尚麗，劉雙，沈群，張凌云，孫楠楠，魏偉

（1 中國科學院上海高等研究院，上海 201210；2 中國科學院大學，北京 100049）

氣候變化和CO減排是當今世界面臨的最為嚴峻的問題之一。2020 年9 月22 日，我國在第75 屆聯(lián)合國大會一般性辯論上明確表示“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和”。廣義的碳中和是指進入大氣的溫室氣體和各類碳匯達到平衡，但由于當前CO的排放量遠遠超過其他溫室氣體，如何實現(xiàn)CO的深度減排是碳中和體系中最為重要的一環(huán)，因此狹義的碳中和就是指CO中和。實現(xiàn)碳中和的科學路徑主要分為減少碳排放量和提高碳吸收量兩大類，以新能源、儲能等為核心的源頭減排技術為能源系統(tǒng)的脫碳提供了可行方案，但出于能源安全的考慮，即使在碳中和的情景下，化石能源依然會以一定比例長期存在于能源結構中，其對應排放總量將超過自然碳匯能力，因此必須通過人工碳匯的方式實現(xiàn)碳吸收，即二氧化碳捕集、利用與封存技術（CCUS）。根據國際能源署的相關測算，在未來全球凈零排放的情景下，CCUS 技術將貢獻至少15%的減排量；政府間氣候變化專門委員會（IPCC）則認為如果不使用CCUS 技術，全球減排成本將會成倍增加，估計平均增幅高達138%。因此，CCUS 是未來我國保障能源安全、減少CO排放，高質量實現(xiàn)碳中和的重要手段。

CCUS 是指將CO從工業(yè)排放源或空氣中分離后直接加以利用或封存在一定的地質環(huán)境中，以實現(xiàn)CO減排的工業(yè)過程，是唯一能實現(xiàn)化石能源大規(guī)模低碳利用的技術手段?？傮w而言，CCUS 是一個包含捕集、輸送、利用與封存的多環(huán)節(jié)系統(tǒng)。其中，碳捕集技術作為前端，將電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)利用化石能源過程中產生的CO進行分離和富集的過程，近年來也有研究者提出直接從空氣中捕集CO的新思路，碳捕集是CCUS 系統(tǒng)耗能和成本產生的主要環(huán)節(jié)。根據化石能源消耗與CO富集過程的時空關系差異，目前碳捕集技術主要分為四種，即燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒捕集和空氣直接碳捕集。CO輸送是指將捕集的CO運送到利用或封存地的過程，與油氣輸送有一定的相似性，有陸地或海底管道、船舶、鐵路和公路車載等輸送方式。碳利用和封存是CCUS體系中的CO處置手段，CO利用主要是將CO作為一種資源和原料，通過化學、生物、地質等手段實現(xiàn)高值產品的獲取，CO封存則指通過工程技術手段將捕集的CO儲存于一定的地質構造中，實現(xiàn)與大氣長期隔絕的過程，按照封存地質體的特點，主要包括陸上咸水層封存、海底咸水層封存、枯竭油氣田封存等方式。

在CCUS 的整體價值鏈條中，CO利用技術具有鮮明特色：首先，CO的利用技術有望具有更好的經濟性，這是由于該類技術往往能夠產出具有較高附加值、下游應用廣泛的化學品、油品、高端材料等；其次，CO的利用技術與現(xiàn)有的能源和工業(yè)體系具有更好的耦合度，有望在無需改變當前基礎設施框架的基礎上，通過一定的技術改造，在短期內為高碳行業(yè)提供顯著的降碳效益；最后，CO利用技術有望改變當前對化石資源的依賴，將CO作為化工、建材、食品等行業(yè)的碳元素來源，通過原料替代的方式實現(xiàn)其深度脫碳。近年來，CO利用技術發(fā)展迅速，部分技術已經開展了千噸級以上規(guī)模的中試示范，展現(xiàn)出了顯著的推廣和應用潛力。

