国际碳捕集、利用与封存科技战略与科技发展态势分析

李娜娜，赵晏强，秦阿宁，陈伟，李霞颖

（1.中国科学院武汉文献情报中心科技大数据湖北省重点实验室，湖北 武汉 430071；2.中国科学院文献情报中心，北京 100190；3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071）

碳捕集、利用与封存（carbon capture,utilization and storage，CCUS）技术是将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接进行利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程[1]，是碳捕集与封存（carbon capture and storage，CCS）技术的升级，更是应对全球气候变暖的关键技术之一。2016 年11 月，CCUS 被纳入“创新使命（MI）”七大创新挑战之一[2]。2019 年，二十国集团（G20）能源与环境部长级会议首次将CCUS 技术纳入议题。国际能源署（IEA）指出[3]，要实现2070 年全球净零排放，CCUS在2020—2070 年的累计减排量约占15%。根据预测，CCUS 占2040 年全球所需累计减排量的7%，2070 年CCUS 的使用将实现15%以上的累积减排量。在国际可再生能源机构（IRENA）深度脱碳情景下，2050 年CCUS 将贡献约6%年减排量，即27.9 亿t/a[1]。据估计，全球CO2理论封存容量为8 000～55 000 Gt[4]。其中，陆上封存容量为6 000～42 000 Gt，海底封存容量为2 000～13 000 Gt。即使全球CO2封存容量的最低估计为8 000 Gt，也远超可持续发展情景中2020—2070 年间封存的CO2量（220 Gt）[3]。由于其巨大的减排潜力，CCUS 作为实现碳中和的兜底技术，受到世界各国广泛重视。

2020 年，习近平总书记在第75 届联合国大会上提出中国CO2排放力争于2030 年前达峰，努力争取2060 年前实现碳中和。从实现碳中和目标的减排需求来看，中国亟需推广部署CCUS 技术。近年来，全球主要国家/地区积极制定新战略、新计划，前瞻布局规划，强化科技创新，加快布局CCUS 技术创新，发布一系列CCUS 相关的规划、计划和战略研究报告。本文基于美国、欧盟、加拿大等发达国家/地区CCUS 战略规划分析，对CCUS 科技发展态势进行分析，总结CCUS 领域研究热点，对我国CCUS 发展提出对策建议。

1 国际CCUS 领域发展现状

近年来，CCUS 领域发展取得重大突破，CCUS过程链各环节取得重要进展，CCUS 项目和网络数量不断增长。《全球碳捕集与封存现状2021》[4]报告显示：全球共有135 个商业CCS 设施（27 个正在运行、2 个暂停运行、4 个在建、58 个处于高级开发阶段、44 个处于早期开发阶段）；仅过去1 年，全球碳封存能力就增加了32%。

世界多国/地区积极部署CCUS 示范项目建设，CCUS 示范工程建设不断推进。据统计，仅2021 年前9 个月，新增CCUS 项目71个[5]。欧盟委员会通过了“欧洲地平线”2021—2022 年主要工作计划[6]，明确了未来2 年的研发目标和具体主题，其中在CCUS 领域，计划将CCUS 集成至枢纽或集群。2021 年4 月，澳大利亚政府宣布投资2.637 亿澳元用于支持CCS/CCUS 项目和枢纽的发展[7]。9 月，澳大利亚政府启动2.5 亿澳元的CCUS 中心和技术计划，以大规模部署CCUS[8]。韩国科学技术信息通信部提出韩国《碳中和技术创新推进战略》[9]，指出应通过新材料开发、效率提高和大规模化等措施降低捕集成本，并且促进CO2存储和转化利用，以加速CCUS 大规模示范和商业化。我国CCUS 示范项目的建设也取得重要进展。2021 年1 月，山西大唐国际云冈热电有限责任公司建设的世界首个煤电CO2捕集及资源化利用全产业链生产线进入试生产[10]。2021 年7 月开建的我国首个百万吨级CCUS项目[11]——齐鲁石化-胜利油田CCUS项目已全面建成。这是目前国内最大的CCUS 全产业链示范基地，对于我国推进CCUS 规模化发展具有重要意义。

