具有碳捕获和储存的生物能源（Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS）是一种潜在的温室气体减排技术，通过将生物能源（来自生物质的能源）用途与地质碳捕获和储存相结合，产生负二氧化碳排放。 BECCS的概念来自树木和作物的整合，树木和作物在生长过程中从大气中提取二氧化碳（CO 2 ），这种生物质在加工工业或发电厂中的应用，以及碳捕获和储存的应用二氧化碳注入地质构造。 还有其他非BECCS形式的二氧化碳去除和储存，包括生物炭，二氧化碳空气捕获和生物质埋藏和增强风化等技术。
根据Biorecro最近的报告，目前运行的BECCS总容量为每年二氧化碳55万吨，分为三个不同的设施（截至2012年1月）。
在政府间气候变化专门委员会（IPCC）的IPCC第四次评估报告中，BECCS被认为是达到低二氧化碳大气浓度目标的关键技术。 英国皇家学会估计BECCS可产生的负排放量相当于全球大气二氧化碳浓度降低50至150 ppm，根据国际能源署的报告，BLUE地图气候变化减缓情景需要更多2050年，BECCS每年消耗2亿吨二氧化碳排放量。根据斯坦福大学的数据，到目前为止可以达到10千兆吨。
伦敦帝国理工学院，英国气象局哈德利气候预测和研究中心，廷德尔气候变化研究中心，沃克气候系统研究所和格兰瑟姆气候变化研究所发布了关于二氧化碳清除技术的联合报告。避免的一部分：避免危险的气候变化研究计划，指出“总的来说，在本报告中研究的技术中，BECCS具有最大的成熟度，并且在将其引入当今的能源系统方面没有重大的实际障碍。产品将支持早期部署。“
根据经合组织的说法，“实现较低的浓度目标（450 ppm）在很大程度上取决于BECCS的使用”。
生物能源
缩放选项
生物能源通常被视为化石燃料的潜在大规模“碳中性”替代品。 例如，国际能源机构认为，到2050年，生物能源将成为超过20％的一次能源的潜在来源，UNFCCC秘书处的一份报告评估了生物能源每年800埃焦耳（EJ /年）的潜力，远远超过了当前的全球能源消耗。 目前，人类每年使用约120亿吨植物生物量（将陆地生态系统可用的生物量减少23.8％），其化学能仅为230 EJ。 现有的农业和林业实践并没有增加地球上的总生物量，只是将其从自然生态系统中重新分配，以满足人类的需求。 以20-50％的能源需求为代价的生物燃料的消费意味着农业生产的生物量增加2-3倍。 与此同时，有必要为不断增长的人口提供食物。 与此同时，目前的农业生产水平已经影响了75％的没有沙漠和冰川的地表，这导致了对生态系统的过度压力和显着的二氧化碳排放。 因此，将来接收大量额外生物质的能力是非常成问题的。
生物能源的“碳中和”
BECCS基于这样一种观点，即生物能具有“碳中和”的特性，即从植物获得能量不会导致向大气中添加二氧化碳。 这种观点受到科学家的批评，但存在于欧盟的官方文件中。 特别是，它的目标是到2020年将生物能源的比例提高到20％，将运输中的生物燃料提高到10％。与此同时，越来越多的科学证据使人质疑这一论点。 生长用于生物燃料生产的植物意味着必须将土地移除并从其他植物中解放出来，这些植被可以自然地从大气中去除碳。 此外，生物燃料生产过程的许多阶段也导致CO 2排放。 设备运行，运输，原材料的化学处理，土壤覆盖的扰动都不可避免地伴随着大气中的二氧化碳排放。 在某些情况下，最终的平衡可能比燃烧化石燃料时更糟糕。 另一种生物能源选择涉及从农业，木工等各种废物中获取能量。这意味着从接收环境中去除这些废物，在自然事件中，其中所含的碳通常会在腐烂过程中进入土壤。 。 相反，它在燃烧时被释放到大气中。
