二氧化碳規(guī)模化封存典型技術(shù)路線解析與產(chǎn)業(yè)前景展望

單彤文 張超 秦鋒 程昊 張丹

（1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司 北京 100010；2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028）

全球碳排放最主要的碳排放源分別為能源發(fā)電與供熱、交通運(yùn)輸業(yè)、制造業(yè)與建筑業(yè)，能源發(fā)電與供熱占比最高為43%。2021年全球與能源相關(guān)的CO2排放量約363億t，比2020年增加6%［1］。如何減少碳排放以減緩人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球氣候變化的影響成為全球面臨的重大問(wèn)題，因此提高清潔能源發(fā)電在電力裝機(jī)及發(fā)電結(jié)構(gòu)中的比例，大規(guī)模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源電力，成為各個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳中和的主要手段。

在實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中，如何客觀認(rèn)識(shí)化石能源與新能源之間的關(guān)系，厘清各種碳減排技術(shù)對(duì)碳中和的作用以及實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑，是社會(huì)各界急需解決的問(wèn)題。本文重點(diǎn)剖析了碳中和整體進(jìn)程中可能出現(xiàn)的能源安全、區(qū)域發(fā)展不一致、能源活動(dòng)參與主體利益不一致等問(wèn)題，分析實(shí)現(xiàn)碳中和的各種技術(shù)手段，提出了規(guī)模化碳封存關(guān)鍵問(wèn)題的解決思路，深入分析分布式與集中式CO2液化及海上封存方案的技術(shù)路線及經(jīng)濟(jì)性。本文研究結(jié)果對(duì)未來(lái)化石能源碳中和路徑選擇具有重要的參考意義。

1 碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)所面臨的困難與矛盾

1.1 化石能源退出與能源安全保障之間的矛盾

新能源將逐漸發(fā)展成為主體電源，但以新能源為主體的供電系統(tǒng)，由于其日波動(dòng)和季節(jié)波動(dòng)性非常顯著，因而對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力提出了全新要求。當(dāng)變動(dòng)性可再生能源發(fā)電量占比在5%以下時(shí)，波動(dòng)性的問(wèn)題基本可以通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度的方法解決；當(dāng)可再生電力占比超過(guò)5%后，進(jìn)入新階段的電力系統(tǒng)將需要更多的備用容量及靈活性電源以解決系統(tǒng)中新能源電力波動(dòng)性問(wèn)題［2］。

在碳中和背景下，各大能源公司紛紛制定轉(zhuǎn)型路徑及行動(dòng)計(jì)劃，其共同特征是增加新能源投資，控制或降低化石能源領(lǐng)域的投入強(qiáng)度。然而以化石能源為燃料的傳統(tǒng)發(fā)電形式，既能配合可再生能源的發(fā)展變?yōu)殪`活性電源，同時(shí)也可起到消納可再生能源及支撐電網(wǎng)的作用，因此在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)一定比例，其退出能源結(jié)構(gòu)主體地位也必然是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在新能源供應(yīng)不足的情況下，化石能源退出能源舞臺(tái)中央的預(yù)期，將會(huì)極大地影響社會(huì)對(duì)化石能源行業(yè)的投資信心，投資規(guī)模的縮小會(huì)直接影響化石能源的供應(yīng)不足，導(dǎo)致能源價(jià)格大幅上升，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)及生活產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

因此，碳中和過(guò)程中化石能源有序退出與價(jià)格無(wú)形手之間的矛盾需要慎重處理，不能盲目過(guò)早、過(guò)快地抑制化石能源的發(fā)展。

1.2 區(qū)域發(fā)展階段不一致的矛盾

CO2排放不分國(guó)界，但由于不同國(guó)發(fā)展階段與水平不同，碳中和實(shí)現(xiàn)的步調(diào)也將不一致，因此在量體裁衣制定符合自身發(fā)展階段的政策時(shí)，就可能就會(huì)發(fā)生不同國(guó)家訴求不一的利益沖突。

截至2020年底，全球已經(jīng)有54個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些國(guó)家的碳排放量占2020年全球總碳排放量的約40%［3］。目前，全球已有超過(guò)120個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了碳中和目標(biāo)：大部分國(guó)家和地區(qū)組織（如美國(guó)、歐盟、英國(guó)、加拿大、日本、新西蘭、南非等）計(jì)劃于2050年實(shí)現(xiàn)碳中和；一些國(guó)家計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間稍早，如烏拉圭為2030年，芬蘭為2035年，冰島和奧地利為2040年，瑞典為2045年［3］；而蘇里南和不丹已分別于2014年和2018年實(shí)現(xiàn)碳中和并進(jìn)入負(fù)碳排時(shí)代；中國(guó)宣布爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。對(duì)比從碳達(dá)峰到碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間，歐盟、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)組織分別為71、43和37年，而中國(guó)僅為30年。

可以看出，不同國(guó)家和地區(qū)組織基于自身發(fā)展階段、能源消費(fèi)總量及結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)針對(duì)性較強(qiáng)的能源政策、全球貿(mào)易體系中角色等具體情況，提出了各自的碳中和時(shí)間點(diǎn)，而這些具體情況的差異也將給全球同步實(shí)施碳中和相關(guān)政策帶來(lái)困難。

