碳捕集、利用与封存技术商业模式分析

宋欣珂，张九天，王灿,3＊

（1.清华大学环境学院，北京 100084；2.北京师范大学中国绿色发展协同创新中心，北京 100875；3.清华—力拓资源能源与可持续发展研究中心，北京 100084）

引言

碳捕集、利用与封存技术（carbon capture,utilization and storage,CCUS）是指将二氧化碳从工业、能源等排放源或大气中分离，直接加以利用或封存，以实现CO2减排的工业过程，是全球低碳发展的重要技术选择[1,2]。综合联合国政府间气候变化专门委员会、国际能源署、国际可再生能源机构等机构的预测[3-7]，全球CCUS 减排贡献量将在2030 年达到1.0亿～16.7 亿t/a，在2050 年达到27.9 亿～76.0 亿t/a。在全球各国的碳中和文件中，CCUS 作为重要的负排放技术受到重视[8]。

中国已宣布力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值的目标与努力争取于2060 年前实现碳中和的愿景，低碳转型任务艰巨，亟须推广部署以CCUS 技术为代表的先进技术[9]。在中国，CCUS 仍有较大的发展空间和资金缺口。根据科技部技术发展路线图规划，2050 年需要实现CCUS 的广泛部署和区域新业态，二氧化碳利用封存量达到8 亿t/a[10]，而截至2021 年，中国已投运或建设中的CCUS 示范项目约有40 个，捕集能力仅为300 万t/a[5]。根据高盛预测，中国2060 年碳中和目标隐含的CCUS 累计投资机会达8000 亿美元，并且年度投资规模将随时间推移而增加[11]。

目前CCUS 技术在中国尚处于工业示范阶段，且示范项目规模较小，技术发展面临五大障碍：第一，技术成熟度不足。中国CCUS 项目整体上规模较小、运行时间较短，整体能耗和成本仍处于较高水平。第二，经济成本高。中国当前CCUS 典型项目的成本为120～900 元/t[12]，对比2021 年7 月中国全国碳市场50～60 元/t 的碳价水平，很难实现盈利。第三，融资渠道单一且规模较小。目前中国已开展的CCUS 项目的主要资金来源均为企业自有资金投资，个别项目得到了地方政府的资金支持或国内外研发赠款，商业贷款或股权融资等融资模式尚未得到应用[13]。第四，应用领域有限。中国现有的CCUS 项目以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主，在水泥、钢铁、化工等工业部门应用较少，缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范。第五，项目盈利能力差。中国目前在运行的21 个CCUS 项目中，只有8个项目将CO2用于二氧化碳驱油法提高石油采收率（CO2-EOR），通过石油增产形成较稳定的收益，其他项目不产生收益或收益不确定[13]。

在2060 年碳中和目标的要求与目前CCUS 发展现状背景下，迫切需要分析CCUS 的商业模式，识别其特征和关键障碍，从而推进CCUS技术的广泛部署。

1 商业模式研究框架

商业模式这一概念的出现最早可以追溯到1957年[14]，但早期只是作为概念被提到，并未有明确的定义和系统性的研究框架。20 世纪90 年代以来，随着信息技术和电子商务的蓬勃发展，商业模式逐渐成为学术界和企业界的关注热点[15]。以往研究对商业模式的定义尚未达成共识，商业模式这一概念在不同背景下有着不同的含义，其应用背景大致可以分为三大类——信息技术、组织理论和战略管理[15]。信息技术是最早使用商业模式概念的研究领域，在信息技术的背景下，商业模式最初的含义是根据商业目标和资源定义的业务框架，用于指导企业信息系统建模[16,17]。而后，商业模式这一概念逐渐在组织理论和战略管理两个领域中出现：在组织理论领域，商业模式是对企业架构和运行机制的抽象表示；在战略管理领域，商业模式在企业内部视角的基础上增加了竞争和战略的要素，成为对企业经营活动的全面描述[18]。

