國際碳捕集、利用與封存科技戰略與科技發展態勢分析

李娜娜，趙晏強，秦阿寧，陳偉，李霞穎

（1.中國科學院武漢文獻情報中心科技大數據湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.中國科學院文獻情報中心，北京 100190；3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071）

碳捕集、利用與封存（carbon capture,utilization and storage，CCUS）技術是將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，直接進行利用或注入地層以實現CO2永久減排的過程[1]，是碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）技術的升級，更是應對全球氣候變暖的關鍵技術之一。2016 年11 月，CCUS 被納入“創新使命（MI）”七大創新挑戰之一[2]。2019 年，二十國集團（G20）能源與環境部長級會議首次將CCUS 技術納入議題。國際能源署（IEA）指出[3]，要實現2070 年全球凈零排放，CCUS在2020—2070 年的累計減排量約占15%。根據預測，CCUS 占2040 年全球所需累計減排量的7%，2070 年CCUS 的使用將實現15%以上的累積減排量。在國際可再生能源機構（IRENA）深度脫碳情景下，2050 年CCUS 將貢獻約6%年減排量，即27.9 億t/a[1]。據估計，全球CO2理論封存容量為8 000～55 000 Gt[4]。其中，陸上封存容量為6 000～42 000 Gt，海底封存容量為2 000～13 000 Gt。即使全球CO2封存容量的最低估計為8 000 Gt，也遠超可持續發展情景中2020—2070 年間封存的CO2量（220 Gt）[3]。由于其巨大的減排潛力，CCUS 作為實現碳中和的兜底技術，受到世界各國廣泛重視。

2020 年，習近平總書記在第75 屆聯合國大會上提出中國CO2排放力爭于2030 年前達峰，努力爭取2060 年前實現碳中和。從實現碳中和目標的減排需求來看，中國亟需推廣部署CCUS 技術。近年來，全球主要國家/地區積極制定新戰略、新計劃，前瞻布局規劃，強化科技創新，加快布局CCUS 技術創新，發布一系列CCUS 相關的規劃、計劃和戰略研究報告。本文基于美國、歐盟、加拿大等發達國家/地區CCUS 戰略規劃分析，對CCUS 科技發展態勢進行分析，總結CCUS 領域研究熱點，對我國CCUS 發展提出對策建議。

1 國際CCUS 領域發展現狀

近年來，CCUS 領域發展取得重大突破，CCUS過程鏈各環節取得重要進展，CCUS 項目和網絡數量不斷增長?！度蛱疾都c封存現狀2021》[4]報告顯示：全球共有135 個商業CCS 設施（27 個正在運行、2 個暫停運行、4 個在建、58 個處于高級開發階段、44 個處于早期開發階段）；僅過去1 年，全球碳封存能力就增加了32%。

世界多國/地區積極部署CCUS 示范項目建設，CCUS 示范工程建設不斷推進。據統計，僅2021 年前9 個月，新增CCUS 項目71個[5]。歐盟委員會通過了“歐洲地平線”2021—2022 年主要工作計劃[6]，明確了未來2 年的研發目標和具體主題，其中在CCUS 領域，計劃將CCUS 集成至樞紐或集群。2021 年4 月，澳大利亞政府宣布投資2.637 億澳元用于支持CCS/CCUS 項目和樞紐的發展[7]。9 月，澳大利亞政府啟動2.5 億澳元的CCUS 中心和技術計劃，以大規模部署CCUS[8]。韓國科學技術信息通信部提出韓國《碳中和技術創新推進戰略》[9]，指出應通過新材料開發、效率提高和大規?；却胧┙档筒都杀?，并且促進CO2存儲和轉化利用，以加速CCUS 大規模示范和商業化。我國CCUS 示范項目的建設也取得重要進展。2021 年1 月，山西大唐國際云岡熱電有限責任公司建設的世界首個煤電CO2捕集及資源化利用全產業鏈生產線進入試生產[10]。2021 年7 月開建的我國首個百萬噸級CCUS項目[11]——齊魯石化-勝利油田CCUS項目已全面建成。這是目前國內最大的CCUS 全產業鏈示范基地，對于我國推進CCUS 規?；l展具有重要意義。