1.3 能源活動(dòng)參與主體利益不一致的矛盾

能源活動(dòng)的參與主體主要由能源的生產(chǎn)者、消費(fèi)者及政府組成，碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要這3類(lèi)主體相互協(xié)調(diào)與配合。但不同主體間利益與目標(biāo)不一致的矛盾，也在一定程度上影響著碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的節(jié)奏與進(jìn)程。

1）能源生產(chǎn)者的目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本、追求供能效率效益的最大化。能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)低碳化的要求，必然帶來(lái)額外的技術(shù)投入及生產(chǎn)成本，在沒(méi)有其他約束的情況下，能源生產(chǎn)者主動(dòng)增加額外投入實(shí)現(xiàn)減碳的意愿不強(qiáng)；而碳約束過(guò)強(qiáng)帶來(lái)的生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題，使能源生產(chǎn)積極性下降，從而導(dǎo)致能源供需結(jié)構(gòu)性失衡，引發(fā)能源供應(yīng)危機(jī)或價(jià)格劇烈變化。

2）能源消費(fèi)者的目標(biāo)是選擇用能成本最低的能源產(chǎn)品。社會(huì)個(gè)體使用電力時(shí)，不會(huì)關(guān)注所用電是燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電還是可再生能源發(fā)電，使用體驗(yàn)也不會(huì)因?yàn)橄M(fèi)了不同碳排放強(qiáng)度的電力而有任何差別。此外，由于很難對(duì)社會(huì)個(gè)體用能及碳排放進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與核算，因此對(duì)其開(kāi)展碳排放約束也存在客觀困難。

3）在能源活動(dòng)中，政府通過(guò)法律、法規(guī)、行政命令、稅收政策及市場(chǎng)調(diào)節(jié)等強(qiáng)制性手段，對(duì)能源生產(chǎn)者或消費(fèi)者的行為進(jìn)行約束和引導(dǎo)，既要達(dá)到促使能源生產(chǎn)者和能源消費(fèi)者主動(dòng)采取低碳措施的目的，同時(shí)又要保證能源市場(chǎng)供應(yīng)及價(jià)格的穩(wěn)定。因此在碳中和進(jìn)程中，政府起到了化解不同主體間矛盾的重要作用。

參與能源活動(dòng)的3類(lèi)主體，只有通過(guò)付出長(zhǎng)期和持續(xù)性的努力、不斷的技術(shù)創(chuàng)新及探索，才能最終實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

2 中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)圖譜分析

2.1 實(shí)現(xiàn)碳中和手段分析

2.1.1 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)

電力生產(chǎn)是碳排放的主要來(lái)源，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)端的低碳化、零碳化是減少碳排放的有效手段，因此需大力發(fā)展可再生能源，構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)。2030年中國(guó)發(fā)電總裝機(jī)有望達(dá)到40億k W，風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比有可能達(dá)到40%；2060年中國(guó)發(fā)電總裝機(jī)約60億～80億k W，風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量有可能超過(guò)60%，發(fā)電量超過(guò)50%，成為電網(wǎng)中的主體電源［4］。

除了電力生產(chǎn)外，工業(yè)、交通、建筑是3類(lèi)主要的其他碳排放來(lái)源，電力生產(chǎn)端的低碳化、零碳化，為這3類(lèi)行業(yè)的減碳提供了基礎(chǔ)。能源消費(fèi)端低碳化、零碳化的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)以下途徑：①使用零碳能源發(fā)電、制氫；②工業(yè)、交通、建筑領(lǐng)域使用電力、氫能代替化石能源；③結(jié)合地?zé)崮堋⒌卦礋岜?、水源熱泵、空氣源熱泵等技術(shù)提高能源使用效率。

2.1.2 推廣節(jié)能技術(shù)

在碳達(dá)峰期間（2020—2030年），電力行業(yè)的能源使用效率將大幅提升，一方面是由于傳統(tǒng)的火電企業(yè)在差別電價(jià)等環(huán)保政策規(guī)制下，開(kāi)始通過(guò)技術(shù)改進(jìn)獲得了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力（包括余熱資源的充分利用），另一方面是由于清潔能源發(fā)電的規(guī)模效應(yīng)逐步體現(xiàn)，能耗強(qiáng)度隨之降低。

在碳中和期間（2030—2050年），冶金和交通運(yùn)輸行業(yè)的技術(shù)改革效應(yīng)開(kāi)始凸顯，如電爐煉鋼工藝規(guī)模提升和富氧高爐的技術(shù)完善，充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的完善加速了新能源汽車(chē)的推廣使用等。此外，化工和建材行業(yè)的綠色節(jié)能技術(shù)改革對(duì)“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn)作用也將顯現(xiàn)。