2021 年，全球CCUS 相关技术不断实现突破创新。世界上第1 个跨学科的CO2研究中心[12]成立，旨在结合化学、生命科学和系统分析等科学领域，开发高效捕集、存储和回收CO2的先进技术，重点研究利用微生物和电化学将CO2转化为燃料和塑料；直接空气捕集（direct air capture，DAC）技术研究取得重大突破，全球最大的DAC 设施上线[13]，全球首个船载CO2捕集装置完成安装[14]，大规模CO2液化船舶运输技术研发和示范项目启动[15-16]；CO2低温电解转化技术[17]、CO2高附加值化学品转化[18-23]、CO2矿物转化及固定和利用[24-25]等方面的研究不断推陈出新；碳封存场地评估、安全监测研究不断深入。2021 年，海上碳封存项目、计划[26-28]不断推进，场地评估[29-30]、封存潜力估算[31]取得重要进展，新型监测技术[32-33]不断涌现。

2 主要国家/地区CCUS 重要战略规划

近年来，CCUS 受到世界主要国家/地区的广泛关注，美国、欧盟、英国、加拿大、日本等纷纷发布相关战略规划，推进CCUS 的顺利实施，并加速布局CCUS 项目，全球CCUS 进入快速增长期。主要国家/地区CCUS 战略规划见表1。

表1 主要国家/地区CCUS 战略规划Tab.1 CCUS strategic planning of major countries/regions

2.1 美国

美国作为CCUS 技术的推动者和引领者，自1972 年在得克萨斯州建立全球第1 个CCS 设施，开展了CCUS 领域技术的全面研究。经过多年积累与发展，在示范项目基础上，CCUS 技术取得长远发展，形成相对成熟的CCUS 技术，在CCUS 战略规划、资金投入等方面一直处于全球领先地位。除发布相关战略规划推动外，2021 年，美国能源部密集发布CCUS 领域项目资助计划[34-37]，为变革性碳捕集研发、DAC 新技术和点源CCS 技术提供研发支持。

2.2 欧盟

欧盟将CCUS 视为关键工业部门脱碳的优先领域。欧盟委员会2021 年6 月通过了“地平线欧洲”2021—2022 年主要工作计划[47]。CCUS 领域拟资助主题包括：将CCUS 集成至工业枢纽或集群；通过新技术或改进技术降低碳捕集成本；通过CCUS进行工业脱碳；直接空气碳捕集和转化。同年10 月，欧盟启动PyroCO2创新项目[48]，预算4 400 万欧元，为期5 年，最终目标是建设运营一个每年能够捕集10 000 t 工业CO2的设施，并将其用于生产化学品。此外，欧盟把CCUS 作为绿色制氢的关键技术[49]，目前这2 种技术处于初始发展阶段[50]。其中，欧洲CCS 清洁氢气倡议正在计划和可行性研究阶段，荷兰开展了CCUS 与低碳氢结合的探索。

2.3 英国

英国注重工业领域的脱碳研究，提出相应的计划、资助和技术指南。2020 年2 月，英国商业、能源与工业战略部（BEIS）[51]宣布为“碳捕集、利用与封存创新”计划（CCUS Innovation）提供2 400 万英镑资金，支持英国和北海海盆未来的工业脱碳，建立世界一流CCUS 基础设施，以捕集工业碳排放并将其存储在利物浦湾天然气田中，实现CCUS 的大规模部署，将革命性的Allam-Fetvedt 电力循环技术引入英国。7 月，英国政府宣布总额为3.5 亿英镑的一揽子资助方案[52]，支持重工业、建筑、航天和交通运输部门脱碳的绿色技术研发。其中提出将投入1.39 亿英镑，支持从天然气过渡到清洁氢能技术的开发以及扩大CCS 规模，以减少重工业碳排放。2021 年3 月，英国国家研究与创新署（UKRI）宣布在“工业战略挑战基金”（ISCF）支持下，通过“工业脱碳挑战”计划向9 个项目投入1.71 亿英镑[53]，旨在通过技术开发与部署，使至少1 个英国工业集群到2030 年实现大幅减排，以支持英国到2050 年实现碳中和。此次资助包括3 个海上CCUS 项目以及6 个陆上碳捕集或氢燃料转换项目，上述项目将在英国最大的工业集群中进行部署和推广。5 月，英国宣布将投资1.66 亿英镑支持绿色技术研究[54]，包括开发碳捕集、温室气体去除和氢能技术，同时还将帮助英国污染行业（包括制造业、钢铁、能源和废物）寻找脱碳解决方案。

