来源：英国皇家化学学会 |

作者：LorenzoRosa；DanielL. Sanchez；DanielL. Sanchez |

翻译：马渭淞 |

摘要

生物质能碳捕集与封存（BECCS）是脱碳（CDR）的一种方式，是实现全球净零二氧化碳排放目标的重要组成部分。为了评估欧洲BECCS的潜力，研究团队采用了一公里分辨率（1 km resolution）的方法，量化了生物质CDR的技术潜力。结合工序工程（processengineering）与地理空间评估，我们发现在2018年欧洲整体碳排放的5%，即每年约2亿吨二氧化碳是可以通过BECCS来化解。目前，BECCS整体水平处于欧洲DCR需求范围的下线。其中，BECCS构成的三分之二来自现有的资源点（纸浆和纸张、生物质共烧、废物转化能源和废水处理设施），而另外三分之一则来自分布式生物质源：作物残料、有机食物垃圾以及牲畜粪便。从地缘政治角度来看，只有少数欧洲国家的BECCS体系达到或超过其CDR需求。那些无法利用国内生物质资源实现碳中和的国家，可能需要采取其他CDR战略或直接从国外引进技术。从地理角度来看，与排放源和储存地点的距离分布相当不利。根据我们的定量评估，我们得出结论：

（1）由于不利的源-汇距离分布，每年开采2亿吨二氧化碳将具有挑战性；

（2）欧洲需要更多及更好地分布有前景的CO2储存场所；

（3）安置大量的二氧化碳将需要构建覆盖整个欧洲的二氧化碳运输网络。

正文

欧洲的目标是在2050年实现碳中和，即实现温室气体净零排放。尽管欧洲没有脱碳（CDR）战略，但很可能需要通过生物质能源与碳捕获和储存（BECCS）进行CDR，以抵消减排部门的残余排放。为达到碳中和这一目标，预计到2050年，欧洲可能需要通过BECCS封存多达75亿吨二氧化碳。BECCS通过捕获和永久封存生物质能源转化过程中，产生的CO2。由于其商业成熟度高，其商业落地前景也较好。因此，有学者也提出了生物质脱碳和储存的概念。这些学者认为，将生物质用于CDR的价值高过将生物质用于生物能源生产的价值。

目前，多项研究均开始关注，BECCS大规模专用生物质种植园(Biomassplantation)的生物物理（biophysics）可行性以及所造成的社会环境影响。其中包括调和农业用地与自然用地的矛盾、粮食价格上涨、生物多样性的缺失以及水资源短缺加剧等问题。因此，技术开发人员和项目负责人应确保BECCS操作能可靠地封存CO2，并将环境影响降至最低。例如，欧洲的可再生能源目前存在着一些弊端，进而使得欧洲森林覆盖率下降，一些国家将破坏环境的行为转嫁至其他国家，这样就可以保证自身国家的碳排放降低。但这种做法会为欧洲碳中和的发展造成阻碍。

预计到2050年，全球粮食需求将增长约100%。因此，市场迫切地需要开发不依赖专用能源原料的BECCS技术。如今，已有几种不同的BECCS工艺，如果能够成功商业落地，可以避免与食品生产竞争，同时为生物CDR提供发展动力。

例如，制浆造纸工业利用生物质进行固定供热和发电，并排放大量的生源性CO2。垃圾焚烧发电厂和生物质热电厂从城市固体废物和生物质燃烧中排放生源性CO2。从生物质厌氧处理中捕获生源性CO2可应用于处理城市污水的现有沼气设施。此外，利用农作物残渣、家庭有机食物垃圾和牲畜粪便生产沼气也可以捕获生源性CO2。在沼气设施中，在沼气升级为生物甲烷（或可再生天然气）的过程中，CO2以高纯度分离。由于项目负责人正在研究到2050年实现净零排放的途径，因此迫切需要进行地理空间评估，以确定欧洲这些潜在的BECCS过程中可能捕获的潜在生源性CO2。

本次研究，研究团队量化了30个欧洲国家（欧盟国家、瑞士、英国和挪威等）在1公里分辨率下生物质CDR（MtonsCO2/年）的技术潜力。生物质CDR在这里被定义为从生物质转化为生物能源过程中捕获和封存的CO2量。利用地理空间评估，考虑可用于BECCS的现有点源和分布式生物质原料，评估生物源CDR的潜力。对于现有的点源，我们考虑：（1）生产纸浆和纸张的工业工厂；（2）焚烧城市无害垃圾或垃圾焚烧发电厂；（3）生物质热电站（或生物发电厂）；（4）城市污水处理厂，可生产沼气。