目前，CO利用技術已經進入了全新的發(fā)展階段，一方面，隨著各國在該領域投入的不斷加大，相關研發(fā)工作深入開展，新型技術不斷涌現(xiàn)；另一方面，碳中和愿景的提出也使得CO利用技術的研發(fā)、推廣和應用面臨全新的機遇和挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，對CO利用技術的評估十分重要，這是明確具體技術未來減排和應用潛力，科學開展頂層設計的重要手段，將為政府、企業(yè)和科研單位制定相關政策、調整投資結構提供重要參考。實際上，近年來已公開報道了一些CO利用技術的綜合性評估研究。例如，國家科學技術部社會發(fā)展科技司和中國21 世紀議程管理中心根據應對氣候變化新的形勢要求，對我國CCUS技術保持跟蹤定位評估，分別于2011 年和2019 年共同發(fā)布了《中國碳捕集、利用與封存（CCUS）技術發(fā)展路線圖研究》，通過文獻梳理、專家研討、現(xiàn)場調研和問卷調查等方式，提出了我國CCUS技術發(fā)展的總體愿景，以期加快構建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技術體系和產業(yè)集群，為化石能源低碳化利用提供技術選擇；Jens等從全生命周期的角度出發(fā)，提出CO利用技術不單是減少CO絕對量的貢獻，根據綠色化學的原則，該技術通過開發(fā)一種新型原料來避免在向更可持續(xù)的未來生產過渡的過程中化石資源的利用，對碳平衡的改善以及化學生產中產生環(huán)境影響的關鍵因素具有重要影響。此外，部分學者針對CO利用技術的投資潛力以及技術可行性開展了評估研究，例如Remi 等從工程性能、經濟性和環(huán)境影響等方面對CO利用技術產品開展比較分析，進而選擇出短期-中期可部署的新興CO利用技術；Kosan 等基于技術成熟度分析，研究了各類CO利用技術的推廣潛力，以期支撐研發(fā)投資的分配；Jacek等結合燃煤電廠工程實例，對CO利用技術進行了可行性評估。

隨著CCUS技術的深入推進，開展對應技術的低碳成效評估對技術的選擇以及雙碳目標的實現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實意義，然而，現(xiàn)有相關工作主要通過梳理技術相關參數來定性的開展優(yōu)先序判斷，而缺乏技術評估的系統(tǒng)性方法學。針對上述問題，本文圍繞碳達峰、碳中和的總體背景，針對CO利用技術的低碳成效開發(fā)了一套可量化的評估方法學。首先從技術的特性、碳中和效應、經濟和社會效應四個方面構建評價指標體系；其次，采用層次分析和目標趨近相結合的方式對不同技術的指標進行定量化轉換，旨在實現(xiàn)不同技術低碳成效綜合指數的計算及對比分析；最后，基于CO利用技術現(xiàn)狀以及未來潛力參數的分析，對不同階段CO利用技術的低碳成效開展應用評估。通過開展不同CO利用技術之間橫向對比以及不同階段CO利用技術低碳成效的縱向對比，識別影響技術低碳成效的關鍵因素，以期為CO利用技術研發(fā)和布局的選擇提供參考。

1 構建技術低碳成效評估方法學

層次分析法（analytic hierarchy process, AHP）是在20 世紀70 年代由美國運籌學家Saaty提出的，將總目標將分解為多個準則，并進一步將準則分解為多指標（或方案、約束）的若干層次，是開展多指標、多方案優(yōu)選決策的系統(tǒng)方法。通過目標的層層分解，使決策的問題最終歸結為：供決策的方案/措施相對于總目標的相對重要性的確定或相對優(yōu)劣次序的排定。