2.1.3 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

在低碳化的政策和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，預(yù)計(jì)高耗能行業(yè)將迎來(lái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，碳成本得走高將最終壓縮整個(gè)高耗能產(chǎn)業(yè)鏈在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的產(chǎn)值占比。高能耗制造業(yè)（如冶金、建材、化工、石化、造紙業(yè)等）、交通運(yùn)輸業(yè)（如航空）和公用事業(yè)（電力）的生產(chǎn)規(guī)模將受到壓縮，其產(chǎn)業(yè)鏈上游的采掘業(yè)和下游的建筑業(yè)產(chǎn)值也將受到較大沖擊。因而這些支撐國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的高耗能產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，也必須通過(guò)節(jié)能提效等方式降低碳排放，產(chǎn)業(yè)鏈整體將趨于低碳化。

2.1.4 建立協(xié)調(diào)機(jī)制，建設(shè)全球碳市場(chǎng)

除了能源體系自身的節(jié)能降碳外，建立碳排放權(quán)交易體系是控制CO2排放的一種外部市場(chǎng)調(diào)節(jié)手段。歐盟碳排放交易體系（EU-ETS）從2005年正式運(yùn)營(yíng)起，其碳配額市場(chǎng)一直占據(jù)全球碳市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。歐盟排放交易體系覆蓋了歐盟CO2總排放的50%和所有溫室氣體排放的40%，覆蓋對(duì)象包括超過(guò)11 000個(gè)發(fā)電站和廠房。

截至2021年1月31日，全球共有24個(gè)運(yùn)行中的碳市場(chǎng)，但這些碳市場(chǎng)之間均相互獨(dú)立，市場(chǎng)規(guī)則及價(jià)格存在較大差異，碳排放權(quán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨國(guó)間的轉(zhuǎn)讓。第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)達(dá)成的協(xié)議使全球碳市場(chǎng)初露曙光，認(rèn)為通過(guò)建立合適的協(xié)調(diào)機(jī)制，可將全球各分散的碳市場(chǎng)有效鏈接，以實(shí)現(xiàn)多國(guó)互認(rèn)互通、一定條件和范圍內(nèi)流通的全球碳市場(chǎng)。從長(zhǎng)期來(lái)看，探索如何進(jìn)行各地區(qū)碳市場(chǎng)的鏈接，是在全球范圍內(nèi)促進(jìn)低成本減排，以應(yīng)對(duì)氣候變化的重要方向。

2.1.5 利用負(fù)碳技術(shù)

據(jù)測(cè)算，中國(guó)2060年排放CO2約25億～30億t，海洋、生態(tài)建設(shè)、陸地及生態(tài)吸收可以中和大部分CO2，但依然剩余約5億t CO2需要通過(guò)固碳技術(shù)才能夠達(dá)到碳中和［5］。

2.2 實(shí)現(xiàn)碳中和路徑推演

經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)始終是中國(guó)發(fā)展的首要目標(biāo)。碳中和作為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，其實(shí)現(xiàn)必須在符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下找到最優(yōu)路徑：①以1.5～2℃溫升目標(biāo)為導(dǎo)向［6］，全面統(tǒng)籌社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等發(fā)展；②同時(shí)以解決當(dāng)前主要矛盾問(wèn)題為導(dǎo)向，綜合利用實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)手段，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、路徑設(shè)計(jì)和部署實(shí)施。

1）在2020—2030年碳達(dá)峰期間，中國(guó)GDP年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)約為5%，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致的碳排增加預(yù)計(jì)為50.3億t［7-8］。中國(guó)在減排動(dòng)能方面：①加速推進(jìn)電爐鋼、裝配式建筑、新能源汽車(chē)等行業(yè)的綠色技改，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)18.7億t減排量；②新能源革命初露端倪，能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)15.5億t減排量；③產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的低碳化是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的第3大減排動(dòng)能，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)11.7億t減排量。

2）在2030—2050年碳中和期間，中國(guó)GDP年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將低于4%，放緩的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率使碳排增量也相對(duì)較低（62.4億t）［8］。中國(guó)在減排動(dòng)能方面：①節(jié)能技術(shù)將成為碳中和的核心驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)78.2億t減排量，說(shuō)明隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的進(jìn)一步提升，能源使用效率將出現(xiàn)質(zhì)的提升；②能源結(jié)構(gòu)則將經(jīng)歷一場(chǎng)徹底的新能源革命，煤炭占比將大幅降低，清潔能源發(fā)電占據(jù)主導(dǎo)地位，新能源革命將助力中國(guó)碳中和，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)50.1億t減排量；③隨著技術(shù)水平的提升，負(fù)碳技術(shù)開(kāi)始發(fā)力，預(yù)計(jì)可助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)12.1億t的負(fù)碳排，為碳中和再添助力。

2.3 碳封存是碳中和實(shí)現(xiàn)的兜底路徑

不論CCUS還是DAC，其產(chǎn)業(yè)鏈的終端無(wú)非是利用或封存。利用還是封存，其路線選擇上在學(xué)術(shù)界還存在一定的爭(zhēng)議，但碳利用的規(guī)模取決于下游端需求，在技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性存在較大不確定性、發(fā)展規(guī)模受限的前提下，碳利用的過(guò)程中仍將產(chǎn)生一定的CO2，要真正實(shí)現(xiàn)凈零排放，碳封存才是最終的兜底路徑。所謂兜底，即意味著前序手段要能用盡用、應(yīng)用盡用，同時(shí)按照碳減排機(jī)制的設(shè)計(jì)初衷，兜底路徑也意味著成本相對(duì)較高且實(shí)現(xiàn)難度更大。