基于生命周期的生物能源技术的综合评估提供了广泛的结果，取决于是否考虑到土地利用的直接或间接变化，获得副产品的可能性（例如牲畜饲料），温室一氧化二氮从化肥生产中的作用和其他因素。根据Farrell等人的说法。 （2006年），粮食作物生物燃料的排放量比传统汽油低13％。 美国环境保护署的一项研究表明，在30年的时间范围内，与传统燃料相比，谷物生物柴油的排放范围从减少26％到排放增加34％，具体取决于所做的假设。
“碳债”
在电力工业中使用生物质与碳中性的另一个问题相关，这对于运输生物燃料来说不是典型的。 作为一项规则，在这种情况下，我们谈论燃木。 燃烧木材产生的二氧化碳直接在燃烧过程中进入大气层，随着新树木生长数十年和数百年，它从大气中提取出来。 这个时间滞后通常被称为“碳债”，对于欧洲森林来说它已经达到了两百年。 因此，在短期和中期内无法实现木材作为生物燃料的“碳中和”，而气候模拟的结果表明需要快速减少排放。 使用肥料和其他工业化农业方法使用快速生长的树木可以用含有比自然生态系统少得多的碳的种植园取代森林。 这种种植园的建立导致生物多样性丧失，土壤枯竭和其他环境问题，类似于谷物单一栽培的传播后果。
对生态系统的影响
根据发表在“科学”杂志上的一项研究，引入化石燃料产生的二氧化碳排放，同时忽略了生物燃料的排放，将增加对生物质的需求，到2065年，生物质将几乎所有剩余的天然林，草地和大多数其他生态系统转变为生物燃料种植园。 森林已经被生物燃料摧毁了。 对颗粒的需求不断增加，导致国际贸易（主要是向欧洲供应）的扩张，威胁着世界各地的森林。 例如，英国电力生产商Drax计划用生物燃料生产其4 GW容量的一半。 这意味着每年需要进口2000万吨木材，是英国本土采伐量的两倍。
生物燃料的能源盈利能力
生物燃料作为主要能源的能力取决于其能量效率，即接收的有用能量与消耗的能量之比。 Farrell等人讨论了谷物乙醇的能量平衡。 （2006年）。 作者得出结论，从这种燃料中提取的能量明显高于其生产的能量消耗。 另一方面，Pimentel和Patrek证明能源成本可恢复29％。 这种差异主要是由于对副产品作用的评估，根据乐观估计，副产品可用作牛饲料并减少对大豆生产的需求。
对粮食安全的影响
因为，尽管经过多年的努力和大量投资，藻类的燃料生产不能从实验室带出，生物燃料需要去除农田。 根据国际能源署2007年的数据，每年生产1升运输生物燃料能源需要1400万公顷的农业用地，即1％的运输燃料需要1％的农业用地。
碳封存和储存
地下封存
碳封存和储存的主要方法是将其注入底土中。 考虑到CO 2的物理性质和注入深度超过750米的地热梯度，CO 2通常处于超临界状态。 在向超临界状态的转变中注入的CO 2的密度为660kg / m 3，随着注入深度的增加，其增加。 根据ZEP，处理二氧化碳的所有可能性的90％为地球上的含盐含水层提供了盐水溶液，在某些情况下，可以使用已开发的油气田。
