清華新聞網1月10日電 為實現(xiàn)碳中和目標，有必要在實施深度減排戰(zhàn)略的同時部署二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal，CDR）技術，以抵消難減排行業(yè)的剩余排放。其中，兩種生物質碳移除技術——生物能源結合碳捕集與封存技術（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，同時降低環(huán)境影響，但當前沒有研究量化聯(lián)合部署的潛力和經濟可行性，阻礙了碳移除的早期和深度部署。
為此，清華大學核研院能源環(huán)境經濟研究所滕飛教授課題組和合作團隊采用空間顯示分析方法和優(yōu)化模型評估了BECCS和生物炭（Biochar）共同部署戰(zhàn)略的前景。1月6日，相關研究成果以“聯(lián)合部署生物炭和生物能源結合碳捕集與封存技術，以更具成本效益和可持續(xù)地推進中國碳中和”（Co-deploying Biochar and Bioenergy with Carbon Capture and Storage improves cost-effectiveness and sustainability of China’s carbon neutrality）為題，在線發(fā)表于Cell Press旗下期刊《一個地球》（One Earth）。
圖1.土壤和地質限制情況下BECCS和生物炭系統(tǒng)的比較
BECCS是一種領先的碳移除技術，它通過燃燒等過程將生物質轉化為電力或其他能源產品，同時以較高效率捕集二氧化碳并封存。然而，BECCS受限于管道基礎設施及盆地二氧化碳注入能力，難以滿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險。生物炭（Biochar）則不受到封存限制，碳通過生物質熱解過程被封存在生物炭中，生物炭還田后可以長期不分解，并且產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競爭有限的生物質資源。鑒于BECCS 和生物炭各有優(yōu)勢，二者聯(lián)合部署有可能在遵守各自限制因素的同時最大限度地發(fā)揮碳移除潛力，同時降低對土壤健康和糧食安全的環(huán)境影響。
研究結果表明，在單獨部署情景下，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設施限制，中國BECCS的碳移除潛力將從3.31Gt CO2/年下降到0.23Gt CO2/年。
首先，為了維持土壤有機碳含量，部分原料需要還田，這意味著BECCS系統(tǒng)內可用的原料減少。而生物炭則可作為土壤改良劑，保持甚至提高土壤有機碳含量。因此，約25.6%生物質資源所在地區(qū)，生物炭的碳移除潛力超過了BECCS（圖1）。這種差別在土壤質量較差的地區(qū)尤為明顯。
其次，可持續(xù)的盆地二氧化碳注入率是BECCS的關鍵瓶頸，超過注入率可能會引發(fā)地質災害。相比之下，生物炭可直接在農田中封存穩(wěn)定的有機碳，從而避免了地質封存需要。
此外，由于源匯不匹配以及二氧化碳管道基礎設施尚未完善，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，在缺乏二氧化碳運輸基礎設施的情況下，72.3%的生物質原料應用于生物炭系統(tǒng)將會實現(xiàn)更高的碳移除潛力，進一步結合可持續(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
因此，因地制宜聯(lián)合部署B(yǎng)ECCS或生物炭對于可持續(xù)地發(fā)揮碳移除潛力至關重要（圖2）。一方面，生物炭可以在BECCS封存能力受限時提供碳移除；另一方面，生物炭還田避免了聯(lián)合部署系統(tǒng)內的農作物殘留物直接還田，既維持了土壤可持續(xù)性，也提高了生物質資源利用率。結果表明，即使沒有成熟的管道網絡及能源作物種植，聯(lián)合部署B(yǎng)ECCS和生物炭可實現(xiàn)0.89 Gt CO2/年。隨著二氧化碳長距離運輸基礎設施的建立，聯(lián)合部署可將中國的二氧化碳減排潛力進一步提高到2.62Gt CO2/年，滿足多數(shù)1.5°C目標和碳中和目標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，這是因為生物炭能夠避免二氧化碳的長途運輸，以較低的成本實現(xiàn)較高的負排放潛力。
該研究還確定了在所有需求情景下部署生物炭的無悔潛力區(qū)域，這將帶來總計1.12億噸的二氧化碳移除量。
該研究為中國更經濟且可持續(xù)地推進碳中和目標提出了一種前景廣闊的碳移除技術聯(lián)合部署策略，得到了國家重點研發(fā)計劃、清華大學自主科研計劃的資金支持。
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21世紀議程管理中心張賢研究員、中國礦業(yè)大學樊靜麗教授、國際應用系統(tǒng)分析研究所尼克拉斯·福賽爾（Nicklas FORSELL）高級研究員，以及劍橋大學大衛(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