对于分布式资源，我们考虑了三种用于生产可再生天然气的BECCS技术，即农作物残渣、家庭有机食物垃圾和牲畜粪便。我们首先设计BECCS供应链并确定生物CDR效率。其次，利用现有的分布式生物质可用性，和欧洲点源排放国CO2排放的数据，进而量化了生物质CDR的地理空间分布。第三，我们量化了欧洲生物质CDR资源在何种程度上，允许采用BECCS作为产生CDR的手段，从而减少排放。第四，我们从现有的生物质点源确定化石燃料CO2捕获潜力。最后，通过将碳源与潜在的CO2汇进行匹配，以实现永久性地质封存，我们确定了不同源汇输送距离下的可用CO2量。

研究方法

考虑到可行的生物质原料与技术的整合，研究团队设计了CO2从源到汇的BECCS技术链。根据生物质类型和生质能过程，产生不同量的生源性CO2，并且提升CO2捕获率在技术和经济上都是可实现的。随后，捕获的CO2通过共享的CO2网络输送到合适的储存地点，以进行永久地质封存。

▎评估现有生物质CO2排放源

对于生物能源热电厂，欧洲环境署统计了欧洲地区整体CO2排放量与生源性CO2排放量。其中，大部分设施是以化石燃料为基础的热电厂，只燃烧小部分生物质，部分设施只将生物质作为原料。因此，从选定的生物发电厂排放的生源性CO2的份额可以从1%到100%不等。

对于部分纸浆和造纸厂，欧洲环境署的数据统计了二氧化碳排放总量和生物排放量。对于剩余的纸浆和造纸设施，研究团队假设生源性CO2排放量为总CO2排放量的75%至100%，与之前的研究一致。

图一：CO2含量和生物去碳率存在于不同的BECCS技术链的生源性。图中实线表示输送和注入过程中CO2损失的平均情况；阴影区域显示了运输和注入过程中CO2损失的估计范围。根据生物质共烧的量（co-fired），生物能源热电厂中的生物CO2含量可以从1%到100%不等。

对于焚烧炉（incinerators），此前研究团队预估，其总二氧化碳排放量的42%至71%来自生物源（图1）。尽管该图所考虑的范围含纳了生源性CO2排放的季节性变化，但值得注意的是，由于城市固体废物（municipalsolid waste ）成分在一年中的变化，焚烧炉生源性CO2的排放具有显著的季节性差异。

此外，研究团队考虑到废水处理系统是通过厌氧消化处理废水以产生沼气的方式来运行。假设废水处理产生的CO2排放均为生物质，可能会导致对化石CO2排放的低估。事实上，在澳大利亚废水检测中发现，废水中有机碳总量的4%至14%来自化石。美国进行的另一项研究确定，废水中25%的有机碳来自化石，很可能来自清洁产品、药品和其他化石燃料产品。因此，为了捕捉废水中生物质CO2含量的变化，我们假设75%至100%的碳排放为生物质（图1）。

▎分布式生源性CO2来源成因

欧洲委员会从研究中心获取了1km分辨率下的空间显式生物量可用性。研究者考虑从作物残渣、家庭有机食物垃圾和牲畜粪便中获取生物量。假设作物残渣、粪便和食物垃圾具有100%的生源性CO2含量（图1）。

此前有学者在2019年评估了欧洲的可持续作物残留物，考虑到可以使用机械从田间清除的残留物的物理量，而不会消耗土壤有机碳。对于食物垃圾，我们使用了一个1公里分辨率的数据集，其中包含了欧洲家庭有机食物垃圾的空间显示信息（kgDM/年）。对于家畜粪便，我们使用了一个1公里分辨率的数据集，其中包含通过厌氧消化处理可收集粪便产生的生物甲烷量。