3 規(guī)?；挤獯骊P(guān)鍵問(wèn)題及解決思路

3.1 碳封存產(chǎn)業(yè)基本現(xiàn)狀

到2050年，化石能源仍將占中國(guó)能源消費(fèi)比例的10%以上，鋼鐵、水泥等高耗能行業(yè)在采取節(jié)能減排方案后，仍會(huì)有34%碳排放量無(wú)法處理，負(fù)碳技術(shù)是實(shí)現(xiàn)凈零排放的唯一技術(shù)選擇。CO2捕集、利用與封存（carbon capture，utilization and sequestration，CCUS）和直接空氣碳捕集（direct air capture，DAC）作為兩項(xiàng)重要的負(fù)碳技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)路徑。

目前，中國(guó)CCUS項(xiàng)目集中在捕集實(shí)踐階段，成本較高，距離大規(guī)模利用還有較大的差距，其中一些工程化的關(guān)鍵技術(shù)，如捕集過(guò)程高效吸附技術(shù)開(kāi)發(fā)、CO2管道的防腐材料選用、咸水層封存的物理化學(xué)機(jī)理，以及封存后的泄漏監(jiān)測(cè)等技術(shù)問(wèn)題，需要通過(guò)一定的專(zhuān)項(xiàng)研究和示范項(xiàng)目進(jìn)行研究和驗(yàn)證，這些技術(shù)發(fā)展至足以支撐大規(guī)模CCUS項(xiàng)目的投運(yùn)則仍需5～10年的時(shí)間。DAC技術(shù)的成熟度更低，目前成本為400～600美元／t，其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；枰L(zhǎng)的時(shí)間。

美國(guó)于2020年新增了12個(gè)CCUS商業(yè)項(xiàng)目，投入運(yùn)營(yíng)的CCUS項(xiàng)目增至38個(gè)，占比接近50%，CO2捕集量超過(guò)3 000萬(wàn)t［9］。美國(guó)CCUS項(xiàng)目種類(lèi)多樣，包括水泥制造、燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、垃圾發(fā)電、化學(xué)工業(yè)等，目前約一半左右的CCUS項(xiàng)目已不再采用傳統(tǒng)的提高采收率（enhanced oil recovery，EOR）利用方式。美國(guó)CCUS項(xiàng)目的快速發(fā)展主要得益于政府的稅收和補(bǔ)貼政策，如2020年美國(guó)能源部用于扶持CCUS項(xiàng)目的資金達(dá)2.7億美元。

歐洲CCUS項(xiàng)目主要通過(guò)歐盟碳市場(chǎng)和EOR來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排價(jià)值。2020年，歐洲有13個(gè)商業(yè)CCUS項(xiàng)目正在運(yùn)行，主要集中于北海周?chē)渲杏?guó)7個(gè)，挪威4個(gè)，愛(ài)爾蘭和荷蘭各1個(gè)。另外，歐盟還有約11個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在2030年前投入運(yùn)營(yíng)。但由于制度、成本及公眾接受度等各方面原因，目前歐洲的CCUS項(xiàng)目推進(jìn)緩慢［9］。

中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約為40個(gè)，捕集能力300萬(wàn)t／a。CO2捕集源集中在煤化工、化肥生產(chǎn)、電力和水泥生產(chǎn)等行業(yè)；運(yùn)輸方式以管輸為主，地質(zhì)封存以咸水層封存為主；CO2利用涉及EOR、提高煤層氣采收率（enhanced coal-bed methane，ECBM）、鈾礦浸出增采（enhanced uranium leaching，EUL）等地質(zhì)利用、礦化利用、合成可降解聚合物等化工利用以及微藻固定等生物利用方式，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范［10］。

CO2用于驅(qū)油是解決CCUS經(jīng)濟(jì)性的有效手段，但是CO2-EOR實(shí)際應(yīng)用中也面臨以下挑戰(zhàn)：①注CO2過(guò)程中易發(fā)生串流現(xiàn)象，嚴(yán)重影響波及效率，降低驅(qū)油效果；②CO2和水生成碳酸，在高壓下對(duì)設(shè)備的腐蝕性更大，海洋平臺(tái)壽命一般為20年，因而海上油田的防腐比陸上油田更為重要［11］；③CO2-EOR在原油驅(qū)采過(guò)程中，一部分CO2會(huì)隨著開(kāi)采的原油回到大氣中，因而未來(lái)巨量CO2仍需地質(zhì)封存來(lái)解決。