對于CO利用技術低碳成效的評估是一個多因素影響且又難于定量描述的決策問題。研究采用層次分析的方法，基于已有文獻調研、專家咨詢，將低碳成效的評估從以下四個方面開展：技術特性（A）、碳中和效應（B）、經濟效應（C）和社會效應（D）。其中技術特性重點包括技術成熟度（A1），根據技術所處的階段確定：①基本原理被發(fā)現(xiàn)和闡述，②形成技術概念或應用方案階段，③應用分析與實驗室研究，關鍵功能實驗室驗證階段，④實驗室原理樣機組件或實驗板在實驗環(huán)境中驗證，⑤完整的實驗室樣機，組件或實驗板在相關環(huán)境中驗證，⑥模擬環(huán)境下的系統(tǒng)演示，⑦真實環(huán)境下的系統(tǒng)演示，⑧定型試驗，⑨運行與評估；產品的市場容量（A2），技術產品的市場需求；技術推廣難度（A3），重點從推廣時間、技術與同類技術相比的競爭力以及技術對市場的適應性幾個方面考慮。碳中和效應指標選擇為技術能耗強度（B1），單位產品能耗（標煤/噸產品）；二氧化碳消耗強度（B2），生產單位產品的CO使用量（噸CO/噸產品）；原料替代減排強度（B3），使用CO為原料相對于傳統(tǒng)原料生產單位產品的CO減排量噸CO/噸產品；綜合減排量（B4），直接減排+原料替代減排（萬噸CO/年）。經濟效應主要劃分為成本（C1），建設、投資費用、燃料費、維護費以及人工費；收益（C2），技術投入帶來的利益。社會效應包括：傳統(tǒng)安全&環(huán)境（D1），安全、健康、環(huán)保；產業(yè)鏈安全（D2），健康、安全、穩(wěn)定的產業(yè)鏈；供應鏈安全（D3），健康、安全、穩(wěn)定的供應鏈。

1.1 指標體系的權重設定

1.1.1 AHP-構建判斷矩陣

利用專家咨詢法確定判斷矩陣的層次結構。根據各因素之間的關聯(lián)和隸屬關系，通過指標間兩兩重要性的比較建立判斷矩陣，來表示同一層次各指標相對重要性的標度值，判斷矩陣的形式詳見表1。

表1 判斷矩陣形式

在層次分析法中，為量化判斷兩個方案的優(yōu)劣，采用1～9 標度方法對評比結果給出數量標度，具體內涵詳見表2。如指標與比較，取標度值b，b越大，表明指標的重要性越強。指標與相比，其標度值為b=1/b。

表2 九標度打分法

1.1.2 AHP-層次排序

層次單排序就是把指標層所有元素面向對應的準則層排出順序，需要計算判斷矩陣的最大特征向量，一般采用方根法，通過歸一化特征向量來計算每個指標的權重。

層次綜合排序是計算準則層所有因素對目標層相對重要性的排序值，在先計算的指標層單排序值的基礎上，從最低層到高層逐層加權求和。

1.1.3 判斷矩陣一致性

為了保證判斷結果的邏輯符實，需要對判斷矩陣開展一致性檢驗，引入一致性指標CR（consistency index），具體計算公式如式（1）。

式中，CI 為判斷矩陣最大特征值/判斷矩陣的階數；RI 由判斷矩陣的階數決定。當CR＜0.10時，便認為判斷矩陣具有可以接受的一致性。當CR≥0.10時，需要調整和修正判斷矩陣，使其滿足CR0.10，從而具有滿意的一致性。

基于以上方法步驟，對CO利用技術低碳成效評估的指標權重賦值如表3。

表3 指標體系權重分配

1.2 CO2利用技術的低碳成效綜合指數

技術低碳成效綜合指數用于表征技術低碳成效的相對水平，研究采用綜合指數法計算CO利用技術的低碳成效綜合指數，即面向于各層指標實施不斷收斂，完成對所有單項指標指數的加權。對應的計算如式（2）。

式中，為技術低碳成效綜合指數；W為準則層指標權重值；為準則層指標數；為該準則層指標所屬的單項指標數；W為單項指標權重值；I為某單項指標評價指數。

其中對于單項指標指數的獲取，不同性質的指標需采用不同的方法。對于定量指標以國家政策推薦目標值或CO利用技術發(fā)展可能達到的先進值作為評價標準，通過實際值與評價標準的比值，量化技術對應指標的成效情況；對于定性指標，根據技術的進展水平判斷打分，以0～1為分值區(qū)間，越接近目標值分值，分數會越接近1，反之趨近0。具體處理方法詳見表4。