▎分布式源CO2排放评估

假设厌氧消化技术应用于分布式生物质源。废水处理设施在此被归类为现有基础设施。然而，据我们所知，没有公开可用的数据统计这些设施的二氧化碳排放量。因此，我们评估废水处理厂的CO2排放，假设废水中含有的有机物质通过厌氧消化处理产生沼气。我们考虑的沼气产量范围为每人每天18至26升沼气，较低的沼气产量和甲烷含量通常表明厌氧消化过程不规则。然后，我们假设来自污水污泥的沼气甲烷含量按体积计为63%至67%，剩余部分（33%至37%）被认为是可用于捕获和封存的CO2。

作物残渣通过厌氧消化过程处理成生物甲烷。生物甲烷产量假定为0.14至0.16千克甲烷/千克DM。61然后，我们假设沼气的CO2含量按体积计为40%，确定潜在的CO2排放量。

食物垃圾通过厌氧消化过程处理成生物甲烷。生物甲烷产量假定为0.20至0.31千克甲烷/千克DM。然后，我们假设沼气的CO2含量按体积计为40%，确定潜在的CO2排放量。

家畜粪便通过厌氧消化转化为沼气。欧盟委员会联合研究中心先前的一项研究表明，可收集牲畜粪便的沼气潜力，该研究考虑了牲畜特有的沼气产量，评估了沼气潜力。然后，假设沼气的CO2含量按体积计为35%至45%，我们确定潜在的CO2排放量。

▎所获成果

下列图二和图三分别显示了2018年欧洲现有和分布式生源性CO2排放源的潜在地理空间分布。排放生源性CO2的现有工业基础设施主要位于北欧国家，而东南欧国家排放生源性CO2的大型工业点源较少（图2）。考虑到生物质的分布来源，我们发现在人口密度高的地区（如米兰、伦敦、巴黎、柏林大都市区）存在很大的生物质CDR潜力，以及耕地和牲畜生产密集的地区（如意大利北部、比利时和荷兰）（图3）。

2018年欧洲现有点源生源性CO2去碳潜力的地理空间分布。该图显示了焚化炉、纸浆和造纸以及生物发电设施每年排放超过10万吨二氧化碳，54个废水处理厂每天处理超过10万人口当量的废水。

（图三）欧洲生源性CO2去碳潜力的地理空间分布。生源性CO2的分布来源是家畜粪便、家庭有机食物垃圾和农作物残渣。该图显示了欧洲计划中或处于启动阶段的十个潜在碳储存点的位置和名称。

研究估计，欧洲生物质CDR的潜力约为每年2亿吨二氧化碳。在每年2亿吨二氧化碳中，三分之二来自现有的点源，其余三分之一来自分布式源。每年6200万吨二氧化碳，纸浆和造纸设施对生物质CDR具有巨大的潜力，其次是废物能源设施（每年3600万吨二氧化碳）、生物质共燃发电厂（每年3100万吨CO2）和废水处理厂（每年160万吨CO2/年）。考虑到生物质分布式来源，作物残留物具有更高的生物CDR潜力（每年340万吨二氧化碳），其次是牲畜粪便（每年1900万吨CO2）和家庭有机食物垃圾（每年1800万吨CO）。

图4显示了国家发展BECCS生物质CDR潜力。瑞典每年有3100万吨二氧化碳，在欧洲国家中具有最大的生物CDR潜力，其次是德国（每年2800万吨CO2）、英国（每年2400万吨）、芬兰（每年2300万吨CO2/年）和法国（每年2200万吨CO2/年（图4a）。通过研究发现，在瑞典、芬兰和葡萄牙，纸浆和造纸厂占生物CDR潜力的60%以上（图4b）。在荷兰、瑞士和卢森堡，超过55%的国内生物质CDR潜力可以来自焚烧炉，而在英国、爱沙尼亚、切奇亚和斯洛文尼亚，超过30%的生物质CDR潜能可以通过改造生物质共燃发电厂获得（图4b）。在法国、西班牙、意大利和波兰，50%以上的生物质CDR潜力来自生物质分布式BECCS来源（图4b）。

通过用碳捕获单元改造现有的点源，化石和生源性CO2都将被捕获（图5）。更具体地说，捕获的化石CO2量取决于植物特定排放量和生源性CO2含量（图1）。通过将现有基础设施改造后，可捕获的特定植物的化石和生源性CO2排放量进行汇总到碳捕获单元。我们估计现有设施的总化石碳捕获潜力为每年1.21亿吨二氧化碳；其中71%来自生物质共烧厂，23%和6%分别来自焚烧炉和纸浆造纸厂。

