碳捕获、利用与封存技术？一文了解CCUS技术如何助力碳中和

3月3日，联合国欧盟经济委员会（UNECE，下称欧洲经委会）发布《碳捕获、利用与封存（CCUS）》(Carbon Capture, Use and Storage)报告，报告旨在向成员国介绍CCUS技术、帮助政策制定者评估CCUS技术的优势以及推动在经济转型期部署CCUS技术。

报告称，到2050年，欧洲经委会的国家既需要将对化石燃料的依赖从80％以上减少到50％左右，又要实现负碳排放。到2050年，欧洲经委会地区的国家需要减少或捕获至少90Gt的CO2排放量，以保持实现2℃目标的道路。由于化石燃料可能在短、中期内对欧洲经委会成员国继续发挥重要作用，因此，实现碳中和需要部署CCUS技术（如图1），以减少碳排放。

图1：CCUS流程图

碳捕获技术介绍

（一）点源CCUS技术(CCUS from Point Sources)

在点源CCS技术中，水泥和钢铁生产、化石燃料制氢、垃圾焚烧和发电等行业产生的CO2在排放到大气之前就能够被捕获；然后，被压缩到超过100个大气压，注入到地下一千米以下的多孔岩石层中，在不透水的岩石下，保存数万年到数百万年。CO2也可以被纳入建筑材料等产品中，只要它们能够长期储存。

通过不同的工程方法，可以有效地从点源捕获CO2，捕获水平超过90%。成本大约10~100美元/吨CO2。尽管成本高于绿地项目，但碳捕捉设备可以改造自现有的基础设施，以避免资产陷入困境，同时实现净零策略。

图2：点源碳捕获途径

1 / 技术要求

（1）地质方面：确认、设计和管理安全的地下储存。

（2）工程方面：建造设备，从各种来源捕获CO2。

（3）基础设施规划：适用于无法通过增量开发实现的大型转型性项目。

2 / 固碳潜力

（1）年度：至2050年，每年碳捕获和封存10-30GtCO2，受到CO2运输和储存基础设施发展的限制。

（2）总体潜力：本质上是无限的。CCS的存储容量潜力超过了化石燃料的存储容量。

3 / 政策建议

（1）CCUS技术助力实现净零的潜力是巨大的，政府需要建立允许CCUS技术大规模部署的监管环境，并尽早建立相应的行业部门。

（2）大规模建设CO2运输和封存的基础设施，以降低成本，鼓励工业行业采用CCUS技术。

（3）制定通用的CO2储存的国际标准和准则。CO2运输和封存基础设施需要像电力、天然气和石油供应一样国际化。

（二）生物质能碳捕获与封存技术（BECCS）和直接空气碳捕获与封存技术（DACCS）

负排放技术（NETs）将化石燃料中以CO2的形式释放到大气中的碳返还到地下，永久安全地存储起来。

在生物质能碳捕获与封存技术（BECCS）中，CO2由植被从大气中提取出来，然后在生物质燃烧时从燃烧产物中回收。在直接空气碳捕获与封存技术（DACCS）中，CO2直接从空气中捕获。

预计生物质能碳捕获与封存技术会更便宜，移除和储存每吨CO2大约50-200美元，而直接空气碳捕获与封存技术的成本大约是它的两倍。但是直接空气碳捕获与封存技术能够从大气中除去大量的CO2，而不受生物生长对自然系统的需求的限制。而通常，从源头捕获或避免CO2排放比从空气中捕获更便宜。

如果不能迅速实现零排放以避免危险的气候变化，就必须使用负排放技术来消除CO2。

1 / 技术要求

（1）生物质能碳捕获与封存技术的土地管理：生物量必须以可持续的方式获得资源，理想状况下这也会加强土壤中的碳固存并最大限度地减少工业化肥的使用。

（2）地质：确认和管理安全的存储地点。

（3）工程：建造相关设备，从生物质燃烧产品或空气中集中CO2，压缩并通过管道或船舶运输。

2 / 固碳潜力

（1）年度：至2050年生物质能碳捕获与封存技术、直接空气碳捕获与封存技术都可以每年碳捕获和封存5-20GtCO2。

（2）总体潜力：基本上是无限的，因为地质封存可以发生在世界上任何地方。

3 / 政策建议

（1）开发技术并大规模部署以降低成本，并设定碳价格。直接空气碳捕获与封存技术可以体现实现净零排放所需的碳价格。

（2）制定国际认证和负排放交易标准。

（3）确保生物质能碳捕获与封存技术/直接空气碳捕获与封存技术的合理使用。避免对后代造成回顾性捕获CO2的成本负担。厘清食物-水-能源关系，避免生物质能碳捕获与封存技术产生的生物质危及全球食物或水安全。