2.4 加拿大

加拿大重视CCUS 全流程工业化实践应用。2014 年加拿大萨斯喀电力公司在边界坝3 号燃煤发电机组改造项目基础上，建成了全球首座CCUS一体化项目，证实了CCUS 商业化运营的可行性[55]。目前，加拿大的Weyburn 项目是世界上最大、最成功的CCUS-提高采收率（enhanced oil recovery，EOR）示范项目。加拿大2021 年计划7 年内向其自然资源部提供3.19 亿加元的资金支持研究、开发和示范，提高CCUS 的商业可行性技术[56]。2021 年12 月，自然资源部宣布启动“能源创新计划”招标，以支持低碳燃料技术研发与示范，促进工业领域的碳减排[57]。加拿大政府计划在2030 年前为至少2 个新的大规模碳捕集项目提供资金支持，大约12家石油和天然气公司正在争取在艾伯塔省进行CO2地质封存的权利。据加拿大自然资源部CCUS 战略草案，2 个碳存储中心将在2030 年之前开建[58]。

2.5 日本

日本重视碳的循环利用研究，将CCUS 技术视为日本实现脱碳社会目标的关键技术，并制定了相关的CCS/CCUS 研究规划与路线图，开展相关技术理论、试验和示范研究。2022 年1 月，日本经济产业省分别制定“CO2等燃料制造技术”和“CO2分离回收技术”项目研发计划[59]，并提供1 152.8 亿日元的资金支持。日本经济产业省下辖的日本新能源和工业技术发展组织（NEDO）不断推进CCUS技术，将在“碳循环、下一代火力发电等技术开发”框架下[60]，2021—2025 年间投资130 亿日元用于支持CO2循环利用技术的发展；并计划在“绿色创新基金”框架下投资550 亿日元用于支持“使用CO2的混凝土和水泥制造技术开发”项目[61]。

3 CCUS 研究热点及发展趋势分析

3.1 碳捕集

碳捕集主要分为燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集[1]，是CCUS 技术发展中的研究重点之一[62]。碳捕集是CCUS 技术全流程中成本最高的部分，通常占CCUS 成本的75%，从15～25 美元/t 到超过120 美元/t 不等，具体取决于CO2的应用和浓度[3]。在可持续发展情景下[3]，2070 年美国CO2捕集量将达到1 200 Mt 左右，其中95%以上被永久封存。欧洲CO2捕集量预计将在2030 年增至约35 Mt，2050 年增至350 Mt，2070 年超过700 Mt。中国CO2捕集量2030 年达到0.4 Gt，约占全球总量的一半，到2070 年超过2 Gt。碳捕集量的增长决定了捕集技术的突破将是该领域的研究重点。碳捕集技术发展的关键是降低成本和能耗。目前，第1 代碳捕集技术渐趋成熟，但成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验；第2 代碳捕集技术尚处于实验室研发或小试阶段[1]。碳捕集的研究将聚焦于低能耗低成本功能性捕集原理，高效低能耗碳捕集材料，碳捕集与能源、工业等领域系统的集成耦合等关键问题。化学链捕集技术、新型膜分离技术、新型吸收/吸附技术、第2 代碳捕集技术[63]、先进化学吸附法[3]、增压富氧燃烧技术、Allam 循环[64]、CO2源头低能耗捕集、燃烧后CO2捕集系统与化工转化利用装置结合在碳密集型行业的规模应用将是未来的重要发展趋势。

