“治碳制气”：能源安全和双碳目标的新路径

一、“治碳制气”势在必行

（一）碳排放居高不下，转化压力增强

据丁仲礼院士估算，目前全球每年排放的二氧化碳大约是400亿吨，其中14%来自土地利用、86%来自化石燃料利用；而排放出来的二氧化碳大约46%留在大气，54%被海洋和陆地碳汇资源吸收。

国际能源署发布《2022碳排放》报告显示，2022年全球能源消耗和工业过程产生的二氧化碳排放量增长了0.9%，即3.21亿吨，达到368亿吨，其中，能源消耗产生的二氧化碳排放量增长了约4.23亿吨，工业过程的二氧化碳排放量下降了1.02亿吨。

 图1  能源消耗和工业过程产生的全球二氧化碳排放量年度变化，1900-2022

全球各区域和部门之间的趋势各不相同。北美和亚洲（不包括中国）的二氧化碳排放量增长，超过了欧洲和中国的减排量。在全球范围内，电力和运输（包括国际燃料）的二氧化碳排放量分别增加了2.61亿吨和2.54亿吨，远远抵消了工业和建筑的减排量。

 图2   2021-2022年各地区和部门二氧化碳排放量的变化

据IEA发布的《2022年二氧化碳排放报告》显示，2022年我国的二氧化碳排放量为114.8亿吨，其中发电端占比约47%，工业过程、居民生活等消费端合计占了53%，其中工业过程占消费端碳排放量的绝大部分。

 图3   2017-2022年中国二氧化碳排放量及增速

2021至2022年间，我国与能源相关的排放量相对持平，减少了0.2%，即0.23亿吨，总量约为121亿吨。能源消耗的排放量增加了0.88亿吨，工业部门排放量有所下降，钢材和水泥的产量分别比2021下降了2%和10%。

（二）天然气储量有限，“掘地取气”不可持续

当前，全球的“气源”主要来自陆地气、海底气（包括页岩气、煤层气等），都是地底下存量资源，人类主要靠“掘地取气”方式获取，资源的有限性决定了越取越少，直至枯竭，特别是我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋，在可预见的未来“断气”危机更严重。

1.全球天然气储量及结构状况。

（1）全球天然气供应情况。根据《世界能源统计年鉴 2022》统计数据，全球天然气已探明储量为188.10万亿立方米，储产比达48.80年；从储量分布区域来看，全球天然气探明储量主要集中分布在中东地区、独联体国家。具体数据如下：

 图4 全球天然气探明储量分布情况

资料来源：《世界能源统计年鉴2022》

从全球天然气产量来看，根据《世界能源统计年鉴 2022》统计数据，2021年全球天然气产量约为4.04万亿立方米，同比增长4.54%，2020年全球天然气产量略有下降，但2014-2021年全球天然气产量整体呈现上升趋势；从产量地区分布来看，全球天然气产量主要集中在北美洲、独联体国家及中东地区。具体数据如下：

 图5  2014-2021年全球天然气产量呈上升趋势

资料来源：《世界能源统计年鉴2022》

 图6  2021年世界天然气产量分布

资料来源：《世界能源统计年鉴2022》

（2）全球天然气需求情况。根据《世界能源统计年鉴2022》统计数据，2021年全球天然气消费量约为 40,375亿立方米，同比增长4.99%，2011-2021年全球天然气消费量的年均复合增长率为2.24%，呈现出稳步增长态势；从一次能源消费结构来看，近年来天然气占比逐年上升，2021年占比位居第三，达24.42%。随着各国低碳政策进一步推行，预期未来天然气消费占比将进一步提高。

2.我国天然气资源现状。

我国天然气资源比较匮乏，天然气储量仅占全球的4.5%，而消费量占全球比例高达8.6%。目前我国天然气对外依存度已达到40%以上，“十四五”时期随着天然气消费量增长，对外依存将继续攀升。当前及今后一段时期，天然气都将是我国能源安全的主要短板。

天然气下游应用领域广泛，既可代替煤炭用于发电，也可直接作为燃料燃烧，为居民生活和工业生产供能，以及作为船舶等交通工具的动力燃料等。《2022年国内外油气行业发展报告》估计，2022年国内城市燃气行业用气量为1180亿立方米，增幅为1.3%；工业用气量为1455亿立方米，增幅为0.2%；发电用气量为648亿立方米，降幅为1.7%；化肥化工用气量为392亿立方米，增幅为3.6%。