2021 年，全球CCUS 相關技術不斷實現突破創新。世界上第1 個跨學科的CO2研究中心[12]成立，旨在結合化學、生命科學和系統分析等科學領域，開發高效捕集、存儲和回收CO2的先進技術，重點研究利用微生物和電化學將CO2轉化為燃料和塑料；直接空氣捕集（direct air capture，DAC）技術研究取得重大突破，全球最大的DAC 設施上線[13]，全球首個船載CO2捕集裝置完成安裝[14]，大規模CO2液化船舶運輸技術研發和示范項目啟動[15-16]；CO2低溫電解轉化技術[17]、CO2高附加值化學品轉化[18-23]、CO2礦物轉化及固定和利用[24-25]等方面的研究不斷推陳出新；碳封存場地評估、安全監測研究不斷深入。2021 年，海上碳封存項目、計劃[26-28]不斷推進，場地評估[29-30]、封存潛力估算[31]取得重要進展，新型監測技術[32-33]不斷涌現。

2 主要國家/地區CCUS 重要戰略規劃

近年來，CCUS 受到世界主要國家/地區的廣泛關注，美國、歐盟、英國、加拿大、日本等紛紛發布相關戰略規劃，推進CCUS 的順利實施，并加速布局CCUS 項目，全球CCUS 進入快速增長期。主要國家/地區CCUS 戰略規劃見表1。

表1 主要國家/地區CCUS 戰略規劃Tab.1 CCUS strategic planning of major countries/regions

2.1 美國

美國作為CCUS 技術的推動者和引領者，自1972 年在得克薩斯州建立全球第1 個CCS 設施，開展了CCUS 領域技術的全面研究。經過多年積累與發展，在示范項目基礎上，CCUS 技術取得長遠發展，形成相對成熟的CCUS 技術，在CCUS 戰略規劃、資金投入等方面一直處于全球領先地位。除發布相關戰略規劃推動外，2021 年，美國能源部密集發布CCUS 領域項目資助計劃[34-37]，為變革性碳捕集研發、DAC 新技術和點源CCS 技術提供研發支持。

2.2 歐盟

歐盟將CCUS 視為關鍵工業部門脫碳的優先領域。歐盟委員會2021 年6 月通過了“地平線歐洲”2021—2022 年主要工作計劃[47]。CCUS 領域擬資助主題包括：將CCUS 集成至工業樞紐或集群；通過新技術或改進技術降低碳捕集成本；通過CCUS進行工業脫碳；直接空氣碳捕集和轉化。同年10 月，歐盟啟動PyroCO2創新項目[48]，預算4 400 萬歐元，為期5 年，最終目標是建設運營一個每年能夠捕集10 000 t 工業CO2的設施，并將其用于生產化學品。此外，歐盟把CCUS 作為綠色制氫的關鍵技術[49]，目前這2 種技術處于初始發展階段[50]。其中，歐洲CCS 清潔氫氣倡議正在計劃和可行性研究階段，荷蘭開展了CCUS 與低碳氫結合的探索。

2.3 英國

英國注重工業領域的脫碳研究，提出相應的計劃、資助和技術指南。2020 年2 月，英國商業、能源與工業戰略部（BEIS）[51]宣布為“碳捕集、利用與封存創新”計劃（CCUS Innovation）提供2 400 萬英鎊資金，支持英國和北海海盆未來的工業脫碳，建立世界一流CCUS 基礎設施，以捕集工業碳排放并將其存儲在利物浦灣天然氣田中，實現CCUS 的大規模部署，將革命性的Allam-Fetvedt 電力循環技術引入英國。7 月，英國政府宣布總額為3.5 億英鎊的一攬子資助方案[52]，支持重工業、建筑、航天和交通運輸部門脫碳的綠色技術研發。其中提出將投入1.39 億英鎊，支持從天然氣過渡到清潔氫能技術的開發以及擴大CCS 規模，以減少重工業碳排放。2021 年3 月，英國國家研究與創新署（UKRI）宣布在“工業戰略挑戰基金”（ISCF）支持下，通過“工業脫碳挑戰”計劃向9 個項目投入1.71 億英鎊[53]，旨在通過技術開發與部署，使至少1 個英國工業集群到2030 年實現大幅減排，以支持英國到2050 年實現碳中和。此次資助包括3 個海上CCUS 項目以及6 個陸上碳捕集或氫燃料轉換項目，上述項目將在英國最大的工業集群中進行部署和推廣。5 月，英國宣布將投資1.66 億英鎊支持綠色技術研究[54]，包括開發碳捕集、溫室氣體去除和氫能技術，同時還將幫助英國污染行業（包括制造業、鋼鐵、能源和廢物）尋找脫碳解決方案。

