CCUS赋能绿色低碳发展

2021-03-02中国工程院院士

中国科技纵横 2021年24期

中国工程院院士李阳

一、CCS与CCUS概述

碳捕集与封存技术简称CCS，主要包括碳捕集、输送和封存3个环节，是通过碳捕集技术，将工业或相关能源生产的二氧化碳分离出来，并通过一定的方式输送到合适的地点进行封存，使其与大气隔绝，是大规模减少二氧化碳排放的可行方法。但CCS建设及运行成本高昂，且无经济收益，直接封存成本十分巨大，制约了CCS的发展。

我国科技界提出碳捕集、碳资源化利用及碳封存并重发展的思路，形成了CCUS的理念，目前这一理念已被国际社会广泛认可。CCUS是Carbon Capture，Utilization and Storage（碳捕集、利用与封存）的英文缩写，是在CCS的基础上发展的新技术。CCUS是通过不同的技术措施和应用模式，对人为当期或历史排放的二氧化碳进行捕集、埋存和转化利用，减少排放到大气中的二氧化碳。CCUS与CCS相比，加强了对二氧化碳的资源化利用（地质利用、化工利用和生物利用等），将碳转化为能源或物质，实现了碳的循环再平衡，增加了CCUS的经济收益，降低了投资成本，更具有现实可操作性，使其成为未来30年最现实可行的大规模快速减少碳排放的技术解决方案。

二、我国发展CCUS的战略及现实意义

2020年9月22 日，习近平总书记提出了我国“碳达峰、碳中和”的战略目标。对中国来说减排时间紧、减排强度大、化石能源占比高，因此必须采用组合技术保障碳中和目标实现。CCUS作为可以大规模减少化石能源燃烧和工业过程碳排放的减碳、负碳技术，可以使化石能源与新能源实现竞合关系，为经济社会高质量发展、保障能源安全和“双碳”目标实现提供支撑。

CCUS是构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要技术保障。预计到2050年，化石能源仍将扮演重要角色，占我国能源消费比例的10%-15%，CCUS可实现化石能源大规模低碳化利用，推动能源结构转型，助力构建绿色低碳、富有韧性的能源体系。

CCUS可助力电力、钢铁、水泥等难以减排行业深度脱碳。据国际能源署报告，预计到2050年钢铁行业采取工艺改进、效率提升、能源和原料替代等常规减排方案后，仍然剩余34%的碳排放量，就算氢能直接还原铁技术取得重大突破，剩余碳排放量也超过8%，水泥行业采取常规减排方案后，仍剩余48%的碳排放量。因此，可以说CCUS也是这些行业净零排放的必然选择。

CCUS可有效降低碳减排成本。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次气候变化评估报告，如果不采用CCUS技术，全球减排成本将成倍增加，增幅高达138%。我国拥有世界上最年轻的煤电机组存量，2020年总装机达12.5亿千瓦，服役年限平均仅11.6年。据估算，如果不进行CCUS投资，煤电搁浅资产规模可能高达3.1-7.2万亿元。

CCUS可以实现油气增储上产，保障国家油气安全。我国油气对外依存度高，2020年我国石油、天然气依存度分别达到73%、43%。且未来一段时期油气仍将维持主体能源地位，到2040年占一次能源比重仍保持在50%左右。CCUS与驱油技术的结合，可以实现油气增产和碳封存的双赢。据研究，我国适合二氧化碳驱油地质储量近200亿吨，可以增加原油产量超过20亿吨，埋存二氧化碳超过100亿吨。

三、CCUS发展现状

从当前技术发展来看，CCUS已经具备了大规模应用到各行业中的技术可行性。碳捕集方面，已形成针对不同浓度排放源的捕集技术，技术成熟度快速提高、能耗成本逐渐下降，在煤电、石化、水泥及钢铁等行业开展了大量示范应用。驱油利用方面，是目前最为经济可行的大规模的利用和埋存方式，技术已经成熟（美国CO2驱提高采收率产量每年超过1500万吨，其中来自工业的气源占总量的30%）。碳封存方面，开展了百万吨级咸水层埋存示范（挪威Sleipner项目已累计埋存2000万吨）。碳利用方面，化工利用和生物利用新技术不断涌现。另外，工程化、规模化项目快速增长，2021年全球新增71个CCUS示范项目。可以预见，随着CCUS技术快速发展和“碳中和”目标的驱动，CCUS将迎来新的快速发展阶段。