Osterwalder 和Pignear[19]提出了一种通用的商业模式分析框架——商业模式画布（business model canvas,BMC），为企业、政府和学者描述及评估商业模式提供了可行的工具。在能源、低碳与可持续发展领域，BMC 模型框架具备较好的适用性，已被广泛应用于不同话题的研究：Joyce 和Paquin 利用三层BMC对雀巢（Nespresso）的商业模式进行了商业、环境、社会的多层次分析[20]；Carsten 等利用BMC 对德国可再生能源合作的商业模式进行了分析，并识别了商业模式中的主要风险和障碍[21]；Specht 和Madlener 应用BMC 对电力供应市场中的商业模式进行了创新，提出了“能源供应商2.0”的商业模式概念化模型，并提出了相应的政策建议[22]。

BMC 包含九个要素：关键伙伴、关键活动、关键资源、价值主张、客户关系、渠道通路、目标客户、成本结构和收入来源（图1），涵盖了商业组织创造、提供和获取价值的全过程，对商业模式要素考虑全面。本文将采用此框架对CCUS 技术的商业模式进行分析。

图1 商业模式分析框架

2 CCUS 商业模式分析

2.1 全球商业化CCUS 项目现状

根据Global CCS Institute（GCCSI）数据库[22]的定义，项目需要满足以下条件才可以被视为商业化项目：包含商业化运作的捕集、运输、利用或封存全链条设施；一般具备较长的经济寿命期；在满足监管要求的前提下，能够产生一定的经济回报。综合GCCSI数据库信息和文献中对中国项目的梳理[10,13,23]，截至2021 年5 月，全球共有31 个正在运行的商业化CCUS 项目（表1）。这些项目的规模在6 万t/a 到700万t/a 不等，主要的捕集来源为天然气加工过程①本文所梳理的31 个项目中有13 个为此类。，其他捕集来源包括钢铁、化肥、甲醇、制氢、煤电等生产过程。大部分项目捕集到的CO2用于提高石油采收率，这些项目多由大型油气公司投资建设，并在不同程度上获得了政府的资金或政策支持。

表1 全球运行中的商业化项目

提高石油采收率带来的收入为项目的主要盈利方式。在31 个项目中，25 个项目主要依靠CO2-EOR带来的收入盈利；3 个项目获得政府的激励政策支持（加拿大的Quest 项目，挪威的Sleipner 和Snøhvit 项目）；3 个项目未公开盈利方面信息，其中美国的伊利诺伊州CCUS 项目可能受到了45Q（Section 45Q of the United States’ Internal Revenue Code）税收政策的支持。目前国际上典型的CCUS 盈利支持政策有美国的45Q税收政策、加拿大的碳信用政策和挪威的碳税政策。

2.2 CCUS 商业模式概述

根据上述对全球商业化CCUS 项目的梳理和文献资料，基于BMC 分析框架对CCUS 商业化模式概括如图2 所示。

图2 CCUS商业模式

在企业侧，CCUS 的关键伙伴包括政府、高校和科研机构、国际组织、同行企业等，其中政府主要承担了资金支持的角色，高校和科研机构提供技术研发方面的支持，国际组织如国际能源署提供技术和资金双重支持，另外同行企业之间也以联合出资、共建共享基础设施、技术联合开发等方式开展了紧密的合作。CCUS 包含一系列细分技术，在项目的商业运营上涉及长链条的、多环节的活动，包括捕集系统开发设计、设备制造、封存地勘探选址、运营与持续的监测等，涉及技术、设备、基础设施、管理和资金等多方面的资源。

续表

在价值主张方面，CCUS 提供了二氧化碳作为商品的价值（CCU）或碳减排价值（CCS）。目前，CO2-EOR 是主要的价值创造方式，在碳中和的目标下，CCUS 价值主张将逐渐转向以碳减排为重点，这一点将在3.2 节详细探讨。

在客户侧，伴随上述价值主张的转变，CCUS目标客户也将由传统的油气企业逐渐转变为电力、钢铁、水泥等高耗能行业企业，甚至在远期的“零碳社会”中面向广义上所有CO2排放主体提供服务。目前CCUS 的商业化主要以大型项目为单位，因此客户关系也围绕项目的开发和运营开展。在渠道通路方面，“双碳”目标的宣传和相关政策压力为CCUS 的渠道拓展提供了背景。在CCUS 商业化发展初期，渠道通路将以面向高排放企业的点对点营销为主，在远期有望发展为技术服务商、政府、排放主体、科研机构等多方参与的技术合作平台。