向地下土壤中注入二氧化碳会导致地球表面在注入点上的膨胀，这可以从卫星上观察到。 控制储存场地CO 2行为的另一种方法是地震测试，在此期间记录和分析由炸药测试电荷爆炸或特殊地震波发生器引起的地波振荡。 现有控制方法的准确性不足以评估项目的成功和泄漏的检测。 目前没有可靠的二氧化碳，盐水和岩石相互作用的模型，因此不可能确定地预测这种相互作用的物理和化学作用。 这导致评估二氧化碳处理的长期结果的不确定性。 已知CO 2与盐溶液的相互作用产生后者的酸性，这导致碳酸盐在矿物“屏蔽”中的溶解，以及硅酸盐的腐蚀。 涉及超临界CO 2和岩石的化学反应可以产生高渗透性区域，这进一步导致逐渐的CO 2泄漏。 在美国墨西哥湾沿岸Frio地层注入二氧化碳的实验中观察到类似的现象。 对于限制封存的二氧化碳的矿物“盾”的适用性问题的解决方案需要大量的检查和实验。这是因为确定岩层的强度和变形特征，包括成核，开发以及间隙和裂缝的相互作用是非常困难的，并且任何水平的CO 2穿透其上方矿物顶层的缺陷代表对环境的潜在威胁。 超临界CO 2在高温高压地质构造中的地球化学“行为”研究较少。 由于难以在至少几十年的时间尺度上推断这些测试的结果，在人工重建条件下进行实验测试的可能性是有限的。 众所周知，普通硅酸盐水泥不能承受这种条件。
估计地质构造中合适地点的可用性
Economides 2010研究的作者对普遍的观点认为，二氧化碳处理的深度有足够的空间。他们指出，分析方法在文献中占主导地位，根据这种方法，边界处的压力很大。在注入二氧化碳期间储层没有变化，储罐容量隐含地被认为是无穷大。 这使计算变得方便，但可能导致错误的结论。 实际上，只有当储层与地球表面或海底通信时，压力的恒定才有可能，据作者说，这使得它不适合注入二氧化碳。 在本文中，提出了封闭储层的分析模型，在其基础上进行的计算使我们能够估计已知地质构造的可用容量。 结果与文献中估计的1-4％的多孔体积显着不同，1％被认为是上限，容量的可能值为0.01％，这使得作者得出结论认为CFS实际上是作为减少排放的方法毫无用处。 作者还提到了目前Sleipner项目的一些数据。 Bickle等人。 2007年表明，二氧化碳的径向扩散远远低于预期，二氧化碳在较高层岩石中的渗透率很高。 Economides 2010的调查结果引起了参与二氧化碳处理示范项目的研究人员的极端负面反应。 该地区的主要欧洲组织ZEP在其官方回应中指出，“水箱通常具有开放的边界，因此水流可以在水平和垂直方向上流出它们”，而不会对维持注入的二氧化碳造成任何损害。 此外，在他们看来，二氧化碳在地质构造中的流动性有助于通过已经活跃数百年的物理和化学机制将其连接起来。 另一方面，在科学文献中，关闭作为地下水库的必要特性的想法很普遍。 例如，Shukla等人在他对CFS科学工作的回顾中指出，“只有当储存地点足够广泛并且被隔离时，才能有效地长期储存二氧化碳，并且水库的储层岩石有足够的保留特性。 这些低渗透性地层应防止超临界二氧化碳从储层中迁移出来或可能在表面上造成污染。 “
示范项目的结果
世界在建立粮安委试点项目方面的领先地位是挪威。 一个大项目（Sleipner）自1996年以来一直在工作，另一个计划在Mangstat开放。 融资方案由挪威的碳税决定。 Mangstat的项目进行得非常困难和延误，财务成本超过初始估计10倍。 2013年9月，它终于被关闭了。
Sleipner项目位于北海，距离挪威海岸250公里的海上平台上。 它于2006年10月发射，大约100万吨从天然气中分离出来的二氧化碳被泵入地下。 通过一个井进行注入至约1000米的深度。 二氧化碳进入约200米厚的砂岩含水层。 在1999年，2001年和2002年进行了地震测试。他们的结果令人费解，因为二氧化碳的水平分布远远低于预期，与19的深度中的二氧化碳量获得了良好的理论一致性。已上传的百分比。 地球物理研究所（卑尔根大学）主任Peter M. Hogan概述了可能的原因：“这些层已经开始填补。 通过薄层的泥质岩发生泄漏。 测量数据和理论模型的一致性要求将CO 2渗透能力识别低于我们在岩心样品上测量的数量级，或者我们必须假设来自地震观测的CO 2层的厚度过大。 CO 2的浓度也可能低并且不再存储。 “后来，在距离注入地点25公里的海床上的地质构造中发现了一个先前未知的断层，并且从中出现了气体。 然而，研究人员发现Sleipner水库不太可能通过这个裂缝泄漏。