表4 低碳成效評估兩類指標處理方法

2 案例應用分析

基于對現(xiàn)有CO利用技術的特征、市場需求以及未來減排潛力的綜合分析，研究重點圍繞以下七項CO利用技術開展方法學的應用評估：①CO與甲烷重整制備合成氣技術（Tech01-合成氣）；②CO加氫合成甲醇技術（Tech02-甲醇）；③CO光電催化轉化技術（Tech03-光電催化）；④CO合成有機碳酸酯技術（Tech04-有機碳酸酯）；⑤鋼渣礦化利用CO（Tech05-鋼渣礦化）；⑥CO礦化養(yǎng)護混凝土技術（Tech06-養(yǎng)護混凝土）；⑦微藻生物利用技術（Tech07-微藻）。

2.1 典型CO2利用技術低碳成效現(xiàn)狀評估

以2020年為評估年，首先對我國七個典型CO利用技術的參數開展基礎數據搜集以及定性指標的定量化轉換，對于定性指標（A1、A2、A3、B1、C1、C2、D1、D2 和D3），采用4 級劃分法，根據技術評估年對應指標參數相對該技術成熟且商業(yè)化運轉指標參數的差距進行量化；對應定量指標（B2、B3 和B4），采用實際統(tǒng)計數據。七個典型CO利用技術指標數據詳見表5。

2.1.1 層次單排序-各項因素分析

為了對比分析七項技術在各個指標上的差異，研究對指標層數據開展綜合分析，通過對表5數據進行歸一化處理，七項典型技術在各個指標上的表現(xiàn)對比情況詳見圖1。

表5 每項技術的指標參數

從圖1 可以看出：Tech01-合成氣技術和Tech02-甲醇技術在A2、B4、D2 和D3 四個指標表現(xiàn)相對較好，其主要原因在于上述技術的產物合成氣和甲醇是化工生產過程中非常重要的平臺分子，隨著近年來我國煤化工的快速發(fā)展，已經形成了完善的下游化學品制造體系，且整體技術水平處于世界前列，即便在碳中和的情景下，合成氣轉化和甲醇下游也必將是化工產業(yè)的重要組成部分，成為保障我國產業(yè)鏈安全和供應鏈安全的重要環(huán)節(jié)。目前我國合成氣和甲醇的生產主要通過煤化工過程進行，其排放強度巨大，因此使用CO作為原料，通過重整和加氫反應制備合成氣和甲醇具有顯著的替代減排能力，其綜合減排能力較大。

圖1 不同CO2利用技術在不同指標上的表現(xiàn)情況

Tech03-光電催化技術在B1 和B2 指標方面表現(xiàn)相對良好。首先，該類技術在微觀機制上顯著區(qū)別于常用的熱催化過程，能夠實現(xiàn)溫和條件下CO轉化，這一優(yōu)勢是其他CO轉化技術難以比擬的；同時，CO的光電催化過程還能夠與低品位可再生能源相結合，通過將其轉化為高能量密度化學能的方式提升可再生能源的消納能力。需要指出的是，目前Tech03-光電催化技術的成熟度相對較低，絕大多數工作仍然處于實驗室研究階段，僅有少量的小試驗證報道。

Tech04-有機碳酸酯技術在A3 和C2 指標表現(xiàn)相對良好，這是由于該類技術的整體成熟度較高，中國科學院長春應用化學研究所、中國科學院成都有機化學有限公司以及中國科學院過程工程研究所針對不同的酯類產品，均開展了萬噸級工業(yè)示范，成功獲取了生物降解塑料、碳酸二苯酯和聚碳酸酯等產品，因此技術的推廣難度較低。此外，相比其他CO轉化利用技術，雖然碳酸酯類產品的市場需求相對有限，但其價值往往較高，因此技術的應用能夠帶來較好的經濟收益。

Tech05-鋼渣礦化和Tech06-養(yǎng)護混凝土技術與鋼鐵和建材兩大難減排行業(yè)對應，主要基于CO與堿性氧化物之間的碳酸化反應，在實現(xiàn)CO礦化的同時，完成鋼渣、粉煤灰等固廢的資源化利用，因此其環(huán)境效益D1 和成本優(yōu)勢C1 指標較為突出。