在成本方面，CCUS 作为一系列细分技术的统称，在不同行业、不同技术选型、不同项目规模下对应不同的成本。目前中国的CCUS 项目全流程成本为120～900 元/t，其中捕集过程的资金投入及能耗是成本的主要来源。根据IEA 的数据[24]，全球碳捕集的成本15～120 美元/t。CCUS 项目的收入来源包括二氧化碳利用收入、税收政策支持、碳市场政策支持和其他潜在政策支持，将在本文3.4 节具体讨论。

3 CCUS 商业模式特点分析

3.1 关键资源获取难度大

目前CCUS 技术成熟度不足，仍面临较高的投资和运行成本。以煤电CCUS 项目为例，有研究通过对燃煤电厂加装CCS 设施进行经济分析，计算出增加CCS 装置使电厂的平准化度电成本升高29%～32%[25]。另外，封存地的勘探与选址时间周期长，长期储存的安全性保障责任重大，以及运输封存基础设施的投资成本高昂等也构成了企业开展CCUS的障碍[24]。获取技术、资金等关键资源的高难度使得大量企业对CCUS 项目望而却步，已经开展的项目也面临较高的失败率。在全球已开展的CCUS 项目中，超过80%的项目被迫中途停止或取消[26]。

3.2 碳中和目标催生碳减排价值主张

早期CCUS 商业化的主要价值主张是利用CO2气体的驱油特性增加石油采收率，而随着全球气候行动的持续加深与各国碳中和目标的提出，碳减排将成为CCUS 商业模式的主要价值主张。

CCUS 将在实现碳中和目标的过程中扮演重要角色，这构成了CCUS商业模式中价值主张的宏观背景，具体体现在以下三方面：

第一，CCUS 是化石能源零排放利用的必要技术。目前中国的能源结构以化石能源为主，要实现化石能源的零碳化必须使用CCUS 技术；在未来向以可再生能源为主的能源系统过渡过程中，CCUS 技术的应用可以在能源系统深度脱碳的基础上保证其灵活性和可靠性。第二，CCUS 为钢铁、水泥等难减排行业的深度脱碳提供了经济可行方案。在这些难减排行业中，通过工艺改进、能效提升、燃料替代等常规减排方案可以实现碳达峰，但难以达成完全脱碳[27]，CCUS 技术的应用可以弥补这些减排缺口；甚至应用先进技术可以实现工业生产的负碳化，例如通过矿化技术可生产负碳水泥[28]。第三，与生物质耦合或直接空气捕集等负排放技术是实现碳中和目标的重要技术保障。中短期内，CCUS 技术的主要作用是帮助电力部门和重工业中的现有设施脱碳；而在长期，技术应用的重点将逐渐转向负排放技术，通过从大气中去除二氧化碳抵消难以减排的部门的排放，例如与生物质能发电结合的CCUS 技术将作为重要负碳排放技术保障我国碳中和目标实现[29]。从中国实现碳中和目标的减排需求来看，CCUS 技术不可或缺，在2050 年需要通过CCUS 技术实现的减排量约为4～21 亿t/a[30-34]。

从微观上看，在政策规制、市场需求、利益相关方偏好和风险规避等外部驱动力和社会责任感、企业价值观、战略等内部驱动力的综合影响下，企业将产生主动的减排意愿，甚至在具体政策出台之前便提出先于国家碳中和目标的承诺[35]，例如澳洲的大型石油和化工集团桑托斯（Santos）2020 年宣布将在2040 年实现碳中和目标，计划大量采用CCUS 等“飞跃式变革技术”实现净零排放。可以预见，在碳中和这一经济社会系统性变革中，未来企业的脱碳意愿将逐步增强，为CCUS 商业模式中减排价值的传递提供了广阔的空间。

3.3 融资需要关键伙伴支持

目前中国已开展的CCUS 项目的主要资金来源均为企业自有资金投资，个别项目得到了地方政府的资金支持或国内外研发赠款。国际上的CCUS 项目则在融资渠道上更为多样，除企业内部资金以外，项目还得到了公共资金、政府专项财政资金、投资机构投资、气候基金等外部资金支持。表2 总结了国际上典型的CCUS 项目融资渠道及各个融资渠道的优势、劣势。