2.4 加拿大

加拿大重視CCUS 全流程工業化實踐應用。2014 年加拿大薩斯喀電力公司在邊界壩3 號燃煤發電機組改造項目基礎上，建成了全球首座CCUS一體化項目，證實了CCUS 商業化運營的可行性[55]。目前，加拿大的Weyburn 項目是世界上最大、最成功的CCUS-提高采收率（enhanced oil recovery，EOR）示范項目。加拿大2021 年計劃7 年內向其自然資源部提供3.19 億加元的資金支持研究、開發和示范，提高CCUS 的商業可行性技術[56]。2021 年12 月，自然資源部宣布啟動“能源創新計劃”招標，以支持低碳燃料技術研發與示范，促進工業領域的碳減排[57]。加拿大政府計劃在2030 年前為至少2 個新的大規模碳捕集項目提供資金支持，大約12家石油和天然氣公司正在爭取在艾伯塔省進行CO2地質封存的權利。據加拿大自然資源部CCUS 戰略草案，2 個碳存儲中心將在2030 年之前開建[58]。

2.5 日本

日本重視碳的循環利用研究，將CCUS 技術視為日本實現脫碳社會目標的關鍵技術，并制定了相關的CCS/CCUS 研究規劃與路線圖，開展相關技術理論、試驗和示范研究。2022 年1 月，日本經濟產業省分別制定“CO2等燃料制造技術”和“CO2分離回收技術”項目研發計劃[59]，并提供1 152.8 億日元的資金支持。日本經濟產業省下轄的日本新能源和工業技術發展組織（NEDO）不斷推進CCUS技術，將在“碳循環、下一代火力發電等技術開發”框架下[60]，2021—2025 年間投資130 億日元用于支持CO2循環利用技術的發展；并計劃在“綠色創新基金”框架下投資550 億日元用于支持“使用CO2的混凝土和水泥制造技術開發”項目[61]。

3 CCUS 研究熱點及發展趨勢分析

3.1 碳捕集

碳捕集主要分為燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集[1]，是CCUS 技術發展中的研究重點之一[62]。碳捕集是CCUS 技術全流程中成本最高的部分，通常占CCUS 成本的75%，從15～25 美元/t 到超過120 美元/t 不等，具體取決于CO2的應用和濃度[3]。在可持續發展情景下[3]，2070 年美國CO2捕集量將達到1 200 Mt 左右，其中95%以上被永久封存。歐洲CO2捕集量預計將在2030 年增至約35 Mt，2050 年增至350 Mt，2070 年超過700 Mt。中國CO2捕集量2030 年達到0.4 Gt，約占全球總量的一半，到2070 年超過2 Gt。碳捕集量的增長決定了捕集技術的突破將是該領域的研究重點。碳捕集技術發展的關鍵是降低成本和能耗。目前，第1 代碳捕集技術漸趨成熟，但成本和能耗偏高、缺乏廣泛的大規模示范工程經驗；第2 代碳捕集技術尚處于實驗室研發或小試階段[1]。碳捕集的研究將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，碳捕集與能源、工業等領域系統的集成耦合等關鍵問題?；瘜W鏈捕集技術、新型膜分離技術、新型吸收/吸附技術、第2 代碳捕集技術[63]、先進化學吸附法[3]、增壓富氧燃燒技術、Allam 循環[64]、CO2源頭低能耗捕集、燃燒后CO2捕集系統與化工轉化利用裝置結合在碳密集型行業的規模應用將是未來的重要發展趨勢。