该项目位于阿尔及利亚的Salah，是挪威Sleipner之后的第二大物流，于2004年开始运营。二氧化碳在准备交付给消费者的过程中被处理掉，与天然气分离。 共有3口井，埋藏深度为1,800米。 2011年停止向地下土壤注入二氧化碳，共埋藏了400万吨。 发现了岩石覆盖层的开始破坏和更接近表面的CO 2的渗透。 该过程由卫星观测确定。 注入过程中的无意水力压裂，与石油生产中使用的类似，被认为是可能的破坏机制。
边界大坝项目是对加拿大萨斯喀彻温省一个燃煤发电机组的升级，在此期间它安装了设备，以捕获燃料燃烧过程中动力装置产生的90％的二氧化碳，后来用于EOR。 宣布它将每年捕获100万吨二氧化碳，动力装置容量为110兆瓦（现代化之前为139兆瓦）。 批评者指出，由于EOR阶段的泄漏，捕获的二氧化碳中不会有超过一半留在地下。 该设施于2014年10月投入使用，成为在燃煤电厂中使用SHU的第一个例子。 2015年，电力公司的内部文件指出了捕获系统的“严重设计缺陷”，导致系统故障和故障，结果该系统的工作时间不超过40％。 根据同一份文件，该公司 – 开发商“既没有欲望也没有能力”消除这些“基本”设计缺陷。 电力公司无法履行向石油工业供应二氧化碳的义务，被迫修改它们并支付罚款。 一些权威媒体在其出版物中批评了该项目的经济方面。 批评人士指出，纳税人和电力消费者将不得不承担超过10亿加元的成本，而风力发电机则有更便宜的替代品。 与此同时，该项目对于获得二氧化碳供EOR的石油公司来说是有利可图的。
基础设施规模和时间安排
气候学家Andy Skus根据Van Vuuren等人的情景估算了所需的二氧化碳储存量和所需的基础设施。（2011年）。 燃烧化石燃料时产生的二氧化碳量为2.8-3.7质量的燃料。 计算结果显示，到本世纪末，每年必须将大量的二氧化碳放置在埋葬地点：2000年提取的化石燃料大约四个。考虑到二氧化碳密度大约埋藏在二氧化碳深处。 0.6 g / cm 3，这将需要每7 – 8年注入一次Erieunderground湖。 由于在深处没有这种体积的空隙，位于那里的液体（主要是盐溶液）将被挤出到表面，这将导致严重的后果。 此外，在这种规模下埋葬的地点将不可避免地变得远非理想的地质特性，这将增加成本并导致额外的风险。 如果我们以每年200万吨的价值为基础，那么从2030年开始，有必要每天委托一个这样的项目，为期50年。 以每吨50美元的价格，到本世纪末，开支将达到2万亿美元。 在一年。 据提交人称，希望实施这些计划是不明智的。 类似的结论来自Vaclav Zmil教授。 据他介绍，仅隔离当前全球二氧化碳排放量的十分之一（低于3Gt）将需要建立一个能够抽取大于或等于当前全球石油生产基础设施的地下压缩气体的全球工业。世纪。 与此同时，与石油行业不同，石油行业在对基础设施进行大量投资方面具有明显的经济利益，我们谈论的是以富裕国家的纳税人为代价进行融资，而且时间要短得多。 以上对基础设施规模的估计是近似的，因为它们仅基于对注入的二氧化碳量的估计，在其创建和运行过程中自身的基础设施问题未被考虑在内。