供应方面，2022年国内天然气产量为2226亿立方米，同比增长6.8%，连续六年增产超100亿立方米。全年进口天然气1512亿立方米，增速为-10%；天然气对外依存度为41.2%，较上年下跌4.8个百分点，降至近五年来的最低点。分运输方式来看，2022年，国内进口管道气631亿立方米，同比增长8%；中俄东线供气量快速增加，全年进口气量超150亿立方米。2022年，中国LNG进口量为6344万吨（约合881亿立方米），降量为215亿立方米，同比下降19.6%。其中现货大幅减少，是进口LNG下降的主要原因。

受供需偏紧、高气价拉升成本等因素影响，2022年国内LNG市场均价为6776元/吨，创历史最高纪录，同比上涨37%。受到国际油价和LNG现货价格快速上涨的影响，2022年中国进口LNG到岸均价3.77元/立方米，同比上涨46.3%；进口管道气到岸均价1.86元/立方米，同比上涨41.3%。2023年国内天然气需求将恢复较快增长，全年消费量预计在3865亿立方米，同比增长5.2%。

在产量方面，中石油经研院预计，2023年中国天然气产量为2346亿立方米，同比增长5.4%；预计全年进口天然气1582亿立方米，同比增长4.6%，对外依存度为40.9%，较2022年下降0.3个百分点。未来一段时期，我国天然气市场需求预计仍将稳步增长，预计2030年我国天然气消费量将达4500至5000亿立方米。

二、“治碳制气”技术条件已经具备

（一）传统二氧化碳甲烷化技术

天然气是一种清洁能源，使用安全性高，对环境的污染小，对我国大幅削减CO2等温室气体排放具有重要价值。由于能源资源禀赋呈现“富煤、缺油、少气”的特点，我国一直在积极研究煤制天然气、焦炉气甲烷化以及电转甲烷储能等甲烷化工艺技术，提升天然气自我供给能力。

二氧化碳甲烷化技术被认为是二氧化碳循环再利用的有效技术之一。尽管二氧化碳甲烷化是一个相对简单的反应，但是到目前为止，国内外学者在反应中间体及限速步骤等问题上存在分歧，因此关于二氧化碳甲烷化的反应机理，学界尚无统一的认识。

目前，工业化技术主要有托普索甲烷化工艺和鲁奇甲烷化工艺等，均采用各自的催化剂，进行合成气转化，该反应速度快。甲烷化反应平衡常数随温度增加而下降，通常是作为净化脱除CO 和二氧化碳作用，反应温度一般在 280℃-420℃之间，同时需要一定压力。

二氧化碳甲烷化过程中，一般都需要氢气。若采取绿氢，则首先是光伏、风电等可再生能源发电，其次是电解制氢，然后氢和二氧化碳进行反应生产甲烷。这个过程较为复杂，环节较多，耗能多，生产成本高。同时电能和氢能本身就是非常好用的二次能源，本身是绿色的，利用电能生产氢气，然后利用氢气生产甲烷，有本末倒置之感，经济性大打折扣，这也是该项技术没有得到推广的根本原因之一。

（二）等离激元“治碳制气”技术先进

利用光热或余热、地热、核能供热等低参数热源，通过等离激元效应，人工实现光合作用，将二氧化碳和水一步合成甲烷用来生产天然气，这项技术简称为“治碳制气”。这是一项崭新的二氧化碳资源化利用技术，具有前沿性和颠覆性，发展前景广阔。

该技术反应机理为局域模式表面等离激元（LSP），LSP的共振电磁场局域在金属纳米颗粒附近。因此，反应与纳米结构的形状、尺寸、材料类型、周围环境介质等密切相关。在催化金属化合物纳米结构的尖端，光聚焦会激发局域强能量场和热电子，即等离激元效应，局域高能量会激活二氧化碳和水中的化学键，达到二氧化碳和水的分解；分解的碳、氢、氧元素聚集在催化剂表面，由于催化剂的特性，碳将聚成碳骨架，结合氢形成甲烷。

等离激元人工合成天然气技术，是将CO2和 H2O吸收太阳光热或者工业余热、地热、核能供热等热能，转化为CH4和O2，成为可以供人类使用的能源，当CH4使用时和O2反应，释放能量，又转化为CO2和H2O。如此循环往复，天然气的生产和使用只不过是完成了一次太阳能的吸收、存储和释放的过程，也可以称之为“天然气储能”技术。