3.2 碳運輸

碳運輸作為CCUS 技術發展中的重要一環，對于大規模CCUS 項目的實施至關重要。CO2運輸主要采用管道、船舶、鐵路/公路等多種運輸方式。目前，國內CO2主要采用罐車進行短距離運輸，全球范圍內CO2管道運輸作為一項成熟技術正在商業化應用[65]。據IEA 預測，到2050 年CO2管道長度將達到95 000～550 000 km。IEA 發布的《全球能源行業2050 年凈零排放路線圖》指出，2030 年之后將開始推廣CCUS 技術，將對CO2輸送管道和制氫基礎設施的年度投資額從現在的10 億美元增加到2030 年的400 億美元。CO2管道運輸是未來大規模示范項目的主要輸送方式。運輸管道通常在高壓狀態下進行輸送，且大規模、長距離的管道存在機械損傷、土壤侵蝕、材料缺陷和人為破壞等復雜工況，難免發生泄漏事故，會對人群健康和生態環境造成不良影響[66]。CO2運輸方面研究應重點關注CO2凈化、壓縮、液化，運輸安全性評價，運輸管道自動化運維等關鍵問題。其中，管道安全控制體系、管網的智能化管理、CO2與天然氣“集中利用+CCUS”的近零排放商業模式將成為重要的發展趨勢。

3.3 碳轉化利用

CO2再利用技術研發是CCUS 領域的重要研究方向之一。全球CO2消耗量約為230 Mt/a，并有望在未來穩步增長。IEA 對CO2使用潛力預測表明，化學品和建筑材料的CO2使用量可以達到5 Gt/a，合成烴燃料的CO2使用量則更高[67]?；だ?、生物利用、物理應用等都是CCUS 關注的重要領域。碳轉化利用將聚焦CO2轉化制燃料和化學品，CO2生物轉化利用和CO2礦物轉化、固定和利用的研究。當前，CO2生物利用技術總體處于初期發展階段，化工利用技術取得顯著發展。將CO2納入工業體系，作為基礎原料進行化工產品生產，開展CO2轉化利用與環保產業協同發展，推進工業固廢礦化CO2聯產化工產品，可以實現CO2大幅減排，有望加速化工行業的綠色化。其中，CO2轉化制燃料和化學品將重點研究熱化學轉化、電化學轉化、光/光電化學轉化等關鍵問題；CO2生物轉化利用將重點研究CO2生物轉化為多碳化學品和生物燃料，固、液、氣三相生物過程調控等關鍵問題；CO2礦物轉化、固定和利用將重點研究CO2礦物活化等關鍵問題。定向轉化合成有機含氧化學品/油品新工藝，高附加值碳基新材料轉化制造，高效光/電解水與CO2還原耦合的光/電能和化學能循環利用，工業固廢礦化CO2聯產化工產品等是碳轉化利用研究重要的發展趨勢。

3.4 碳地質利用與封存

碳地質封存將CO2封存在油氣藏、鹽沼地、煤井等特殊地質中，實現與大氣的長期隔絕。全球不同地區的碳封存容量差異很大。根據預測，中國的地質封存潛力約為403～2 830 Gt，俄羅斯的地質封存潛力約為1 234～8 673 Gt，美國的地質封存潛力約為812～5 708 Gt，歐洲地區的地質封存潛力約為302～2 120 Gt，澳大利亞及新西蘭地區的地質封存潛力約為595～4 184 Gt[4]。據統計，全球目前廢棄的油氣田可以封存CO2約923 Gt，與全球燃燒化石燃料的發電廠排放的CO2質量相當[68]。由于CO2物化性質優越，被廣泛用于能源資源開發利用，例如CO2-EOR、CO2驅替煤層氣（CO2-enhanced coalbed methane，CO2-ECBM）、CO2驅水（CO2-enhanced water recovery，CO2-EWR）、CO2驅天然氣（CO2-enhanced natural gas recovery，CO2-EGR）等。隨著各國加強對碳排放的管控、碳稅和碳價的上漲，采用CO2進行規?；屘鎽?，會使CCUS 成本顯著降低，具有廣闊的應用前景。CO2地質利用與封存方面重點研究CO2驅替資源開采，CO2-水-巖作用定向干預及封存性能強化，強非均質場地表征、建模及封存模擬，地質封存監測控制和環境影響預測等關鍵問題。CO2驅替頁巖氣、天然氣水合物、干熱巖、煤層氣等資源，深海封存和礦化封存，結合人工智能/機器學習的智能監測技術，CCUS 全流程/全階段技術評估等將是未來重要的發展趨勢。另外，由于CCUS 項目存在泄漏風險，可能會引起土壤酸化。為了控制泄漏風險，應該加強對封存地質構造的研究，從選址、封存措施、監控手段等方面加強風險控制。