3.2 碳运输

碳运输作为CCUS 技术发展中的重要一环，对于大规模CCUS 项目的实施至关重要。CO2运输主要采用管道、船舶、铁路/公路等多种运输方式。目前，国内CO2主要采用罐车进行短距离运输，全球范围内CO2管道运输作为一项成熟技术正在商业化应用[65]。据IEA 预测，到2050 年CO2管道长度将达到95 000～550 000 km。IEA 发布的《全球能源行业2050 年净零排放路线图》指出，2030 年之后将开始推广CCUS 技术，将对CO2输送管道和制氢基础设施的年度投资额从现在的10 亿美元增加到2030 年的400 亿美元。CO2管道运输是未来大规模示范项目的主要输送方式。运输管道通常在高压状态下进行输送，且大规模、长距离的管道存在机械损伤、土壤侵蚀、材料缺陷和人为破坏等复杂工况，难免发生泄漏事故，会对人群健康和生态环境造成不良影响[66]。CO2运输方面研究应重点关注CO2净化、压缩、液化，运输安全性评价，运输管道自动化运维等关键问题。其中，管道安全控制体系、管网的智能化管理、CO2与天然气“集中利用+CCUS”的近零排放商业模式将成为重要的发展趋势。

3.3 碳转化利用

CO2再利用技术研发是CCUS 领域的重要研究方向之一。全球CO2消耗量约为230 Mt/a，并有望在未来稳步增长。IEA 对CO2使用潜力预测表明，化学品和建筑材料的CO2使用量可以达到5 Gt/a，合成烃燃料的CO2使用量则更高[67]。化工利用、生物利用、物理应用等都是CCUS 关注的重要领域。碳转化利用将聚焦CO2转化制燃料和化学品，CO2生物转化利用和CO2矿物转化、固定和利用的研究。当前，CO2生物利用技术总体处于初期发展阶段，化工利用技术取得显著发展。将CO2纳入工业体系，作为基础原料进行化工产品生产，开展CO2转化利用与环保产业协同发展，推进工业固废矿化CO2联产化工产品，可以实现CO2大幅减排，有望加速化工行业的绿色化。其中，CO2转化制燃料和化学品将重点研究热化学转化、电化学转化、光/光电化学转化等关键问题；CO2生物转化利用将重点研究CO2生物转化为多碳化学品和生物燃料，固、液、气三相生物过程调控等关键问题；CO2矿物转化、固定和利用将重点研究CO2矿物活化等关键问题。定向转化合成有机含氧化学品/油品新工艺，高附加值碳基新材料转化制造，高效光/电解水与CO2还原耦合的光/电能和化学能循环利用，工业固废矿化CO2联产化工产品等是碳转化利用研究重要的发展趋势。

3.4 碳地质利用与封存

碳地质封存将CO2封存在油气藏、盐沼地、煤井等特殊地质中，实现与大气的长期隔绝。全球不同地区的碳封存容量差异很大。根据预测，中国的地质封存潜力约为403～2 830 Gt，俄罗斯的地质封存潜力约为1 234～8 673 Gt，美国的地质封存潜力约为812～5 708 Gt，欧洲地区的地质封存潜力约为302～2 120 Gt，澳大利亚及新西兰地区的地质封存潜力约为595～4 184 Gt[4]。据统计，全球目前废弃的油气田可以封存CO2约923 Gt，与全球燃烧化石燃料的发电厂排放的CO2质量相当[68]。由于CO2物化性质优越，被广泛用于能源资源开发利用，例如CO2-EOR、CO2驱替煤层气（CO2-enhanced coalbed methane，CO2-ECBM）、CO2驱水（CO2-enhanced water recovery，CO2-EWR）、CO2驱天然气（CO2-enhanced natural gas recovery，CO2-EGR）等。随着各国加强对碳排放的管控、碳税和碳价的上涨，采用CO2进行规模化驱替应用，会使CCUS 成本显著降低，具有广阔的应用前景。CO2地质利用与封存方面重点研究CO2驱替资源开采，CO2-水-岩作用定向干预及封存性能强化，强非均质场地表征、建模及封存模拟，地质封存监测控制和环境影响预测等关键问题。CO2驱替页岩气、天然气水合物、干热岩、煤层气等资源，深海封存和矿化封存，结合人工智能/机器学习的智能监测技术，CCUS 全流程/全阶段技术评估等将是未来重要的发展趋势。另外，由于CCUS 项目存在泄漏风险，可能会引起土壤酸化。为了控制泄漏风险，应该加强对封存地质构造的研究，从选址、封存措施、监控手段等方面加强风险控制。