等离激元“治碳制气”反应条件是常温、常压，温度低于300℃，压力只有可乐瓶大小压力，反应过程中无需电能和氢气输入，利用的是初级的光热、余热、地热、核能供热等等热能来制取甲烷，和传统的甲烷化技术路径完全不同，利用3吨二氧化碳可以生产1吨甲烷。上述天然气碳循环发展路径对于实现碳达峰、碳中和有重大意义。

三、“治碳制气”产业链基础完备

将二氧化碳资源化利用后，用于生产天然气，简称为“治碳制气”，从全产业链角度看，主要包括二氧化碳捕集、运输及转化合成环节。

（一）二氧化碳捕集市场发展良好

碳捕集技术是指将能源利用、化工生产等过程中产生的二氧化碳进行分离和收集的过程。按照分离流程，主要包括燃烧前捕集、富氧燃烧、燃烧后捕集、空气中捕集。按照分离方式，又可分为化学吸收/吸附、物理吸收/吸附、膜分离等方法。表1对比列出了各碳捕集技术介绍及其特征。

表1  各碳捕集技术介绍及其特征对比

国外二氧化碳捕集已经走过了40多年的发展历程，已完成十万吨级并开展百万吨级示范，现已建成装置的总碳捕集能力达3000—4000万吨/年，主要集中在北美和欧洲地区，如图7所示。其中，捕集量最大的美国，年捕集超过1900万吨二氧化碳，其次为巴西和澳大利亚，分别达460万吨/年和400万吨/年。

国外已有碳捕集项目75%以上集中在天然气处理等化工领域，已规划新增项目主要集中在发电行业，碳捕集方式主要为燃烧前捕集和燃烧后捕集，采用技术为以醇胺溶液吸收为代表的第一代碳捕集技术。以低能耗、宽浓度吸收范围为代表的第二代碳捕集技术，正处于技术开发和中试示范阶段。

我国碳捕集起步于21世纪初，2006年开始出台相关支持政策后，才开始进入较快发展阶段，现已完成10万吨级示范，建成、规划项目共40多个，捕集总能力超过300万吨/年。如图8所示为中国现阶段碳捕集项目分布，其中在运商业项目3个，碳捕集总能力约82万吨/年，规划在建商业项目3个，碳捕集总能力约181万吨/年。

 图8 中国碳捕集项目的分布

我国目前建成和规划的碳捕集主要集中在煤电行业，捕集方式以燃烧后捕集为主，仅有少量燃烧前捕集项目。在国内已布局项目中，主要采用以醇胺溶液吸收为代表的第一代碳捕集技术。在低能耗、宽浓度吸收范围的第二代碳捕集技术方面，国内正处于基础研究和技术开发阶段，稍落后于国际先进水平。

（二）罐车、船舶运输二氧化碳较好

将二氧化碳压缩后用罐车、船舶运输是目前二氧化碳的主要运输方式，其实二氧化碳最理想的运输方式是管网运输，成本低、规模大。但是，现阶段全球范围内尚无完善的二氧化碳运输管网，仅有部分国家开始布局建设。综合考虑管网建设和运行投资、二氧化碳压缩和运行投资等因素，表2中给出了碳运输技术成本现状及其碳中和目标下发展趋势。

表2 碳运输技术成本现状及其碳中和目标下发展趋势

(单位：元/(吨·km))

从表2中可以看出，管网运输具有明显的成本优势，尤其是未来碳中和目标下随着管网完善，其成本可降低至约0.4元/(吨·km)。

国外主要采用管道、船舶、铁路、公路等方式，其中，管道运输适用于大规模输运，被认为是最主要的二氧化碳运输方式。截止2021年，全球范围内尚无完善的二氧化碳运输管网，运输需求量最大的美国最早开始此项布局，目前已建成超过6000公里的运输管网。其他国家也相继开始布局管网建设。

我国尚无二氧化碳运输管网，主要靠压缩后以罐车的方式进行运输，运输成本维持在1.0—1.5元/吨·千米，是导致现阶段全产业链成本高的主要原因之一。

四、“治碳制气”产业前景广阔，战略意义重大

根据等离激元合成天然气的技术路径，根据热能来源不同，可分为“逐光制气”、“就地制气”等产业路径。

一是“逐光制气”。传统甲烷化方法一般需要高温、高压、加氢等条件。等离激元“治碳制气”技术使用的是低参数、低成本热源制造高品质、高价值的天然气。这和甲烷化是完全不同的路径，具有广阔的应用前景。利用太阳光热“治碳制气”，称之为“逐光制气”。取得低成本热源是首要条件，太阳光热是优先考虑的热源。典型的应用场景是在西北地区阳光充足、水资源有保障的荒地、荒漠上，建设“光合气田”。