负排放
BECCS的主要吸引力在于它能够导致二氧化碳的负排放。 从生物能源中捕获二氧化碳有效地从大气中去除CO 2 。
生物能源来自生物质，生物质是一种可再生能源，在其生长过程中起到碳汇的作用。 在工业过程中，燃烧或加工的生物质将二氧化碳重新释放到大气中。 因此，该过程导致CO 2的净零排放，尽管这可以根据与生物质生长，运输和加工相关的碳排放而正或负地改变，参见下面的环境考虑因素。 碳捕获和储存（CCS）技术用于拦截二氧化碳释放到大气中并将其重定向到地质储存位置。 具有生物质来源的CO 2不仅从生物质燃料发电厂释放，而且在用于制造纸张的纸浆和生物燃料如生物气和生物乙醇的生产期间释放。 BECCS技术也可用于此类工业过程。
有人认为，通过BECCS技术，二氧化碳被困在地质构造中很长一段时间，而例如树只在其生命周期中储存碳。 在其关于CCS技术的报告中，IPCC预测通过地质封存储存的99％以上的二氧化碳可能会保留1000多年。 虽然其他类型的碳汇（如海洋，树木和土壤）可能会在温度升高时出现负反馈回路的风险，但BECCS技术可能通过在地质构造中储存二氧化碳来提供更好的持久性。
到目前为止释放的CO 2量被认为太多而不能被常规水槽（例如树木和土壤）吸收以达到低排放目标。除了目前累积的排放量，本世纪还会有大量的额外排放，即使在最雄心勃勃的低排放情景中也是如此。 因此，BECCS被认为是一种扭转排放趋势并建立全球净负排放系统的技术。 这意味着排放不仅为零，而且为负，因此不仅排放，而且大气中二氧化碳的绝对量将减少。
应用
| 资源 | 二氧化碳来源 | 扇形 |
|---|---|---|
| 电厂 | 生物质或生物燃料在蒸汽或气体发电机中的燃烧释放CO 2作为副产物 | 能源 |
| 热电厂 | 用于产生热量的生物燃料的燃烧释放CO 2作为副产物。 通常用于区域供暖 | 能源 |
| 纸浆和造纸厂 |
|
行业 |
| 乙醇生产 | 生物质如甘蔗，小麦或玉米的发酵释放CO 2作为副产物 | 行业 |
| 沼气生产 | 在沼气改质过程中，CO 2与甲烷分离，产生更高质量的气体 | 行业 |
技术
从生物来源捕获CO 2的主要技术通常采用与从常规化石燃料来源捕获二氧化碳相同的技术。 概括地说，存在三种不同类型的技术：后燃烧，预燃烧和氧 – 燃料燃烧。
成本
BECCS净负排放的可持续技术潜力估计为每年10 Gt二氧化碳当量，每年的CO 2当量经济潜力高达3.5 Gt，成本低于50€/ t，并且高达每年3.9吨二氧化碳当量，成本低于100欧元/吨。
目前，与普通CCS相比，大多数原理图BECCS系统都不具有成本效益。 IPCC指出，对BECCS成本的估算范围为每吨二氧化碳60至250美元。 另一方面，“正常”CCS（来自煤炭和天然气加工）成本已降至每吨不到35美元。 由于有限的大规模测试，BECCS面临许多挑战，成为财务上可行的替代方案。
政策
根据目前的“京都议定书”协议，碳捕集与封存项目不适用于清洁发展机制（CDM）或联合履行（JI）项目的减排工具。 认识到CCS技术作为减排工具对于此类工厂的实施至关重要，因为实施此类系统没有其他经济动机。 在协议中包含化石CCS和BECCS的支持越来越多。 关于如何实施这一目标的会计研究，包括BECCS，也已经完成。
BECCS的技术经济学和TESBiC项目