Tech07-微藻生物利用技術的B2、B4 和C2 指標表現(xiàn)良好，該類技術通過光合作用將CO轉變?yōu)樯镔|，生產每噸干重的藻粉可固定1.83t 的CO，減排強度和綜合減排量較高，同時可銜接下游的油品、飼料、營養(yǎng)品、高端有機肥等產業(yè)，技術經濟性較好。目前，CO微藻生物利用技術已經完成了規(guī)模化示范運行，預計未來推廣的難度適中（A3指標）。

2.1.2 層次綜合排序

基于七項CO利用技術指標層的分析，可以進一步明晰不同技術在技術特性、碳中和效應、經濟效應和社會效應四個方面的差異，相關結果如圖2所示。

圖2 不同技術在準則層的表現(xiàn)對比

可以看出，七項技術在技術特性、碳中和效應方面差異較大，而經濟和社會效益方法的差異相對較小。其中，技術特性由高到低排序為：Tech01-合成氣（0.2）、Tech02-甲醇（0.18）、Tech04-有機碳酸酯（0.16）、Tech07-微藻（0.15）、Tech06-養(yǎng)護混凝土（0.14）、Tech05-鋼渣礦化（0.10）、Tech03-光電催化（0.09）；碳中和效應由高到低排序依次為Tech02-甲醇（0.38）、Tech01-合成氣（0.34）、Tech07-微藻（0.2）、Tech03-光電催化（0.16）、Tech04-有機碳酸酯（0.11）、Tech05-鋼渣礦化（0.05）、Tech06-養(yǎng)護混凝土（0.04）。

最終七項典型CO利用技術的低碳成效由高到低依次為：Tech02-甲醇（0.25）＞Tech01-合成氣（0.24）＞Tech07-微藻（0.15）＞Tech04-有機碳酸酯（0.11）、Tech03-光電催化（0.11）＞Tech06-養(yǎng)護混凝土（0.07）、Tech05-鋼渣礦化（0.07）。

2.2 典型CO2利用技術未來低碳成效預測評估

基于上述方法，本研究進一步在文獻調研和專家問卷的基礎上，以2030 年、2035 年、2050 年和2060年為評估年，對上述CO利用技術的相應指標進行了賦值，具體數據詳見表6～表9。

表6 2030年每項技術的指標參數

表7 2035年每項技術的指標參數

Tech01-合成氣技術和Tech02-甲醇技術目前已經完成了中試示范，預計在2030 年即可完全具備商業(yè)化應用能力，其市場推廣難度也相應地逐漸降低，在2035 年左右具備與傳統(tǒng)技術直接競爭的明顯優(yōu)勢，而隨著技術的推廣和應用，兩項技術的綜合減排能力將顯著增加，其成本、環(huán)境、安全等優(yōu)勢日益顯現(xiàn)。Tech03-光電催化技術目前的成熟度較低，推廣難度大，但該領域是目前CO利用技術方面的研究熱點之一，相關進展速度較快，預計在2030 即可完成規(guī)?；痉叮⒒谄渑c可再生能源深度耦合的天然優(yōu)勢，在2035 年開始大范圍推廣，成本顯著降低，環(huán)境效益充分顯現(xiàn)，并在若干應用場景中成為化學品和油品制備的優(yōu)選技術途徑，并在2050 年實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化推廣。Tech04-有機碳酸酯技術目前已經具備了一定的成熟度，且其產品附加值高，因此市場推廣預期較好，但需要注意的是，由于受限碳酸酯類產品的市場需求，該技術的減排能力相對有限，相比其他技術而言，未來增長空間小。Tech05-鋼渣礦化技術的成熟度目前已經達到了中試水平，能夠實現(xiàn)大宗固廢的協(xié)同治理，其成本和環(huán)境優(yōu)勢顯著，但后續(xù)的推廣和應用仍面臨能耗較高、礦化速率慢等重要瓶頸；更為重要的是，該技術獲取的建筑材料中往往含有鋼渣中殘留的重金屬等元素，因此下游應用受到一定限制，綜合而言，基于現(xiàn)有信息，該技術未來的應用潛力可能較為有限。Tech06-養(yǎng)護混凝土技術面向廣闊的建材市場，其整體成本較低，綜合減排潛力顯著，固碳周期長，預計在一定的減排激勵政策下就有望具備較好的市場競爭力，因此其綜合低碳成效將在未來快速提升，并在2035年左右成為一種重要的CO減排手段。Tech07-微藻固碳技術的碳減排強度較高，目前成熟度較高，預計未來推廣難度不大，但總體而言，藻類產品的市場需求相對較小，因此隨著未來十年其他CO利用技術的快速發(fā)展，其綜合低碳成效排名會顯著下降。

