新型零碳能源技术——BECCS和DACCS

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摘  要：BECCS（生物质能结合碳捕获与封存）与DACCS（直接空气碳捕获与封存）都是通过分离和吸收大气中的CO₂，并将其封存在地下来减少大气中CO₂的技术，为了实现碳中和，主要国家对两种技术寄予厚望，本文中将介绍两种技术的现状及课题等。

关键字：BECCS、DACCS、生物质能结合碳捕获与封存、直接空气碳捕获与封存、碳中和

要点

• 作为实现碳中和的碳捕获与封存的有效手段，主要国家对BECCS（生物质能结合碳捕获与封存）和DACCS（直接空气碳捕获与封存）寄予厚望。

• BECCS和DACCS的小规模实证项目和研究用设备数量众多，而欧洲和美国正计划建设大规模设备。

• 为了扩大BECCS，需要确保发电用植物资源，但这可能与粮食生产产生竞争。此外，受可用土地的限制等，生物能源的可持续性方面也存在课题。应尽快就达成社会共识进行讨论。

• DACCS的成本比BECCS高，且用于分离CO2和再生化学材料的能源需求量较大，因此DACCS的课题是降低成本。BECCS和DACCS均存在确保分离后CO2的地下封存地场地的课题。

BECCS（生物质能结合碳捕获与封存）与DACCS（直接空气碳捕获与封存）都是通过分离和吸收大气中的二氧化碳（CO₂），并将其封存在地下来减少大气中CO₂的技术。

在主要国家应对全球变暖的长期对策中，期望BECCS和DACCS作为负排放技术（人工捕获和去除过去所排放的CO₂）的决定性因素发挥重要作用，以抑制温室气体（GHG＝Greenhouse Gas）的排放并实现碳中和（图1）。

＊1德国的去除量为2045年基准

＊2日本的GHG排放量为2015年数据（日本地球环境产业技术研究机构在综合资源能源调查会基本政策分科会上提交的《2050年碳中和对策分析中间报告》中的参考值）

资料来源：根据各国的长期对策分析制作。

通过BECCS和DACCS，英国计划到2050年去除相当于2020年GHG总排放量12%的CO₂；德国计划到2045年去除相当于2020年GHG总排放量9%的CO₂；日本也计划通过DACCS，到2050年去除相当于2015年GHG总排放量14%的CO₂。

BECCS的现状

BECCS是将CCS与从生物质中生产能源的生物能源设施相结合的技术，具体而言，指将生物质发电设施所排放的CO₂封存在地下的技术。与植树造林不同，BECCS 封存CO₂不受干旱、森林火灾和害虫的影响，持久性良好。

图2示出目前正在运营的全球主要BECCS项目及设备。美国伊利诺伊州等地利用玉米制造乙醇的一些设施拥有100万吨的CO₂捕获能力和封存规模，目前只进行了小规模实证。英国预计2027年开始运行具有800万吨/年的CO₂捕获能力和封存规模的BECCS设备。英国德拉克斯（Drax）发电厂以木屑颗粒为燃料，其目标是进一步扩大规模。

资料来源：根据ICEF Biomass Carbon Removal and Storage (BiCRS) Roadmap, 2021, IEA, Energy Technology Perspectives 2020:Special Report on Carbon Capture, Utilization and Storage以及各种报道资料制作

2020年10月，日本在福冈县大牟田市的三川发电厂开始运行三川CO₂分离捕获设备，该设备每年能够捕获18万吨由生物质发电厂排放的CO₂。2009年9月，在三川发电厂建设了CO₂捕获能力为3000吨/年的中试设备，并对CO₂的分离捕获系统进行了改良。

三川CO₂分离捕获设备

来源：东芝能源系统

英国Drax公司于2021年3月向英国政府提交申请，计划开发CO₂捕获能力为800万吨/年的BECCS设备。Drax公司计划于2024年开始建设，由两组设备构成，并于2027年开始运行第一组设备。

Drax公司的北约克郡发电厂

来源：Drax公司

Drax公司正在推进英格兰北约克郡的塞尔比（selby）火力发电厂燃料从煤炭向生物质的转换，并已经于2019年开始在BECCS中试项目中捕获CO₂。2020年，Drax公司安装的第二个中试设施使用日本企业的CO₂捕获技术。

国际会议ICEF(Innovation for Cool Earth Forum)探讨了通过技术创新应对气候变化，其在制定的路线图中提出“生物质碳去除与封存（BiCRS：Biomass Carbon Removal and Storage）”。BiCRS的着眼点是通过生物质去除大气中的CO₂，而不是通过生物质来生产能源。

在CO₂封存方面，不仅通过CCS，同时与可长期吸收CO₂的多样产品或方法相结合，从而实现负排放。具体来说，以生物资源为原料，利用可以有效激活生物和改善环境的碳化物（生物炭）储存CO₂，以及将生物质热分解液化获得的生物液体注入地下的研究等。