3.2 中國(guó)碳封存走規(guī)?；潜赜芍?/h3>

目前，中國(guó)的CCUS還處于初步示范階段，單個(gè)示范項(xiàng)目平均捕集／封存能力不足10萬(wàn)t／a。CCUS項(xiàng)目資本需求大，投資周期長(zhǎng)，技術(shù)鏈條長(zhǎng)，收益政策依賴(lài)性強(qiáng)，因此國(guó)內(nèi)建設(shè)了為數(shù)不少規(guī)模低于1萬(wàn)t／a的CCUS項(xiàng)目。盡管單位CO2捕集／封存成本高，但是在當(dāng)前碳捕集和地質(zhì)封存不產(chǎn)生收益的條件下，降低項(xiàng)目整體投資和后期運(yùn)營(yíng)成本，避免產(chǎn)生碳排放的項(xiàng)目因?qū)嵤〤CUS而陷入沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，才能在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。如果希望通過(guò)規(guī)?；?yīng)降低CCUS的單位成本，配置合適的CO2運(yùn)輸途徑及規(guī)模巨大的封存點(diǎn)十分必要。

未來(lái)，CO2的規(guī)?；獯鎸⑸婕皻鈶B(tài)管道輸送、液化及液態(tài)運(yùn)輸、陸上／海上封存，其產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)態(tài)與天然氣存在極為相似，參照天然氣規(guī)模與成本間的關(guān)系，規(guī)?；挤獯骓?xiàng)目需達(dá)到每年百萬(wàn)噸以上，才具備較好的經(jīng)濟(jì)性及廣泛應(yīng)用的可行性。

4 中國(guó)規(guī)模化碳封存典型技術(shù)路線案例解析

4.1 規(guī)?；挤獯娴幕緱l件

地質(zhì)封存是大規(guī)模CO2封存的主要方式之一。CO2地質(zhì)封存是指將CO2通過(guò)工程技術(shù)手段直接注入地質(zhì)構(gòu)造中（深度約800～3 500 m），在巖石物理束縛、溶解和礦化等作用下，CO2最終被封存于地質(zhì)體中［12］。適合CO2地質(zhì)封存的場(chǎng)址主要包括廢棄油氣藏、深咸水層和深部不可開(kāi)采煤層。

目前，澳大利亞、歐盟、美國(guó)、加拿大等已制定了規(guī)范CO2的捕集和封存的行為專(zhuān)門(mén)法案，對(duì)CO2封存的安全性和環(huán)境監(jiān)測(cè)提出了要求。存入地下的CO2氣體存在一定的泄漏可能行，這是因?yàn)橐环矫鍯O2具有較強(qiáng)的穿透性，另外地質(zhì)構(gòu)造也存在著不可預(yù)見(jiàn)的裂隙或隱伏斷裂。泄露一旦發(fā)生在陸上地質(zhì)封存工程中，CO2進(jìn)入地下水補(bǔ)給層，不僅會(huì)影響土壤生物，而且將造成地下飲用水質(zhì)量的明顯下降，因此必須加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)封存環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。利用海上廢棄油氣藏或深咸水層進(jìn)行CO2封存，將有效降低污染淺層地下水等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此雖然CO2海上封存難度大、費(fèi)用高，但海上封存依然是未來(lái)規(guī)?；挤獯婵尚星揖哂袃?yōu)勢(shì)的方式。

4.2 規(guī)?；獯娴臐摿?/h3>

為了充分利用地質(zhì)資源，降低封存成本，需要做好源匯匹配，即考慮排放源和封存場(chǎng)地的地理位置關(guān)系和環(huán)境適宜性。

1）從排放源看，2018年中國(guó)燃煤發(fā)電、水泥、鋼鐵及化工等行業(yè)約有1 800個(gè)重要CO2排放源，年排放量約65億t，主要分布在中東部地區(qū)。從封存潛力來(lái)看，中國(guó)東南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集區(qū)域內(nèi)的CO2排放源無(wú)法在其250 km范圍內(nèi)找到適宜的陸地封存場(chǎng)地。而中國(guó)近海適宜進(jìn)行封存的盆地坳面積均在1萬(wàn)km2以上，最大超過(guò)20萬(wàn)km2，800～2 500 m封存容量總計(jì)可達(dá)11 529億t，封存潛力巨大［12］。因此，海上CO2封存將是中國(guó)東南沿海實(shí)現(xiàn)就近碳封存的重要途徑。

