下的能源消耗。

为什么循环碳经济对我们很重要？

由于循环碳经济提供了维持现有经济发展与生活质量，同时避免气候变化对生存环境造成威胁的可能性，因此循环碳经济已成为压倒性的重要目标。它可以最大程度地减少有机碳资源的使用，防止其转化成CO 2排放到大气中。同时，通过清除措施，可以将大气中的CO 2转化回有机碳或封存在地壳中。其最终目标是将大气中的温室气体浓度恢复到工业革命前的水平，这与IPCC为抵消人类对气候的影响而制定的碳减排指导方针相一致。