表8 2050年每項技術的指標參數

表9 2060年每項技術的指標參數

基于以上分析，表10 給出了未來典型CCU 技術低碳成效綜合評估結果。相對于2020 年水平，Tech02-甲醇低碳成效保持顯著水平，Tech01-合成氣、Tech07-微藻和Tech04-有機碳酸酯低碳成效相對其他減弱；Tech03-光電催化和Tech06-養(yǎng)護混凝土低碳成效相對提升；Tech05-鋼渣礦化技術低碳成效相對保持較低水平。

表10 未來典型CO2利用技術低碳成效綜合評估

3 結語

隨著雙碳約束的深入推進，CO利用作為大規(guī)模碳減排的有效技術，其發(fā)展在全球范圍內受到廣泛關注。該研究重點從技術特性、碳中和效應、經濟和社會效應四個方面構建指標體系評價方法學，實現(xiàn)不同CO利用技術低碳成效的對比評估。同時，考慮到新興技術的創(chuàng)新及突破，低碳成效的變化存在一定的不確定性，本次所選評估參數數據主要基于CO利用技術現(xiàn)有的情況來做判斷及預測，重點對技術低碳成效的評估構建方法學，一方面幫助識別和分析現(xiàn)有CO利用技術在低碳化方面的優(yōu)勢與不足；另一方面通過開展不同階段的技術低碳成效對比分析，為CO利用的選擇、研發(fā)和推廣提供理論支撐。

通過對我國典型CO利用技術低碳成效方法的應用評估，研究結果如下。

①從低碳成效綜合指數可以看出，目前我國CO利用低碳成效水平整體偏低，低碳成效指數最高為Tech02-甲醇技術是0.25，Tech06-養(yǎng)護混凝土和Tech05-鋼渣礦化只有0.07。反映出目前我國CO利用技術還處于一個初期階段，對應碳中和效應初步顯現(xiàn)，CO利用技術的規(guī)模減排量有待進一步研發(fā)和提高，現(xiàn)階段不同CO利用技術低碳成效的差異主要來自技術特性和碳中和效應兩個方面。

②目前我國CO利用技術低碳成效較好的是Tech02-甲醇技術和Tech01-合成氣技術，這些技術在產品市場容量、原料替代減排、綜合減排量以及成本收益方面表現(xiàn)相對優(yōu)秀；其次是Tech07-微藻技術，減排強度和綜合減排量較高；Tech04-有機碳酸酯和Tech03-光電催化低碳成效水平相當，前者主要在技術推廣難度以及產品收益方面占一定優(yōu)勢，后者直接使用太陽能，在技術能耗強度以及減排強度均表現(xiàn)良好；Tech06-養(yǎng)護混凝土和Tech05-鋼渣礦化技術低碳成效不明顯，主要因為現(xiàn)階段礦化利用CO的技術減排強度及綜合減排量較低。

③通過對不同階段的CO利用技術低碳成效的縱向對比，發(fā)現(xiàn)隨著各項技術的不斷發(fā)展，不同CO利用技術體現(xiàn)出的低碳成效變化有所差異，其中Tech02-甲醇、Tech03-光電催化和Tech06-養(yǎng)護混凝土低碳成效相對顯著，Tech01-合成氣、Tech07-微藻和Tech04-有機碳酸酯低碳成效相對減弱，Tech05-鋼渣礦化一直保持相對較低的低碳成效。