DACCS开发的现状

直接空气碳捕获（DAC：Direct Air Capture）将CO₂从大气中分离并浓缩。DAC的技术开发可以追溯到在1940年代的潜艇和1950年代的航天器中的利用，现在是将捕获的CO₂封存在地下，或者用于生产化学品、燃料、水泥等。当将CO₂封存在地下时，会组合使用CCS，此时DAC与CCS的组合被称为DACCS。DAC与一般CCS的不同之处在于其不是从排放的废气中，而是从大气中直接捕获和去除CO₂。大气中CO₂浓度为0.04%，仅为火力发电厂废气的1/100～1/300。

DAC需要两个过程：<1>吸收/吸附剂从大气中吸收/吸附CO₂；<2>从吸收/吸附剂中分离CO₂。一般情况下，使用液体溶剂或固体吸附剂从大气中化学分离CO₂，为了分离大量的CO₂，重要的是如何使吸附剂与空气有效接触。

从吸附剂中分离（释放）捕获的CO₂的阶段称为“再生”，利用热量进行再生的工艺称为“变温吸附”，通过气压的变化进行再生的工艺称为“变压（真空）吸附”。两种再生工艺可以结合使用。CO₂分离以及再生过程需要消耗大量能源，因此存在降低成本的课题（图3）。

资料来源：根据ICEF Direct Air Capture of Carbon Dioxide, 2018和National Academy of Sciences, Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda, 2019制作

图4示出全球主要的DAC项目和设备。截至去年，运行的项目和设备均为小规模商业化项目和研究用设备，且规模小于BECCS。今年9月，在冰岛赫利舍迪（Hellisheidi）地热发电厂附近，瑞士Climeworks公司开始运营具有4000吨/年CO₂捕获能力的Orca设备。

目前，全球最大的DACCS设备——Orca设备使用的可再生能源由冰岛的地热能供应商——On Power公司提供。专门从事地下CO₂矿化的冰岛Carbfix公司将从大气中捕获的CO₂和水混合后注入到地下深处，由此，CO₂在地下深处通过矿化过程而被封存在岩石中。

Climeworks公司的Orca设备

来源：Climeworks

资料来源：IEA, Energy Technology Perspectives 2020: Special Report on Carbon Capture, Utilization and Storage, National Academy of Sciences, Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda, 2019, ICEF Direct Air Capture of Carbon Dioxi

此外，加拿大Carbon Engineering公司计划于2022年，在美国得克萨斯州的二叠纪盆地与由初创企业Oxy Low Carbon Ventures公司成立的1PointFive公司合作，共同建设从大气中捕获CO₂能力为100万吨/年的DAC设施。

Carbon Engineering公司的二叠纪盆地设备效果图

来源：Carbon Engineering

课题是成本和潜力

根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的《全球升温1.5℃特别报告》（图表5）推算，BECCS的CO₂去除成本为100～200美元/吨，2050年时CO₂减排潜力为0.5～5吉吨（Gt，1吉是10亿）；另一方面，DACCS的CO₂去除成本为100～300美元/吨，CO₂减排潜力则与BECCS相同，为0.5～5Gt。

资料来源：根据IPCC《全球升温1.5℃特别报告》（2018）制作

据推测，植树造林（新植树造林、再植树造林）的CO₂去除成本为5～50美元/吨，比BECCS和DACCS便宜很多，但2050年的CO₂减排潜力仅为0.5～3.6Gt，小于BECCS和DACCS。此外，植树造林需要大量的土地和水。然而，也有人指出植树造林对生态系统和生物多样性具有积极影响，应考虑去除CO₂之外的作用。

另外，还需要注意的是，BECCS和DACCS的2050年CO₂减排潜力都取决于可确保的分离后CO₂封存地的多少。尤其对于BECCS，必须解决可持续性方面的问题，例如生物能源资源的供应、与粮食生产的竞争、土地的可利用性等。如果采取相比工业革命前全球升温控制在2摄氏度以内的对策（称为“2度路线”），预计BECCS将需要25～46%的耕地和多年生作物栽培地。为了在不对稳定的粮食供应、农村生活和生物多样性的保护等产生不利影响的情况下推进BECCS，必须形成社会性共识。

DACCS规模化和商业化的关键在于开发出高效回收大气中CO₂（其浓度仅为火力发电厂废气的几百分之一）的技术，但目前的情况是这一技术尚处于研发阶段。DACCS的CO₂去除成本高于BECCS，并且CO₂再生过程需投入大量能源，因此DACCS的最大课题是降低成本。

政府支援对于降低成本和实现潜力也很重要。在欧盟，创新基金在今年7月决定资助Silverstone项目，在冰岛的赫利舍迪地热发电厂用水代替溶剂进行DAC。创新基金还于今年10月决定资助图2中Stockholm的BECCS项目。

日本通过新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“登月（挑战性研发）型”项目，自8月以来已经实施了多个DAC研发项目。11月，美国能源部发表了将DACCS的成本控制在100美元/吨以下的“Carbon Negative Shot”目标。

BECCS和DACCS今后的研发动向值得关注。

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翻译：王宁愿

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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