表2 国际上典型的CCUS项目融资渠道

在中短期，政府和机构的资金支持可为CCUS 的技术发展和商业化部署提供助力，但这部分资金数额有限，私营部门的投资比例在未来需要大幅增加。随激励政策完善、碳价机制成熟、技术发展，以及基础设施集群建设，CCUS 融资风险将逐步下降，融资模式将趋向私人化、多样化、灵活化。

3.4 收入来源具有高度的政策依赖性

CCUS 项目盈利的核心是合理的碳价，碳价的形成可以通过市场或者政策手段，即CO2作为具有利用价值的商品在市场中的价格，或者在碳税或碳市场等政策下形成的碳价。CCUS 项目的盈利方式可以分为碳利用收入、税收政策支持、碳市场政策支持，以及其他政策支持下的收益四大类。其中，碳利用收入是基于二氧化碳作为商品的价值，适用于CCU 项目；后三大类收入依赖CCUS 支持政策的设置，适用于包括地质封存在内的各类CCUS 项目，目前在中国还没有实现，但在国际上已有一些案例。考虑到CCUS全生命周期的碳排放，以及碳中和气候目标所对应的大量封存需求，仅靠碳利用收入不足以驱动大规模的CCUS 商业化发展，必须依靠政策形成合理的碳价并构成CCUS 商业模式中的收入来源。下面将讨论CCUS 已有和潜在的收入来源。

3.4.1 碳利用收入

CO2可以作为商品，通过直接或间接利用发挥作用（图3）。

图3 碳利用方式

据IEA 估算[36]，2015 年全球二氧化碳利用的需求量约为2.3 亿t，其中化肥和油气行业占主导，尿素生产需求约1.3 亿t，CO2-EOR 需求为7000 万～8000 万t，其余需求来自食品饮料制造、金属制造等产业（图4），这些利用途径可以为CCUS项目提供潜在收入来源。目前，全球约33%的二氧化碳需求来自北美，其次是中国（21%）和欧洲（16%）。全球二氧化碳利用需求正在逐年增长，预计到2025 年，年需求量将达到2.7 亿t[37]。需要说明的是，上述估算包含了加工过程中生产和捕获的CO2，这类需求以尿素生产为代表，尿素生产所需的CO2一般通过厂内合成氨的回收过程即可满足。考虑到和CCUS 链条衔接，CO2-EOR 是较有前景的利用方式。

图4 2015年全球CO2利用需求量

在全球31 个商业项目中，有25 个项目以EOR 作为主要盈利方式，这些项目的经济收益与石油价格挂钩，存在不确定性。以美国Petra Nova项目为例，该项目二氧化碳捕集能力为140万t/a，通过管道运输将从燃煤电厂捕集到的二氧化碳输送至132 km 外的West Ranch 油田进行EOR，项目的运营需要60～65 美元/桶的原油价格来实现盈亏平衡。然而在2020 年1—8 月，西得克萨斯中质油的价格平均不到40美元/桶，因此该项目于2020年5月被关停[38]。

除CO2-EOR 外，其他碳利用方式也逐渐被企业采用以创造收益。例如，2018 年投产的芜湖白马山水泥厂的二氧化碳捕集纯化示范项目每年生产5 万t CO2，2020 年，该水泥厂顺利投产干冰生产项目，生产的干冰销往其他省份，实现了二氧化碳的产品转化[39]。不过由于CO2作为商品的销售价格较低、价格波动大，这一项目很难实现稳定盈利。未来，随碳捕集与提纯的技术进步、成本下降，以及碳利用市场的扩展，多样的碳利用方式将为企业提供更为广阔的盈利空间。但是这类项目的CO2减排效益因利用方式及最终去向不同而存在较大的不同，进而存在较大的不确定性。

3.4.2 税收政策支持

税收优惠是目前国际上较典型的CCUS 激励政策，以美国的45Q 政策为代表。2020 年美国运营中的CCUS 项目共有38 个，碳捕集量超过3000 万t，其中约半数的项目不再依赖碳利用得到收益，这主要得益于美国的45Q 税收抵免政策。该政策最初颁布于2010 年，2018 年进行修订，进一步提高了补贴力度[41]，政策的详情如表3 所示。

