实现碳中和的技术和前景

1.研究背景

2050年全球人口预计将达到99亿，能源需求将增加80％，粮食需求将增加70％。2050年温室气体排放将增加50％。如果这种增长继续，碳循环将失衡，导致气候系统不可逆转的变化。为了解决全球温室效应问题，各国已签署了巴黎协议，同意将全球升温控制在2.0℃以下，努力实现2050年前的碳中和。减少化石燃料和食物中的碳排放，并促进陆地和海洋生态系统中的碳固存是至关重要的。各国已制定了不同的碳中和战略路径，但减少排放到净零是具有挑战性的。虽然在过去十年中可再生能源的利用增加了，但过渡的速度还不够快。此外，需要优化粮食系统的管理，采用更高效的农业技术。通过工业手段加强从大气中捕获二氧化碳，并进行二氧化碳封存也是实现碳中和的可行途径。

2.研究结果

（1）.可再生能源技术

可再生能源生产的核心技术（图1）太阳能是满足低碳和无碳社会能源需求的理想解决方案。传统薄膜太阳能电池已实现大规模工业化生产。有机太阳能电池等集成器件，已发展成为前景广阔的光伏技术。最近的研究表明，在屋顶安装太阳能电池板可在短期内（约10年）减少57% 的温室气体排放，并在长期（约30年）内实现碳中和。太阳能热技术依靠光热转换来实现热量、蒸汽和电力生产。例如，太阳能电解水制氢燃料。

风力涡轮机产生的噪音是阻碍风能利用的问题之一。各地风力资源分布不均，给风力涡轮机产生的电能的运输带来了挑战。而风速和风向的不可预测性会导致发电的相位、振幅和频率多变且不稳定，从而难以并入电网，造成风能的浪费。安装风力涡轮机的成本相当高，阻碍了这一技术的广泛应用。

海洋能通常的能源形式：潮汐能、波浪能、洋流能、热能和渗透能。潮汐能是潮汐中蕴含的能量，每年约1200TWh。波浪能是水波中的动能和势能，全球波浪能的潜力为每年 29500TWh，收集波浪能的技术不如潮汐能成熟。洋流能保留在全球海水的大循环中，利用这种能源的努力较少。热能来源于太阳光的照射，潜力为每年44000TWh。渗透能是存在于不同盐浓度水体之间的能量，是一种概念性能源。

生物质最重要的来源是农业和林业残留物、城市固体废弃物。通过化学转化法生产生物柴油。生化转化利用微生物和酶作为催化剂，将生物质转化为液体燃料、天然气、不同类型的生物产品。

氢气一直是工业用途的必需品。通过电解法生产氢气后，现在需要提高能源利用/转换效率，优化H₂工业结构的升级，并降低成本，以实现H₂能源的广泛使用。

核能是清洁能源的主要贡献者。钍熔盐反应堆（MSR）可提高安全性和经济回报，与太阳能相结合实现稳定供能。中国、欧盟和日本在示范电站研究方面领先。

地热能是地球内部蕴藏的非碳基热能。地热发电是利用天然地热蒸汽驱动涡轮机发电。第2020年，全球地热利用实现二氧化碳年减排量3亿吨。

2.增强全球生态系统碳汇的技术

全球温室气体流入量概述，以及促进全球生态系统减少和吸收温室气体的战略（图2）。为减少农业生产系统的温室气体排放，可以采用替代技术或方法。例如，改变饮食习惯，少吃动物性食物多吃植物性食物。在作物生产中，需开发新型合成氮肥、改进耕作制度、施肥和灌溉方法，并采用数字农业技术。同时，通过培育氮利用效率高的作物品种、开发甲烷生成抑制剂、利用微生物帮助作物固氮和改进动物饲料等方法减少甲烷和氮氧化物的排放。另外，粪肥管理方法和粪肥的再利用也可以减少温室气体的排放。动物育种技术可以选择低温室气体排放的高产动物，减少需要的动物数量。

陆地生态系统是重要的碳汇。森林和草地是主要的陆地碳汇。草地通过土壤储存了大量的碳。恢复植被和改良土壤是增加陆地生态系统固碳量的方法。森林覆盖率的增加可以显著减少全球二氧化碳排放。适当的放牧管理和农业土壤中使用有机肥料和作物残留物也可以提高固碳效果。

海洋生态系统在碳汇方面起着重要作用。海洋中储存的碳总量是大气中储存的碳总量的44倍，而且平均停留时间长达几百年。被固定并储存在海洋生态系统中的大气碳被称为蓝碳。海洋碳汇的大小包括溶解性碳泵和生物碳泵。微生物起着重要作用，通过微生物碳泵将二氧化碳固存在深海中。沿岸生态系统也扮演着重要的角色，保护和恢复沿海湿地是增加蓝碳量的有效方式。珊瑚礁虽然释放二氧化碳，但也能将无机碳快速转化为碳酸盐矿物。海产养殖在海洋负碳排放方面有潜力，但固碳过程需要进一步研究和解决。

3.应对全球废物的碳足迹

零废物生物炭作为可持续发展的碳中和工具（图3）。生物炭是一种多孔固体材料，是在有限氧气或无氧条件下，通过高温处理原料产生的。生物炭可以形成高电荷表面和多种功能基团或疏水表面，因此正在成为一种有效、安全的天然吸附剂，可捕捉二氧化碳和去除多种有机污染物、抗生素、芳香族染料、农用化学品和无机污染物。将农业废弃物转化为生物炭以改善土壤健康被认为是储存土壤养分和减少温室气体排放的一种有前途的策略。生物炭具有可控和可定制的导电性和固有的官能团，因此可以在光子、电子、声学和生物/氧化还原反应中发生反应，并可替代不可持续的固体碳基催化剂。在动物生产系统中，添加生物炭作为饲料添加剂可以减少反刍动物产生的甲烷，改善动物的生长和健康状况，提高产蛋量，并抑制疾病的发生。

4. 二氧化碳捕获、利用和封存技术

行业二氧化碳捕获技术发展路线图（图4）。二氧化碳捕集、利用和封存（CCUS）技术包括三个不同的过程：从排放源分离二氧化碳、二氧化碳转化和利用、运输以及长期与大气隔离的地下封存。二氧化碳捕集的技术路线主要包括燃烧后捕集和燃烧前捕集。燃烧后捕集是最简单的二氧化碳回收方式之一，采用物理吸收、化学吸收、膜分离等技术分离二氧化碳。燃烧前捕集是将燃料气化成合成气，再分离二氧化碳。燃烧后捕集的优点是操作简便，但能耗较高；而燃烧前捕集的二氧化碳浓度较高，但需要开发先进的煤气化技术和使用燃气轮机。目前，研究重点是寻找高效吸收剂和优化分离工艺，以降低二氧化碳分离能耗。

二氧化碳运输是指将捕获的二氧化碳运输到使用或储存区域的过程。在某些方面，二氧化碳运输类似于石油或天然气的运输，管道运输技术最具应用潜力。

二氧化碳封存是指通过工程和技术手段将捕获的二氧化碳封存在地质结构中。它可以实现二氧化碳与大气的长期隔离。

二氧化碳化学利用是指在一定温度、压力和催化剂存在的条件下，将二氧化碳转化为其他高价值化学品的过程。为了促进二氧化碳的转化，人们开发了热化学催化、光化学催化、电化学催化等多种途径。