2）源匯匹配需要解決CO2管道運(yùn)輸和液態(tài)船運(yùn)輸2種方案的問(wèn)題。①管道運(yùn)輸方案是采用陸上壓縮機(jī)將CO2加壓至15～30 MPa達(dá)到超臨界狀態(tài)，再通過(guò)海底CO2管道運(yùn)輸至封存井口注入。該方案的優(yōu)點(diǎn)是主要設(shè)備、設(shè)施在陸上，井口平臺(tái)不需要額外增壓，海上工程量較小；缺點(diǎn)是海底CO2管線的調(diào)整能力不足，即當(dāng)源和匯位置或規(guī)模變化時(shí)的管道運(yùn)輸方案不夠靈活。②液態(tài)船運(yùn)輸方案采用陸上低溫液化CO2，將液態(tài)CO2陸運(yùn)到港口后裝至運(yùn)輸船，通過(guò)船運(yùn)至封存點(diǎn)加壓注入海上封存點(diǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是封存規(guī)模和運(yùn)輸路線靈活，能適應(yīng)源匯位置和規(guī)模的變化，缺點(diǎn)是工程量比管道運(yùn)輸方案復(fù)雜，短距離運(yùn)輸成本較高。從源匯匹配的角度看，一般250 km是不需要CO2中繼壓縮站的最長(zhǎng)管道距離，建設(shè)成本比較低，因此當(dāng)CO2源與海上封存點(diǎn)距離小于250 km時(shí)可考慮采用CO2管道輸送；超過(guò)250 km時(shí)可考慮CO2液化后通過(guò)船運(yùn)至海上進(jìn)行封存的方式。

4.3 陸上液化及海上封存案例設(shè)想

以中國(guó)海油位于粵港澳大灣區(qū)合計(jì)排放量約400萬(wàn)t／a的3個(gè)燃?xì)怆姀S開(kāi)展CO2捕集、輸送及海上封存項(xiàng)目為例，分析海上封存產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，采用液態(tài)船運(yùn)輸方案，針對(duì)CO2排放源排放規(guī)模和集中程度的不同，分別設(shè)想了分布式及集中式2種封存模式。

4.3.1 分布式二氧化碳液化封存

分布式CO2液化及海上封存，主要針對(duì)單體規(guī)模較小、區(qū)域分布較為分散的碳排放源，采用分布式CO2捕集及液化方式，液化后的CO2存儲(chǔ)在罐式集裝箱中并通過(guò)公路運(yùn)輸至港口或碼頭，然后通過(guò)集裝箱運(yùn)輸船將CO2罐箱運(yùn)送至海上封存點(diǎn)進(jìn)行封存。分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式示意如圖1所示。

圖1 分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式Fig.1 Industry model of distributed CO2 liquefaction and offshore sequestration

經(jīng)初步測(cè)算，分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要技術(shù)參數(shù)及成本如下。

1）捕集：采用化學(xué)吸收法捕集燃?xì)怆姀S煙氣中的CO2，捕集后CO2產(chǎn)品氣濃度達(dá)到98%以上，溫度約為40℃，壓力0.02～0.04 MPa。投資70億元，成本306元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至230元／t。

2）液化：對(duì)CO2產(chǎn)品進(jìn)行低溫帶壓液化，液化后CO2存儲(chǔ)參數(shù)的溫度及壓力參數(shù)為-28℃、1.5 MPa；3座液化廠總投資7.5億元，平均成本114元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至103元／t。

3）儲(chǔ)運(yùn)：租用5 000個(gè)載運(yùn)量約20 t的罐箱，陸上運(yùn)輸裝車(chē)橇投資0.1億元，合計(jì)陸上運(yùn)輸成本173元／t；罐箱海上運(yùn)輸成本約為500元／t；該環(huán)節(jié)總成本為673元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后可下降至573元／t。

4）封存：近期以枯竭氣藏為主，后期咸水層作為補(bǔ)充。新建大型海上平臺(tái)用于罐箱堆放和井工程改造，總投資23.1億元，成本107元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至96元／t。

4.3.2 集中式二氧化碳液化封存

集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式主要針對(duì)單體規(guī)模較大、區(qū)域分布較為集中的碳排放源，CO2捕集后通過(guò)氣體管道輸送至集中式CO2液化工廠，液化后的CO2經(jīng)過(guò)碼頭建設(shè)的輸送臂裝入液體CO2運(yùn)輸船，通過(guò)液體CO2運(yùn)輸船運(yùn)輸至海上封存點(diǎn)進(jìn)行封存，集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式如圖2所示。

圖2 集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式Fig.2 Industry model of centralized CO2 liquefaction and offshore sequestration

經(jīng)初步測(cè)算，集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要技術(shù)參數(shù)及成本如下。

1）捕集：集中式與分布式不存在差異，工藝方案和成本相同。

2）管輸：將各排放源產(chǎn)生的CO2通過(guò)管道集中輸送到液化廠，采用超臨界狀態(tài)輸送，出口壓力8.0 MPa。投資33.6億元，平均成本110元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至80元／t。

3）液化：與分布式工藝方案上相似，規(guī)模上不同，采用低溫帶壓液化，液化后-23℃、2 MPa。投資3.5億元，成本26元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至24元／t。

4）儲(chǔ)運(yùn)：液化廠內(nèi)建設(shè)5.7萬(wàn)m3液態(tài)CO2儲(chǔ)罐、5萬(wàn)t級(jí)碼頭，租用5.7萬(wàn)m3半冷半壓式液態(tài)CO2運(yùn)輸船，井口附近建設(shè)單點(diǎn)系泊裝置5.7萬(wàn)m3液態(tài)海上浮艙。投資9.5億元，成本88元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至70元／t。

