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最新研究揭示了土壤捕获碳的结构和机制:可能有助于缓解气候变化【附碳中和技术赛道观察图谱】

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 研选快讯 • 2024-02-29 19:40:51 来源:前瞻网 E4414G3
100大行业全景图谱

瞻观前沿

当植物中的碳分子进入土壤时,它们就遇到了一个明确的岔路口。碳要么被困在土壤中数天甚至数年,要么被有效地隔离,不会立即进入大气。或者它喂养微生物,然后微生物将二氧化碳 (CO 2 ) 呼吸到不断变暖的环境中。在一项新的研究中,西北大学的研究人员确定了可能使植物有机物朝一个方向或另一个方向倾斜的因素。

通过结合实验室实验和分子模型,研究人员研究了有机碳生物分子和一种以捕获土壤中有机物而闻名的粘土矿物之间的相互作用。他们发现静电荷、碳分子的结构特征、土壤中周围的金属养分以及分子之间的竞争都在土壤捕获碳的能力(或不能)中发挥着重要作用。新发现可以帮助研究人员预测哪些土壤化学物质最有利于捕获碳,从而可能找到基于土壤的解决方案来减缓人为造成的气候变化。

该研究的资深作者、西北大学的卢德米拉·阿里斯蒂尔德(Ludmilla Aristilde)说:“土壤中储存的有机碳量大约是大气中碳量的十倍,如果这个巨大的水库受到扰动,将会产生巨大的连锁反应。人们采取了许多措施来捕获碳,以防止其进入大气中。如果我们想做到这一点,那么我们首先必须了解起作用的机制”。

为了研究这一过程,阿里斯蒂尔德和她的团队研究了蒙脱石粘土,这是一种已知能在天然土壤中固碳的粘土矿物。然后,他们研究了粘土矿物的表面如何与十种不同的生物分子(包括氨基酸、与纤维素相关的糖以及与木质素相关的酚酸)结合,这些生物分子具有不同的化学和结构。

阿里斯蒂尔德说:“即使生物分子通常不会与粘土结合,但当镁存在时,我们发现结合力显着增加,因此,土壤中的天然金属成分可以促进碳捕获。尽管这是一个被广泛报道的现象,但我们揭示了其结构和机制”。

蒙脱石粘土

图片来源:弗朗西斯科·温加罗

技术价值观察

目前,我国碳中和产业链核心产业架构从碳排放到碳吸收大致可划分为三部分,前端加强能源结构的调整,用低碳替代高碳、可再生能源替代化石能源;中端提升节能减排水平,包括产业结构转型、提升能源利用效率、加强低碳技术研发及完善低碳发展机制等;后端增强资源循环利用水平,落实生产者责任制度,促进资源品的回收再利用;自然循环端加强生态碳汇,包括开展国土绿化行动,增加森林面积和蓄积量,加强生态保护修复,增强草原、绿地、湖泊、湿地等自然生态系统的固碳能力,增加碳吸纳量。

最新研究揭示了土壤捕获来自植物的大气碳的结构和机制。因此,从碳中和产业链上看,该技术处于产业链的后端环节,对碳吸收环节产业较大的影响

图表1:碳中和产业链

宏观市场观察

——中国是全世界碳排放量最多的国家,能源领域碳排放最多

碳达峰与碳中和两者的目的与意义都是限制碳排放量。科学研究表明,过量的碳排放会导致全球气候变暖、温室效应,以及出现极端恶劣天气。其中温室效应是最为直接且严重的问题。2020年,大气中的二氧化碳浓度超过了400ppm,全球地表平均温度比19世纪的基线升高了约1.25°C,比1981年至2010年的参考期升高了0.6°C,逼近2016年的最热纪录。因此控制碳排放量有长远且重要的发展意义。

据英国石油公司(BP)的统计数据显示,2009-2019年,我国碳排放量由77.1亿吨提升至98.3亿吨,稳居世界第一。2020年由于我国疫情防控得当,各行业较快复苏,碳排放量达到99.7亿吨,同比增长1.4%。2021年,受复工复产叠加极端天气频发导致的电力需求上涨,2021年中国碳排放总量再次增加,达到105.9亿吨。

图表4:2009-2021年中国碳排放总量变化趋势(单位:亿吨)

根据IEA公布的数据,从碳排放来源来看,我国碳排放主要来自电力行业,2021年,我国来自电力行业的碳排放占全国排放总量的48%;工业过程碳排放量占36%;交通及建筑领域碳排放占比分别为8%和5%。

图表5:2021年中国碳排放来源结构(单位:%)

——空气直接捕集CO2技术可捕集分布源排放CO2

从捕集环节来看,根据碳捕集与燃烧过程的先后顺序,传统碳捕获方式主要包括燃烧前捕获、富氧燃烧和燃烧后捕获等。空气直接捕集CO2(Direct air capture,DAC)技术指利用化学吸附剂,以空气作为CO2的输运媒介,直接从低浓度的气体分压(40Pa)下富集CO2的技术。近年来,随着科研人员不断研发DAC的方法和材料,目前DAC技术已被视为一种可行的CO2减排技术。

图表2:二氧化碳主要捕集技术

目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO2进行处置捕集,而对占CO2总排放近50%的分布源CO2关注度不高。空气直接捕集CO2技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理,还可有效降低大气中CO2浓度。

图表3:2020年全球二氧化碳排放源分布及对应捕集技术(单位:%)

——碳中和采取“两大发展路径、三步走”发展策略

根据我国碳排放产业的分布,碳排放大部分是来自发电和工业端,其次是交通行业,而农业与商业占比较少。实现碳中和的路径可以拆分为两个部分:可避免的排放和不可避免的排放。

在不可避免的方向上,国家提出优先解决电力生产过程的碳排放,进而完成燃油车向电动汽车的转化,最终实现深度脱碳。在不能完全避免排放的领域,可通过碳捕捉、利用、封存技术(CCUS)或者通过森林、海洋进行自然吸收,最终实现碳中和。

图表7:实现碳中和的路径

从目前我国碳排放发展情况来看,我国“碳中和”基本确定三步走策略,首先在2030年完成碳达峰;其次在2045年前快速降低碳排放;最后在2060年实现深度脱碳,实现碳中和。

图表8:中国“碳中和”三步走发展策略

——碳中和相关投资总额或在140万亿左右

国内许多机构均对碳中和下的新增直接投资做了测算,其中中国投资协会发布的《零碳中国·绿色投资蓝皮书》中测算 “碳中和”相关的投资规模约70万亿;清华大学气候变化与可持续发展研究院预测投资规模在127.2-174.4万亿之间;国家发改委价格监测中心研究人员预测“碳中和”新增投资将超过139万亿元。综合各家结果,前瞻认为《零碳中国·绿色投资蓝皮书》的测算相对保守,而清华大学和发改委价格检测中心的测算结果大致相同。综合后,碳中和带来的相关投资总额或在140万亿左右。

图表24:权威机构对“碳中和”所带来的投资规模的测算

中国碳中和技术赛道热力图

中国碳中和技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示,与碳中和关键技术强关联的城市集群主要集中在华南和华北地区,并且以广东、北京地区为重点发展区域,未来布局碳中和技术及其他相关技术的发展路径,极大可能性在于华南、华北地区优先导入,其中可重点关注广东省深圳市福田区、北京市海淀区所处碳中和的相关企业,以及该地方对于碳中和的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国碳中和产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

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