碳封存技术介绍

（一）利用含水层封存CO2

含水层是在多孔岩石中含有盐水的地质构造。合适的含水层位于不透水的盖层下面的沉积岩中。它们在世界各地深度超过1千米的地方都有发现。

CO2可以被泵入岩石中进行封存。在这样的深度，CO2被压至200-800千克/立方米的密度。在含水层中，CO2从注入点形成一股倾向于移动到含水层顶部的羽流。在CO2/盐水界面，CO2会溶解在盐水中(约1-2%的溶解度)，一些水会溶解在CO2羽流中。这导致酸性增加，影响含水层中的正常化学反应和生物群落。经过数万年或数百万年，CO2可以矿化成岩石。在进行任何封存之前，都需要进行全面的储层工程来表征岩石性质，因为如果含水层没有存储能力，那么昂贵的上层基础设施将是多余的。

图3：在盖层下注入CO2的含水层的简化视图

注入CO2的速率和含水层的总容量是由含水层的地质情况和压力极限决定的。含水层的压力必须受到限制，以确保羽流或盐水中的CO2不会泄漏。它的压力取决于CO2注入的速度以及盐水渗透岩石的速度。一旦停止注射，随着CO2继续溶解和矿化，压力会在几个世纪内下降。由于酸性的影响，盖层也会发生溶解，这取决于岩石的性质。这样可能会影响储层中储存和封存的完整性。

如果CO2或盐水泄漏到饮用水或土壤中，将会产生负面影响。这种泄漏可能来源于地质断层、废弃的油井或气井(通常位于同一地点)、盐水进入相邻的地质地层等。因此在注入期间和之后，需要进行监测，以识别是否可能发生泄漏并加以预防。

1 / 技术要求

石油和天然气行业：目前，该技术的使用规模为每年数百万吨，因为运营产生的CO2排放会带来高额的罚款。

2 / 固碳潜力

估计超过一万亿吨CO2。

3 / 政策建议

（1）协调管理地下资源的国家和国际框架。确保法律不限制含水层的使用，并保护其他用户免受诸如饮用水含水层污染等不利影响。考虑发生泄漏情况下的财务和法律条件。

（2）发展基础设施以克服地理位置问题。CO2源和含水层并不都在同一地点，将需要配置性基础设施和直接空气碳捕获与封存技术。各国在使用未使用的容量方面需要合作。

（3）资金支持。必须建立一种筹资机制来支付封存、收集、清理和运输CO2的费用。

（4）提高意识以获得公众认可。需要资金来完成地质调查，规模可达1亿吨/年，并确保技术的安全性。

（二）强化采油技术（EOR）

强化采油技术是一系列提高油气采收率的技术，其中一种是在加压情况下向井中注入CO2。在700米以上的深度，CO2变成超临界状态，并作为一种很好的溶剂，从岩层中释放石油和天然气，将它们冲到井口。CO2也可以与水一起注入。强化采油技术首次尝试于1972年，是成熟油气井的常用技术。注入CO2可以作为二次驱油机制，将油气储层中的剩余油气驱出。注入CO2是目前最受欢迎的一种强化采油方法，所使用的CO2来源是基于当地最低的可用成本的，其中大部分来自自然资源。

人们对二氧化碳强化采油技术的兴趣在于，一旦油田枯竭，一些CO2会留在储层中，封存数百年或数千年。

因为有很多方法来生产石油和天然气,二氧化碳强化采油技术必须同其他技术经济竞争，比如开发新井和其他强化采油技术。二氧化碳强化采油技术的竞争力取决于油藏的适宜性、由于相对较高的资本成本而需要的回收期、当地的CO2成本以及可获得的技术资源。

图4：强化采油技术

1 / 技术要求

石油和天然气行业：将现有技术融入石油的经济生产。

其他行业：对CO2进行浓缩处理，以便运输并用于强化采油。

2 / 碳封存潜力

总量：50~350Gt（国际能源署2015年预测）

在全球范围内，陆上油田的二氧化碳强化采油技术潜力最大，但也有一些不错的海上油田可供选择。根据Rystad Energy能源公司的数据，在全球所有具有CO2储存潜力的生产油田中，80%以上是陆上油田。