4 對策與建議

目前，我國能源消費結構仍以化石能源為主，有效實現溫室氣體減排目標，離不開CCUS 技術的配合與支持。目前，CCUS 技術作為我國應對氣候變化必不可少的技術手段，總體還處于研發和示范的初級階段，面臨政策、資金、技術等眾多挑戰。針對我國CCUS 發展現狀，提出以下建議：

1）加快構建CCUS 政策支持體系

加強國家層面的CCUS 戰略頂層設計的有序部署。當前，國內雙碳“1+N”頂層設計已出爐，相關部門和單位加快研究制定CCUS 領域的戰略部署和工作實施方案，各行業各地區制定具體行動計劃，完善法律法規框架，盡快形成CCUS 的政策體系，制定科學合理的建設運營標準體系，為雙碳“1+N”政策體系進行有效補充。

2）加大財政投入和金融支持

CCUS 技術的發展離不開財政和金融的有力支持。發揮社會主義市場經濟體制優勢，一方面，加大政府對科研創新資金穩定支持力度；另一方面，積極引導金融企業等的加入，拓寬融資渠道、開創融資新模式，助力CCUS 發展。

3）深化CCUS 發展產業規劃與產學研合作

科學規劃CCUS 上下游產業鏈發展，完善CCUS 產業規劃體系。把全國相關力量集中起來，鼓勵國有企業在CCUS 研發建設中提出需求、發揮領頭羊作用，科研機構/高校積極承擔攻堅任務，實現“卡脖子”技術的突破，有序、平衡推進CCUS各環節發展，為產業落地提供有效支撐。

4）積極開展CCUS 關鍵技術攻關

緊密監測國際CCUS 先進技術，準確把握前沿技術方向，科研人員充分發揮示范引領作用，開展科技攻關，推動CCUS 關鍵技術研發和產學研深度融合，實現關鍵技術突破，打造產業自主創新新動能，實現自主知識產權，形成強大的國際競爭力。

5）打造大規模CCUS 產業集群

結合當地自然條件、產業分布及基礎設施配置，基于技術的局限性，進行合理規劃設計和適當的源匯匹配，開展以CO2驅替頁巖氣、天然氣水合物和干熱巖地熱等的大規模全流程CCUS 示范項目，強化CO2轉化利用研究，提高CCUS 項目的經濟性。開展CCUS 集群建設，建設CCUS 大型樞紐，實現管網和封存基礎設施的共享利用，降低CCUS 成本，提升規模效應。

6）加快科技創新支撐體系

布局面向CCUS 重大科技需求的科技創新體系，設立重點實驗室、技術創新中心、CCUS 交叉學科研究中心等，開展協同創新研究，有序推進CCUS 重大項目研發布局，推動前沿技術、顛覆性技術的重點突破，提升原始創新能力。

7）強化相關學科方向布局

從我國CCUS 領域長期發展戰略角度出發，加強對CCUS 科研力量與資源投入的長期規劃部署，優化科研任務部署，建立有序推進的CCUS 科技體系?；趯HCCUS 科技目標的系統分析，聚焦CCUS 領域的無人區、空白區等，加強力量部署，努力實現國際引領。