5）封存：封存層系與分布式方案相同，不同的是集中式方案采用運(yùn)輸船運(yùn)輸而非罐箱，與分布式方案相比減少了用于罐箱堆放的平臺(tái)費(fèi)用，僅需要進(jìn)行井工程、海上平臺(tái)改造、建保溫海管聯(lián)絡(luò)線，總投資12.1億元，成本78元／t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至70元／t。

4.3.3 多種方式協(xié)同案例設(shè)想

根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及具體需求，集中式與分布式封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)方案也可進(jìn)行優(yōu)化組合，發(fā)展混合式CO2液化及海上封存技術(shù)方案，例如在已初步建立集中式產(chǎn)業(yè)鏈的區(qū)域，對(duì)于新進(jìn)入的規(guī)模較小的CO2排放源（10萬(wàn)t以下），可采用“前分布-后集中”的混合模式，即分布式捕集液化+集中式存運(yùn)及封存，將捕集的CO2就地液化后通過(guò)槽車(chē)運(yùn)輸至沿海集中存儲(chǔ)點(diǎn)，注入CO2運(yùn)輸船后再運(yùn)輸至海上封存點(diǎn)封存。這種混合模式可以使規(guī)模較小且較為分散的CO2排放源全鏈條封存成本更低。

5 中國(guó)規(guī)模化碳封存產(chǎn)業(yè)前景展望

5.1 陸上規(guī)?；挤獯娼?jīng)濟(jì)性分析

中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約40個(gè)，規(guī)模較小且多以捕集驅(qū)油示范為主，封存成本相對(duì)較高。但隨著規(guī)?；獯鎽?yīng)用和技術(shù)進(jìn)步，CCUS捕集、運(yùn)輸、封存、利用這4個(gè)主要環(huán)節(jié)的成本都將逐步降低（表1）：預(yù)計(jì)至2030年，CO2捕集成本為90～390元／t，2060年為20～130元／t；CO2管道運(yùn)輸是未來(lái)大規(guī)模示范項(xiàng)目的主要輸送方式，預(yù)計(jì)2030和2060年管道運(yùn)輸成本分別為0.7和0.4元／（t·km）；2030年CO2封存成本為40～50元／t，2060年封存成本為20～25元／t［10，12］。

表1 2020—2060年CCUS成本估計(jì)Table 1 Cost estimation of CCUS from 2020 to 2060

按照最低處理成本計(jì)算，目前中國(guó)碳封存項(xiàng)目的平均處理成本大約為500～600元／t，遠(yuǎn)高于中國(guó)碳排放權(quán)40～50元／t交易價(jià)格水平。預(yù)計(jì)2025—2030年，部分地區(qū)將具備初步規(guī)模化CCUS的應(yīng)用條件；2050年，規(guī)?；疌CUS技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，并在全國(guó)范圍內(nèi)建立多個(gè)規(guī)模化CCUS中心。

5.2 海上規(guī)模化碳封存經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)以上對(duì)分布式CO2液化及海上封存、集中式CO2液化及海上封存的全鏈條投資及運(yùn)行成本的分析，分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈總投資約102億元，單位運(yùn)行成本1200元／t；集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈總投資130億元，單位運(yùn)行成本約600元／t?？紤]到技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的設(shè)備投資下降、工藝流程優(yōu)化、能耗降低及產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蟮慕当拘б娴纫蛩?，預(yù)計(jì)今后分布式可降至約1 000元／t，集中式產(chǎn)業(yè)鏈單位運(yùn)行成本可降至約475元／t，混合式產(chǎn)業(yè)鏈成本在二者之間。

在當(dāng)前的技術(shù)條件下，分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式、集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式以及混合模式的產(chǎn)業(yè)鏈投資均較大、運(yùn)行成本較高，與目前國(guó)內(nèi)碳配額價(jià)格相比仍存在較大差距，但今后隨著技術(shù)進(jìn)步及國(guó)內(nèi)碳配額逐步收緊，產(chǎn)業(yè)鏈成本與碳配額價(jià)格將相向而行，國(guó)內(nèi)碳配額價(jià)格有望向歐盟碳市場(chǎng)看齊（2021年12月初歐盟碳價(jià)接近90歐元／t，約合640元人民幣／t），而產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)成本則會(huì)逐步下降，經(jīng)濟(jì)性得以顯現(xiàn)，或可能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；爱a(chǎn)業(yè)化。

5.3 海、陸規(guī)?；挤獯娼?jīng)濟(jì)性比較

無(wú)論是陸上還是海上的規(guī)模化碳封存，在當(dāng)前的技術(shù)條件和國(guó)內(nèi)碳價(jià)水平下，經(jīng)濟(jì)性都不理想，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程或者產(chǎn)業(yè)化規(guī)模都受到很大的制約。相較而言，CO2液化后進(jìn)行海上封存雖然目前成本略高，但不管從中國(guó)碳封存潛力區(qū)與高碳排放源集中區(qū)的源匯匹配上看，還是從地質(zhì)封存的持久性和安全性來(lái)看，CO2液化后進(jìn)行海上封存要優(yōu)于陸上碳封存。今后隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，二者的成本差距也會(huì)同步下降，差距進(jìn)一步減小。CO2作為一種“負(fù)”資源，商務(wù)鏈條的談判與安排應(yīng)與具體項(xiàng)目的可行性研究同步進(jìn)行，價(jià)格公式的構(gòu)成（如是否要與碳價(jià)掛鉤等問(wèn)題）等全新課題，應(yīng)盡早著手開(kāi)展研究。