BECCS最大和最详细的技术经济评估是由cmcl创新和TESBiC小组（生物质技术经济研究到CCS）在2012年进行的。该项目推荐了最具潜力的生物质燃料发电技术与碳结合捕获和存储（CCS）。 项目成果为英国制定了详细的“生物质CCS路线图”。
环境因素
关于BECCS广泛实施的一些环境考虑因素和其他问题与CCS类似。 然而，对CCS的许多批评是它可能会加强对可耗尽化石燃料和环境侵入性煤炭开采的依赖。 BECCS并非如此，因为它依赖于可再生生物质。 然而，还有其他涉及BECCS的考虑因素，这些问题与生物燃料的可能增加使用有关。
生物质生产受到一系列可持续性限制，例如：耕地和淡水稀缺，生物多样性丧失，与粮食生产的竞争，森林砍伐和磷的稀缺。 重要的是确保以最大化能源和气候效益的方式使用生物质。 对于一些建议的BECCS部署方案存在批评，其中将非常依赖增加的生物质输入。
在工业规模上运营BECCS需要大面积的土地。 为了清除100亿吨二氧化碳，将需要超过3亿公顷的土地面积（大于印度）。 因此，BECCS有可能使用更适合农业和粮食生产的土地，特别是在发展中国家。
这些系统可能具有其他负面影响。 然而，目前不需要在能源或工业应用中扩展生物燃料的使用以允许BECCS部署。 现在已经有来自生物质衍生的CO 2的点源的大量排放，其可用于BECCS。 虽然，在未来可能的生物能源系统升级情景中，这可能是一个重要的考虑因素。
BECCS工艺允许直接从大气中收集和储存二氧化碳，而不是来自化石来源。 这意味着可以通过重复BECCS过程来重新收集和恢复来自存储的任何最终排放。 单独使用CCS是不可能的，因为通过用CCS燃烧更多的化石燃料无法恢复排放到大气中的二氧化碳。
事故和事故的危险
二氧化碳处理场的长期可靠性无法得到保证。 IPCC在其关于CFS的文件中提供了二氧化碳在埋藏时的流动简化图，包括各种类型的泄漏。 此外，由于地震和其他类型的构造活动，存在破坏保留二氧化碳的地质结构完整性的危险。 注入的CO 2的高压可导致处置区域的地震活动。 由于压力波动而无意中破坏储层的绝缘性能的危险值得特别注意。 快速释放大量二氧化碳可能很危险。 空气中浓度为3％是有毒的，20％会迅速导致死亡。 CO 2比空气重，并且倾向于积聚在可用空间的下部，这加剧了人们面临的危险。
已经有当地社区抵制二氧化碳埋葬计划的例子。 在美国俄亥俄州格林维尔，当地居民成功地反对二氧化碳地下储存计划。 在德国，抗议者阻止进入北海度假胜地Silt岛，以提请注意在海床下运输二氧化碳的计划。 在荷兰的Barendrecht，城市下的一个发达的天然气田的CO 2埋葬计划遇到了决定性的拒绝，这促使政府不仅要关闭这个项目，而且还要阻止荷兰的所有类似项目。
当前项目
大多数CCS项目包括向现有发电厂添加捕集，通常是煤炭或其他化石燃料。 通过完全捕获，这些过程将是碳中性的。 美国伊利诺伊州迪凯特市有许多由Archer Daniels Midland（ADM）经营的玉米植物，玉米加工成糖浆和乙醇。 该工厂排放大量二氧化碳作为该工艺的副产品。 通过CCS装配，该工厂理想地变为碳负性，因为玉米在生长时吸收二氧化碳，并且在加工过程中产生的所有二氧化碳被捕获并封存在Mount Simon砂岩中。 该项目不能完全碳负，因为在生产的乙醇燃烧过程中会产生二氧化碳。 该项目是唯一一个未与EOR结合使用的CCS项目。 南伊利诺伊盆地被认为是最好的注入地点之一，因为它的砂岩成分和深度（注入地点在地表以下2000米），以及它的可能容量（地质学家预计储存容量为27-109 Gt二氧化碳） 。!