中国石化较早地开展了二氧化碳捕集、利用与埋存技术研究与示范，目前已进入全技术链研发和大规模示范阶段。2021年7月5日启动齐鲁石化-胜利油田CCUS项目建设，这是我国首个百万吨碳捕集、利用与封存项目，也是我国石化企业全流程CCUS项目。

中国石化主要从捕集、输送、利用、封存和安全性5个维度开展系统性研究，取得了系列重要成果：首先是形成针对燃煤电厂、炼化厂及高碳天然气3种主要排放源捕集技术，并进行了示范应用，技术水平与国际同步，具备了良好的应用前景。二是形成了高压长距离管道输送技术，中国石化已在苏北盆地建成52公里二氧化碳集输管线。三是形成了低渗透、高含水油藏驱油、封存技术体系，并建立了碳封存潜力评价及减碳核查、全生命周期安全评价技术。四是二氧化碳矿化转化技术。其具有多种应用场景，既可以对固废处理利用，也可以进行特殊资源提取，在实现碳减排的同时，实现固废资源化利用和高值化产品生产。中石化在普光气田开发了二氧化碳矿化磷石膏技术，将普光气田产生尾气中的二氧化碳与磷石膏反应，转化为碳酸钙和硫基复合肥，实现磷石膏中钙、硫资源的高值化回收利用。

四、CCUS发展面临的挑战

经过几十年的发展，CCUS技术和示范项目建设已经取得了丰富的研究和实践成果，但大规模部署CCUS仍然面临诸多制约。在技术方面，捕集技术能耗和成本偏高，驱油埋存一体化优化技术有待进一步研究，化工利用和生物利用技术存在转化能耗高、转化效率低等问题，封存安全性的监测和评估技术体系尚需建立，全生命周期量化核查方法学有待研究。

在工程示范方面，为石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范，利用封存方式单一，缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范。

在标准规范方面，未形成碳捕集、输送、利用、驱油及封存的标准体系，碳减排量化核查和监测标准缺乏。在体制政策方面，未形成相互有效衔接的规划体系，缺乏税收减免、差异化财政补贴等有助于CCUS技术及产业发展的创新性激励政策，商业、金融生态建设有待创新，投融资渠道有待拓宽。

五、CCUS发展前景

目前国家已陆续发布了重点领域和行业碳达峰实施方案，构建碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。CCUS作为碳中和必不可少的技术手段，在双碳目标的实现过程中将发挥更大作用，其产业化发展前景巨大。

国际能源署(IEA)发布的《2050年净零排放：全球能源行业路线图》预计，全球碳捕集能力将从2020年的4000万吨/年，增长至2050年的76亿吨/年。中国石化课题组在研究实践中建立了中国能源生产、消费及CCUS之间的交互关系模型，综合考虑能源结构、技术条件、产业结构以及数据来源等因素，构建了CCUS固碳计算方法和模型，预计到2060年，CCUS技术减排贡献量10.4亿吨，迫切需要CCUS规模化发展。

2020年以来，发达国家纷纷加快CCUS技术和示范项目部署，美国计划在未来25年累计投资1750亿美元，CCUS规模达到5亿吨/年；欧盟计划投资100亿美元，用于碳捕集封存项目规划、建设和运行；英国计划至少投资8亿英镑，建设2个碳捕集封存项目群。预计2060年，全球CCUS产业规模可达数万亿美元，中国CCUS投资规模将达到数万亿元，CCUS市场需求及前景十分广阔。

总之，双碳时代，CCUS将驶入快速发展轨道。