3 / 政策建议

（1）提高二氧化碳强化采油技术在油气行业的竞争力。与其他采油方法相比，降低二氧化碳强化采油技术的相对成本。

（2）鼓励油气行业采用二氧化碳强化采油技术。鼓励封存比石油开采所需的更多的CO2。

（3）鼓励从人为来源捕获CO2。鼓励CO2工业来源和强化采油技术用户之间的合作。

（4）增加CO2的储存量。促进和推广关于提高强化采油技术所需CO2封存量的技术研究。根据强化采油后的净碳排放对烃源进行分类。

碳利用技术介绍

碳利用就是利用CO2来创造具有经济价值的产品。在一些欧洲经委会国家中广泛应用的是强化采油技术。

碳利用可细分为以下3个主要领域（矿化、生物和化学）。但是，某些碳应用方案，如在某些化工过程中使用CO2、灭火产品等，并不等同于混凝土或碳酸盐等永久封存解决方案。需要与直接空气碳捕获与封存技术结合，以解决CO2的再释放问题，达到碳中和。

图5：碳利用技术应用方向

鉴于其目前的市场规模，将CO2转化为产品对应对气候变化的温室气体目标做出了虽小但重要的贡献。在未来的氢经济中，CO2中的碳可以用来制造许多目前使用化石燃料制造的化学品和塑料。

1 / 利用潜力

（1）矿化：将CO2融入混凝土最有潜力在短期内成为一个巨大的CO2市场。

（2）化学：CO2目前被少量用于制造尿素肥料和一些特殊聚合物。在未来的氢经济中，CO2可以与氢气结合，制造合成燃料、合成气和甲醇。合成气和甲醇是基本的化学原料，许多化学品和聚合物都可以用它们来生产。

（3）生物：CO2被用来促进植物生长，并可以通过使用生物炭捕获，提高土壤质量。

2 / 政策建议

（1）建立工业CCUS的总体政策战略和路径，包括必要的研发重点、商业化潜力、激励政策机制和法律框架。

（2）推动能够释放CO2利用经济潜力的研发项目和计划。在国家和区域项目中进行大规模的工业CCUS示范。

（3）制定标准，帮助行业开发含有CO2的产品，并促进使用吸收CO2的产品（例如混凝土行业）。

（4）引入财政机制，例如税收抵免、碳定价和碳税、授权和标准、发展中国家碳融资。

3 / 碳利用市场和潜在的CO2需求

注释：*对于化工产品，CO2的利用只有在它取代石油化工产品时才会带来净效益。并且，化学产品的寿命太短，不能被认为是碳汇。为了更好的环境影响，CO2必须来自生物质能碳捕获与封存技术、直接空气碳捕获与封存技术或废物流。

利用CO2生产骨料和混凝土最具吸收CO2的潜力，每年的市场规模总计约为2.5万亿美元。然而，现有产品价格低廉，使得这类产品的市场渗透具有挑战性。

甲醇和乙醇的生产也为在产品中吸收CO2创造了机会，但由于液体燃料最终会燃烧，它们不被视为长期的CO2吸收解决方案，除非与直接空气碳捕获与封存技术、生物质能碳捕获与封存技术和绿色氢结合，以创造替代化石燃料的燃料。

其余的产品作为CO2解决方案的潜力有限，因为与化石燃料市场相比，这些产品的市场规模较小，且加工成本较高。

CCUS技术的比较分析：CCUS

技术成本曲线和碳捕获潜力

成本被认为是CCUS项目发展的主要障碍之一。预计CCUS在欧洲的计划开发成本可能高达500亿欧元。降低CCUS成本将加快推动CCUS技术的大规模部署。

通过在全球多个研发试点项目中进行测试以及通过在大型项目的部署过程中获得的经验，CCUS技术得到了飞速发展和进一步优化。如下图所示，不同碳减排技术的成本存在很多不确定性，比如造林与再造林等天然碳汇项目的成本最低，为每吨封存的CO2约50美元或更低。对于不同的技术，CCUS从工业点源中捕获CO2的技术的成本差异很大，具体取决于CO2的浓度，其中水泥碳捕获与封存技术和生物质能碳捕获与封存技术更昂贵。直接空气碳捕获与封存技术的成本更高（每吨CO2超过100美元）。直接空气碳捕获与封存技术成本的不确定性也最高，据报道有些成本高达400美元/吨CO2，但是这些技术具有很大的潜力。图片

图6：碳捕获潜力

注释：CCUS可能很昂贵，但是对于渴望实现碳中和的社会而言，CCUS是一种负担得起的选择。图6给出了CCUS主要技术的大概估算成本。为了了解这些成本如何影响过渡期内使用化石燃料的成本，箭头指示假设CCUS成本为每吨CO2150美元，假设油价为60美元/桶，每桶使用的CO2排放量约为0.4吨，则这意味着能源成本增加了一倍。两倍的能源成本仍处于历史高油价范围内。在这种情况下，所有CCUS技术都是可行的。

作者：万昕玥 乔婷婷 崔卓群，腾讯研究院助理研究员