6 結(jié)論與建議

1）解決能源相關(guān)碳排放問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和的關(guān)鍵。2010年以來(lái)，中國(guó)CO2排放總量呈遞增趨勢(shì)，2020年CO2排放總量為107.7億t，其中與能源相關(guān)碳排放為100.3億t，2021年CO2排放總量約120億t，碳達(dá)峰之前中國(guó)碳排放增量主要來(lái)自于能源消費(fèi)。可見(jiàn)要實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，必須從減少能源相關(guān)碳排放入手。

2）碳封存是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑。中國(guó)碳減排主要包括3種途徑：一是以風(fēng)、光、氫、核等清潔能源替代化石能源；二是植樹(shù)造林等生態(tài)固碳方法；三是CCUS。清潔能源短期很難完全取代傳統(tǒng)化石燃料，且即使有清潔能源替代等方法，制造業(yè)或其他產(chǎn)業(yè)完全實(shí)現(xiàn)零碳排放是很困難的，清潔能源生產(chǎn)本身也會(huì)產(chǎn)生碳排放，如年產(chǎn)1 GWh的鋰電池，碳排量為7萬(wàn)t／a；而生態(tài)固碳路徑受到土地等條件的制約也存在上限；2060年，仍有5億t CO2需要通過(guò)碳捕捉、碳利用和碳封存等固碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)減排。碳利用的規(guī)模取決于下游端的需求，在技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性上存在較大的不確定性，發(fā)展規(guī)模受限，而中國(guó)地質(zhì)封存潛力約為1.21萬(wàn)億～4.13萬(wàn)億t，規(guī)?；挤獯婵勺鳛橹袊?guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑。

3）規(guī)?；俏磥?lái)中國(guó)碳封存技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。中國(guó)的碳封存尚處于初步示范階段，單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模較小、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。受限于規(guī)模和成本，目前項(xiàng)目捕集的CO2多用于提高油氣采收率，缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范。一般250 km是不需要CO2中繼壓縮站的最長(zhǎng)管道距離，建設(shè)成本比較低；超過(guò)250 km陸上管道輸送成本較高，可考慮通過(guò)CO2液化后運(yùn)至海上進(jìn)行封存的方式。

4）規(guī)模化碳封存的商業(yè)化仍有待技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步成熟。技術(shù)上需解決CO2高效吸附、CO2管道防腐材料、封存物化機(jī)理和泄漏監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。在當(dāng)前技術(shù)條件下，根據(jù)工藝路線的不同國(guó)內(nèi)碳封存項(xiàng)目的平均處理成本約500～1200元／t，與當(dāng)前國(guó)內(nèi)碳價(jià)水平相去甚遠(yuǎn)。未來(lái)隨著碳捕集、碳封存、碳利用技術(shù)的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)碳市場(chǎng)的進(jìn)一步成熟并于國(guó)際碳市場(chǎng)的協(xié)同接軌，加之其他碳減排手段達(dá)到極限進(jìn)一步推高碳市場(chǎng)價(jià)格，規(guī)模化碳封存的成本與碳價(jià)將呈現(xiàn)相向而行的趨勢(shì)，規(guī)模化碳封存的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn)，未來(lái)可形成成熟產(chǎn)業(yè)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

5）摸排全國(guó)碳封存潛力，開(kāi)展源匯匹配研究。根據(jù)研究，碳封存項(xiàng)目將在2025—2030年具備初步規(guī)模化發(fā)展的條件。作為有志于參與能源行業(yè)碳減排的參與者，應(yīng)從“十四五”期間提前布局、積極開(kāi)展區(qū)域內(nèi)陸上及海上碳封存潛力評(píng)價(jià)，進(jìn)一步做好源匯匹配和可行性研究，為建設(shè)規(guī)模化CCUS中心，開(kāi)展規(guī)模化、全流程CCUS示范工程項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。

6）提前規(guī)劃布局，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。中國(guó)已具備規(guī)?；挤獯娴募夹g(shù)和工程能力，成本低、經(jīng)濟(jì)可行性高的技術(shù)路線將是未來(lái)資本追逐的熱點(diǎn)，而全國(guó)碳市場(chǎng)建立和交易機(jī)制的進(jìn)一步完善，將從經(jīng)濟(jì)性上助推規(guī)模化碳封存技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。當(dāng)前，應(yīng)積極規(guī)劃布局CCUS基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開(kāi)展大規(guī)模示范及產(chǎn)業(yè)化集群的建設(shè)，超前部署低成本、低能耗的CCUS技術(shù)示范，推進(jìn)CCUS技術(shù)的不斷進(jìn)步，突破大規(guī)模、全流程工程示范的瓶頸，盡早實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。