除了通过直接的税收抵免为CCUS 项目提供激励以外，也可以通过设置碳税为CCUS 项目提供间接收益。在全球正在运行中的31 个CCUS 商业化项目中，挪威的Snøhvit 和Sleipner 项目受到了碳税政策的激励，这两个项目均应用于近海天然气开发。如果不进行碳捕集，让产生的二氧化碳排放到大气中，企业将面临约100 万挪威克朗/天的二氧化碳税款。挪威自1991 年起对石油、天然气、矿物油、焦炭企业征收碳税，2021 年挪威政府发布白皮书，宣布将在2030 年前逐步提高碳税率，从目前每吨二氧化碳当量约590挪威克朗的水平提高到2030 年的2000 挪威克朗[41]，这将为当地的CCUS 部署进一步提供经济激励。

3.4.3 碳市场政策支持

将CCUS 项目纳入碳市场机制也可以使企业获取收益，一种是允许已纳入碳市场的重点排放主体直接用其捕集量抵消排放配额，另一种是将CCUS 项目纳入自愿减排交易，允许其作为抵消机制组成部分用于抵消排放配额。目前国际上将CCUS 项目纳入碳市场的案例都属于后者，包括联合国清洁发展机制、美国碳注册登记系统和加拿大阿尔伯塔省碳排放抵消体系，三个机制下CCUS 项目签发CER 数量分别达到20 t、2419.2 t 和515.2 t CO2当量，三个机制的2019 年交易价格均价分别为0.3 美元/t、3 美元/t和16 美元/t[42]。

中国全国碳排放权交易市场已于2021 年7 月启动，国内碳市场的核证减排制度（Chinese Certified Emission Reduction，CCER）也已建立。不过若中国将CCUS 纳入碳市场，还需要考虑诸多问题，例如，CCUS 项目实际减排量核算问题、核算减排量的双重计算问题、激励政策不明朗问题，以及CCUS 项目特有的长期监测责任归属问题等[42]。

3.4.4 其他政策支持

除上述几种典型的CCUS 盈利方式以外，还存在一些可能的政策方向可以为CCUS 项目提供收入，例如英国商业、能源和工业部提出了多种为CCUS 项目提供直接收益的政策[43]，包括：

（1）差 价 合 约（contract for difference，CfD）。CfD 是一种碳市场背景下的价格保证机制，由政府和企业签订，合约的执行价以安装和运行碳捕集设施的成本为基础，执行价在合约的期限内保持不变，政府补偿执行价与市场价之间的价差。如果市场碳价超过执行价，则投资方有义务向政府退还差额。此机制可以作为碳市场的补充，在碳价较低或价格不确定性较大的情况下，保证CCUS 项目的稳定收益，为投资者移除碳市场碳价波动带来的风险。

（2）可交易的CCUS 证书。这种模式为每吨二氧化碳捕获量发放可自由交易的证书。未完成CCUS 要求量的市场主体，或是践行绿色环保理念的企业可以购买此证书。政府可以为证书价值设置底价，为排放方提供更多的经济收益确定性。这种机制本质是专门为CCUS 行业设立的碳市场，现在还仅是一个概念设想，在CCUS 行业发展逐渐成熟时也许会成为一种政策可能。

（3）成本加成合约（cost plus contract）。在成本加成合约下，政府直接补偿所有运营成本，并以议定的利润回报给投资方。合约还可以包括激励效率的条款，例如如果投资方可以推动成本降低，则可以提高对投资方的回报率。这一模式使政府承担了大部分风险和成本，适用于早期项目或具有特殊战略价值的项目。

3.5 面临多重挑战

分模块来看，CCUS 商业模式中的企业侧、客户侧、价值主张以及财务都面临多重挑战。

3.5.1 企业侧

捕集环节的成本和能耗是企业开展CCUS 的重要瓶颈之一，当前第一代碳捕集技术成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验，而第二代技术尚处于实验室研发或小试阶段[5]。另外，CCUS 项目往往涉及捕集设施与原排放设施的集成，CCUS 改造或集成可能影响企业或工厂原本的运营及产品质量。运输与封存基础设施规模大、建设成本高，CO2长期封存的责任也构成了企业的沉重负担，且中国地质条件复杂，地质勘探工作较为薄弱，对CO2地质封存的信息支持不够，增加了投资与经营的风险[44]。从流程链条来看，CCUS 涉及多个环节，任一环节的延期或损坏都会影响其上下游的环节，这一风险在英国政府关于CCUS 商业模式的报告中被多次提到，也被视为阻碍CCUS 商业化的重要挑战[43]。