据统计，我国太阳能资源丰富，年日照时数大于2200小时，年辐射总量高于每平方米5GJ的区域约占全国总面积的2/3以上。综合光照、水、荒地数据，中国至少约有100万平方公里非耕地面积适合“光合气田”项目建设。沿“一带一路”走出去，则“光合气田”项目发展前景更加广阔，对打造“能源命运共同体”可发挥重大作用。

利用我国高光照荒地资源，从空气中直接捕集二氧化碳，发展“治碳制气”碳中和产业集群，形成从智能设备制造，碳捕集、碳利用、产物分离、产品储运到碳中和能源利用的完整产业链条。对于解决我国的能源安全问题意义重大。

二是“就地制气”。等离激元“治碳制气”是典型的工业绿色化改造技术，对火电厂、水泥厂、化工厂等高碳排放产业的二氧化碳进行治理，实现资源化利用。利用工业排放的余热、废热以及光热、地热、核能供热等热源，等离激元治碳制气技术可将排放的二氧化碳进行资源化利用，生产天然气，“变废为宝”。

以400万千瓦装机容量的火电厂为例。火电厂目前能够做到“净零”排放标准，但二氧化碳是对空排放的。受热机效率限制，每年对外排放了大量废热。二氧化碳排放每年简按1000万吨计，热效率按45%计。利用电厂的余热、废热对二氧化碳进行处理，热量受限，只能处理其中一部分，按四分之一250万吨计，将产生约80万吨的天然气，按每吨7000元计算，产值56亿。若有条件利用光热和其他热能，对余下的750万吨二氧化碳进行全部处理，将产生250万吨天然气。当地处理不了，可在异地如使用“逐光制气”进行二氧化碳的利用，间接减少二氧化碳的排放。1000万吨二氧化碳全部利用后可生产约330万吨天然气，产值超过230亿元。年转化 1000万吨二氧化碳，会产生相当可观的碳汇收益。国内市场按100元/吨计算，收益10亿元，欧盟的碳指标已达到100欧元/吨，按照7.5的汇率计算，一吨二氧化碳价格750元，1000万吨二氧化碳转化为天然气后，碳汇收益75亿。

等离激元“治碳制气”对于水泥产业绿色发展具有重大推动作用。水泥生产过程可分为原材料准备、熟料烧成和水泥粉磨生产三个主要阶段，在此过程中的能源消耗主要包括电能和热能。水泥工业90%的二氧化碳排放来自熟料生产的碳酸钙分解和燃料燃烧，其余的10%来自原材料的准备和水泥制品的生成。据测算，生产一吨水泥的碳排放量约在634公斤左右。根据数字水泥网显示，2020水泥行业碳排放约13.7亿，占全国排放总量13.5%左右。

以单个年碳排放达300万吨的水泥厂为例，将这些碳排放全部消纳，每年可产生天然气100万吨。天然气按2021年平均7000元/吨计算，实现营业收入700亿，净利润率超过60%。需指出的是，该产能需年2亿GJ的低品位热源，水泥厂等自身余热预计只能满足其中四分之一以下需求。因此若要对二氧化碳全部进行转化，需要大量利用阳光集热、地热、核能供热等等热源。某水泥企业年排放二氧化碳9510万吨，如果以此作为原材料，利用等离激元“治碳制气”技术制成天然气，每年可生产天然气3170万吨，实现年营业收入2219亿元，通过国际自愿碳交易市场最大的认证减排放标准（VCS）交易，每年碳汇外汇收益可达285.3亿元（碳价平均按300元/吨计算，2023年欧洲碳汇价格已突破100欧元/吨）。

我们目前每年排放的二氧化碳约100亿吨，若全部转化为天然气，则会制造33亿吨天然气，价值约20万亿，市场空间大，产业前景广阔，并能有效降低天然气对外依存度，有利于能源安全和双碳目标实现。

文/梁云凤 中国国际经济交流中心研究员

胡一鸣 北京理工大学能源与环境政策研究中心博士