4 对策与建议

目前，我国能源消费结构仍以化石能源为主，有效实现温室气体减排目标，离不开CCUS 技术的配合与支持。目前，CCUS 技术作为我国应对气候变化必不可少的技术手段，总体还处于研发和示范的初级阶段，面临政策、资金、技术等众多挑战。针对我国CCUS 发展现状，提出以下建议：

1）加快构建CCUS 政策支持体系

加强国家层面的CCUS 战略顶层设计的有序部署。当前，国内双碳“1+N”顶层设计已出炉，相关部门和单位加快研究制定CCUS 领域的战略部署和工作实施方案，各行业各地区制定具体行动计划，完善法律法规框架，尽快形成CCUS 的政策体系，制定科学合理的建设运营标准体系，为双碳“1+N”政策体系进行有效补充。

2）加大财政投入和金融支持

CCUS 技术的发展离不开财政和金融的有力支持。发挥社会主义市场经济体制优势，一方面，加大政府对科研创新资金稳定支持力度；另一方面，积极引导金融企业等的加入，拓宽融资渠道、开创融资新模式，助力CCUS 发展。

3）深化CCUS 发展产业规划与产学研合作

科学规划CCUS 上下游产业链发展，完善CCUS 产业规划体系。把全国相关力量集中起来，鼓励国有企业在CCUS 研发建设中提出需求、发挥领头羊作用，科研机构/高校积极承担攻坚任务，实现“卡脖子”技术的突破，有序、平衡推进CCUS各环节发展，为产业落地提供有效支撑。

4）积极开展CCUS 关键技术攻关

紧密监测国际CCUS 先进技术，准确把握前沿技术方向，科研人员充分发挥示范引领作用，开展科技攻关，推动CCUS 关键技术研发和产学研深度融合，实现关键技术突破，打造产业自主创新新动能，实现自主知识产权，形成强大的国际竞争力。

5）打造大规模CCUS 产业集群

结合当地自然条件、产业分布及基础设施配置，基于技术的局限性，进行合理规划设计和适当的源汇匹配，开展以CO2驱替页岩气、天然气水合物和干热岩地热等的大规模全流程CCUS 示范项目，强化CO2转化利用研究，提高CCUS 项目的经济性。开展CCUS 集群建设，建设CCUS 大型枢纽，实现管网和封存基础设施的共享利用，降低CCUS 成本，提升规模效应。

6）加快科技创新支撑体系

布局面向CCUS 重大科技需求的科技创新体系，设立重点实验室、技术创新中心、CCUS 交叉学科研究中心等，开展协同创新研究，有序推进CCUS 重大项目研发布局，推动前沿技术、颠覆性技术的重点突破，提升原始创新能力。

7）强化相关学科方向布局

从我国CCUS 领域长期发展战略角度出发，加强对CCUS 科研力量与资源投入的长期规划部署，优化科研任务部署，建立有序推进的CCUS 科技体系。基于对国际CCUS 科技目标的系统分析，聚焦CCUS 领域的无人区、空白区等，加强力量部署，努力实现国际引领。