3.5.2 客户侧

在碳中和愿景和“双碳”政策约束下，行业企业具有强烈的减排意愿，但目前对CCUS的技术成熟度、经济性、安全性等仍存在迟疑，不愿承担开展CCUS的多方面风险。中国现有的CCUS 项目以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主，在工业部门应用较少，并且缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范，现阶段CCUS 目标客户群体有限。

3.5.3 价值主张

宏观来看，在碳中和排放路径中，由于关键技术突破、技术经济性等因素的影响，以CCUS 技术为代表的负排放技术部署规模存在一定不确定性[45]。CCUS 技术成熟度不足且成本高昂，在减排成本曲线中往往处于最右侧[11]，可能在未来众多脱碳技术的竞争中处于落后地位，其价值主张的前景存在不确定性。另外，CCUS 技术可能对局地环境造成负面影响且社会接受度较低[46]，中国公众整体上对CCUS 技术缺乏了解[47,48]，尚未形成支持CCUS 大规模发展的社会和市场环境。

3.5.4 财务

CCUS 项目的投资和运营成本高昂，并且目前中国还没有形成大规模的CO2利用需求，已启动的碳市场碳价不确定性较大，且政策支持与标准规范体系尚不完善，对CCUS 技术的政策支持主要集中在研发领域，缺乏补贴、税收、投资、贷款等方面的政策支持。总体上，CCUS 商业模式现阶段处于高成本、高风险、低收入的状态，亟须科技创新、政策保障、金融激励等方面的支持。

4 结论与建议

目前CCUS 技术在中国尚处于工业示范阶段，且示范项目规模较小，面临技术、资金、政策等方面的诸多挑战。在2060 年碳中和目标的要求与目前CCUS发展现状背景下，迫切需要建立合理的商业模式，推进CCUS 技术的广泛部署。

本文通过对国际CCUS 商业化项目的梳理和基于BMC 框架的商业模式分析，发现获取技术、资金等关键资源的高难度使得CCUS 商业化推进迟缓。碳中和目标催生了碳减排的迫切需求，从而形成了CCUS商业模式的重要价值主张。CCUS 融资需要关键伙伴支持，在中短期政府和机构的资金支持是CCUS 融资的主要来源，但这部分资金数额有限；随激励政策完善、碳价机制成熟、技术发展，以及基础设施集群建设，CCUS 融资模式将趋向私人化、多样化、灵活化。收入来源方面，CCUS 项目盈利的核心是合理的碳价，具有高度的政策依赖性；未来，随着CO2利用需求的扩大和政策体系完善，CCUS 项目将获得更稳定的收益。在挑战与障碍方面，CCUS 的商业化面临来自企业侧、价值主张、客户侧、财务四个方面的挑战，需要依靠技术进步、政策引导、法律法规体系构建等多方面努力来逐渐移除。

基于对CCUS 商业模式的分析，本文提出以下推动CCUS 商业化部署的建议：

（1）推动技术研发。针对CCUS 各环节开展关键技术研发攻关，驱动技术的能耗和成本下降。重视CCUS 技术知识产权保护，加强国际合作与技术转移，在已有的国际合作框架下积极围绕CCUS 技术开展多边合作。

（2）完善政策体系。充分考虑碳中和目标下的减排需求，研判重点行业的CCUS 减排潜力以及空间布局。探索制定符合中国国情的CCUS 税收优惠和补贴激励政策，形成投融资增加和成本降低的良性循环；完善优化法律法规体系，明确CCUS 全流程各利益相关方责任，降低CCUS 商业风险。

（3）布局基础设施。积极规划布局CCUS 基础设施，优化基础设施管理方式，通过建设管网和封存基础设施的共享网络，降低投资的成本和风险。

（4）促进集群建设。突破CCUS 全链条集成优化的关键技术瓶颈，在源汇匹配条件好的地区推进大规模、全链条示范项目。推动CCUS 技术与重点排放行业的耦合集成，促进CCUS集群建设，提升规模效应。