图四：欧洲大部分国家和BECCS领域中生物质CDR发展潜力。（a）特定国家的生物质CDR潜力。区间条描述了每个国家保守和乐观的生物成因CDR潜力。（b）考虑到平均情景，BECCS配置对国家生物质CDR潜力的特定贡献。

特定欧洲国家的化石和生物质碳捕获潜力。该图显示了通过用碳捕获改造现有的大型生物点源，生物质（右栏）和化石（左栏）的潜力。区间条描述了每个国家的保守和乐观潜力。德国拥有最大的化石碳捕获潜力（每年5600万吨二氧化碳），其次是荷兰（每年23000万吨CO2）和英国（每年1500万吨CO2）。

研究团队分析了现有生物能源设施的化石和生物质CO2的碳捕获潜力。其中，英国、德国和荷兰在现有的点源中有大量的化石二氧化碳排放设施。因此，这些国家将不得不捕获大量的化石CO2，从现有的点源进行生物质CDR。这意味着通过BECCS实现CDR目标将显著提升CO2的减排。但这样做存在弊端，它可能需要大量CO2的运输，而不需要输送大量的生物质CDR。

分析并总结

值得肯定的是，BECCS的生物质CDR在帮助实现欧洲碳中和方面具有巨大的发展潜力。我们考虑的BECCS配置既不需要专门的种植园，也不需要新的林业资源，也不要求额外的土地和水资源用于生物质生产。因此，此处的估计值较为保守。我们的分析确定了每个BECCS配置的生源性CO2含量和去碳效率（图1）。

研究表明，BECCS在欧洲是一种巨大但却有限的资源。在欧洲，大约有2亿吨的生源性CO2可以用于CDR技术，这相当于2018年欧洲温室气体排放总量的5%。

同时，欧洲65%生物质CDR的发展潜力有可能来自用碳捕获和封存改造现有点源。由于其较高的生源性CO2排放量，纸浆和造纸设施比生物发电厂和焚烧炉更有可能提供净CDR。事实上，通过研究发现，纸浆和造纸厂90%的CDR潜力来自于生物，而焚烧炉和生物发电厂43%和73%的捕获碳来自于化石。此外，35%的欧洲生物质CDR潜力可能来自分布式生物质来源，如作物残渣、食物垃圾和牲畜粪便。虽然执行BECCS需要CO2捕获、运输和储存基础设施，开发分布式生物质资源，但也需要新的厌氧处理设施。还需要额外的基础设施来收集生物质原料并将其运输至加工地点。

欧洲致力于到2050年实现净零排放的目标，因此需要采取必要手段来减少温室气体排放和减少残余气体排放。尽管欧洲CO2地质储存资源足以满足净零排放情景下的CCS要求，但欧洲范围内CO2运输网络的发展仍然需要技术、社会、政治和经济等多方面因素进行调节。

本研究中计算的BECCS潜力允许产生CDR，以减少5%（每年2亿吨二氧化碳）的欧洲温室气体排放。然而，如果需要更多的CDR来缓解减少的排放，还需要部署其他CDR方法，如直接空气捕获和储存。为了通过BECCS提供净CDR，本研究中评估的大多数生物源CDR潜力将需要长途运输以进行永久封存。因此，迫切需要发现和开发更多的CO2储存场所，并减少通过BECCS实现负排放所需的CO2运输距离。重要的是，生源性CO2的分布式来源还需要发展生物质原料运输网络，以匹配生物能源设施。我们认为，在欧洲大陆和南欧选址新的二氧化碳储存地点将减少必要的二氧化碳运输距离随之而来的环境和经济成本。

虽然本次研究的分析说明了不同欧洲国家的生物质CDR技术潜力。但由于各种经济、社会和政治原因，大多数评估的潜力不太可能被挖掘。由于BECCS的部署需要高度定制，且设计复杂度高，因此特定于现场的经济、社会、环境、技术和政策因素将共同影响未来几年欧洲BECCS资源的大规模部署。

成功的BECCS部署很可能依赖于某种形式的政府支持和新的制度安排，以克服其障碍。重要的是，需要进行特定地点的生命周期评估，以确定本研究中估计的生物质CDR潜力是否能够产生负排放。通过调查BECCS配置的位置和配置，有助于确定生物质CDR在欧洲可持续排放中，负排放方面的发展。