碳捕集利用与封存一体化技术研究进展与产业发展策略

       二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术作为目前可以实现化石能源大规模净零排放利用的兜底技术选项，对火力发电、石化、钢铁和水泥等行业深度减排至关重要，对实现中国“双碳”目标具有重要意义[1-3]。自2007年《中国应对气候变化国家方案》中首次提出大力开发CCUS技术以来[4]，至2021年《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确将CCUS技术作为重大示范项目[5]，以及《中共中央、国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中提出要推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用[6]。CCUS已经成为中国政府在制定能源技术发展规划时考虑的重点技术[7]。

       近年来，CCUS技术虽已具备工业化应用能力，但是商业化应用水平依然比较落后。截至2021年年底，中国已投运或建设中的CCUS项目总捕集能力为300万吨/年，仅为美国的十分之一，约占2021年全国碳排放总量的0.025％[8]。并且，多以火电、煤化工等行业的小规模单一技术环节项目为主，而大规模多技术组合的技术项目不足。中国已投运或建设中的CCUS项目约40项，其中仅5项属于商业化CCUS技术项目。阻碍CCUS技术商业化应用的主要问题之一在于：CCUS技术是一揽子技术的集成，而且通常是不同企业具备部分技术、资源等条件，因此，CCUS项目开展时会面临市场竞争、技术壁垒、供需错配等风险，从而增加交易成本，降低了项目经济性。而CCUS一体化技术具备调整二氧化碳捕集量、运输量与封存利用量的生产调度机制以优化生产决策并实现供需平衡，具备实现各主体高效交易运营的内部销售机制以降低交易成本，还具备较为完整的政策支持体系。因此，作为能够整合产业链资源、降低中间成本、优化生产策略的CCUS一体化技术项目已经成为促进CCUS商业化应用，特别是大规模CCUS产业集群建设的重要选择[9-10]。但是，目前中国CCUS中各环节技术大多未实现商业化应用，技术成本高且发展不确定性大；而且中国尚未形成有针对性的财税激励政策体系[11]；此外，CCUS一体化技术项目中各企业主体之间的交易合作难，这些因素阻碍了中国CCUS一体化技术项目的开展。在此背景下，为了推动CCUS一体化技术项目建设并提出针对性的发展建议，亟待全面梳理与提炼影响CCUS一体化技术项目开展的关键因素，包括各环节技术成熟水平、政策支持体系、项目运营模式等方面的研究与应用现状[8][12]。

       因此，本文基于学术研究与产业应用两方面，首先，从整体规划出发，系统梳理了截至2021年年底国内外CCUS一体化技术研究以及项目建设现状。进而，从项目规划的技术选项出发，调研分析了全产业链关键技术的成熟度水平，并据此提出技术发展建议。随后，从项目所需的政策支持出发，对比分析了国内外主要国家的政策支持的研究与实施情况，从而提出针对中国的政策支持实施建议。另一方面，从项目运营的商业模式出发，基于商业模式的应用与研究现状调研，对比分析了多种商业模式的优劣势，从而优选不同时期CCUS一体化技术项目的商业模式。最终，为中国开展CCUS一体化技术项目建设，进而促进其大规模商业化应用提供决策支持与政策参考。

       一、CCUS一体化技术研究与应用现状

       (一)CCUS一体化技术研究现状

       科技论文和专利是CCUS一体化技术的基础研究与研发应用的量化指标。如图1所示，在论文方面，根据Web of Science核心合集数据库的检索结果显示，自2000-2021年，科技论文年发文量从不足10篇增长至约900篇，呈现快速发展趋势。总发文量位居前三位的国家分别为美国(986篇，16％)、中国(953篇，15％)和英国(632篇，10％)。近年来，中国发文数量迅速增长，并在2016年超越美国成为科技论文产出大国。在专利方面，基于Derwent Innovation专利数据库检索分析发现，全球CCUS一体化技术专利申请量共18133项，整体呈现出逐年增长趋势。由于专利申请公开时间具有18个月的滞后，以及专利数据库数据收集和录入有一定的延迟，因此2021年专利申请数量仅作为参考。其中，美国(5084项，28％)、中国(4354项，24％)、日本(3000篇，17％)的专利申请数量位居前三。基于政策引领作用，中国专利申请数量在2016年超越美国成为专利成果产出大国。综合分析表明，CCUS一体化技术已经受到技术研发领域的广泛关注。

      

       图1 主要国家科技论文年度发表趋势与专利年度申请趋势

       通过对论文和专利内容的分析发现，CCUS一体化技术的研究热点主要聚焦二氧化碳捕集技术、二氧化碳规模化输送技术、二氧化碳强化采油和封存技术、CCUS产业集群发展等。(1)加快新一代高效低能耗低成本的二氧化碳捕集技术研究，如针对低浓度排放源的新一代吸附剂(离子液体、相变溶剂)、膜分离法和钙循环技术等。(2)管网规划与优化设计技术成为解决CCUS一体化技术项目中源汇匹配问题的关键。姜大霖等[13]以原神华集团燃煤电厂实施CCUS改造为例，对二氧化碳捕集改造和运输及封存潜力进行预评价，通过邻近分析方法优化整个 CCUS系统的成本或材料最小化，在一定条件下实现二氧化碳源汇匹配。(3)发展含油气盆地驱油封存技术体系。胡永乐等[14]指出该技术体系的关键包括油藏工程的参数设计、采油过程中二氧化碳分层注气工艺和地面工程技术的二氧化碳捕集、管道输送、地面注入、产出气循环注入等，并提出低成本捕集技术、改善二氧化碳与原油之间混相技术、提高二氧化碳波及体积技术等是未来技术发展的主要方向。(4)通过二氧化碳化工利用、生物利用和矿化利用技术，开展基于工业流程再造碳转化利用模式的产业集群和基于多种技术组合的碳循环利用产业集群。英国通过在Net Zero Teesside项目部署CCUS工业集群，减少工业中二氧化碳排放量的50％。将大型独立的CCUS基础设施转移到以发展枢纽和产业集群的战略部署降低了单位成本，改善CCUS项目经济性的同时降低了商业和融资风险[15]。中国CCUS一体化技术项目市场潜力尚未完全开发，商业化应用有待进一步提高，更未形成CCUS产业集群。因此，未来需要继续开展CCUS产业化集群建设相关研究。