中国CCUS的发展趋势及其减排预测

自工业化以来，人类活动已经导致全球气温升高约1摄氏度，如果全球变暖按照目前的速度发展下去，在2030年-2052年间，气温将会升高1.5摄氏度，而温室气体排放是导致气候变暖的主要原因之一，其中二氧化碳的排放又占据了大部分的温室气体排放。各国为应对这一环境问题在《巴黎协定》中都承诺对于本国的气候问题解决提出方案。截止到2021年4月，已有44个国家和欧盟宣布了净零排放目标，这些国家和地区所承诺的减排量占到了全球70%的二氧化碳排放量。

中国的资源禀赋决定了我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，使得中国二氧化碳的排放大部分都来自于化石燃料的燃烧。2012年，全国二氧化碳排放68%来自于煤炭的燃烧，石油约占13%，天然气约占7%。中国作为世界上最大的二氧化碳排放国，在经济高度依赖化石能源的情景下，CCUS技术的出现可以极大的减轻中国在应对气候问题时对经济带来的冲击。2005年首个CCUS项目顺利运行，随着国家对气候问题的重视程度逐渐加深，CCUS技术已经在中国获得了极大的发展，目前约有40个项目在运行或间歇运行中。2020年9月，中国提出了在2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和的“双碳目标”。相较于发达国家，中国的碳达峰至碳中和时间仅有30年。作为碳减排领域的重要技术，CCUS对中国的减排至关重要。根据相关研究机构的数据，在碳中和目标下，2030年中国CCUS减排需求为0.2-4.08亿吨，2050年为6-14.5亿吨。但是从2005年到2020年这十五年间的发展后，在运行CCUS项目的总减排量也仅为329.8万吨。大部分学者对于CCUS关注的重点在于2040年亦或是2060年的减排量，却忽视了如何达到这个期望减排量的发展过程。本文根据现实经济、政策等设定CCUS发展速度，测算在不同的发展速度下CCUS未来对中国碳减排事业的贡献。

一、中国CCUS的发展现状

2006年，中国首次提出了碳捕集利用与封存(CCUS)的想法,指出了CCUS技术的推广对于碳减排的重要意义。CCUS技术一经提出，就受到国家和政府的高度重视，中国政府通过国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（“973”计划）、国家高技术研究发展计划（“863计划”）、国家科技支撑计划和国家重点研发计划等对CCUS的基础研究、技术突破和商业运作等都给予了一定的支持。到“十一五”末期，国家资助的CCUS项目相关研究已有40多项。

中国CCUS的发展阶段大致可以分为四个：2006年之前，CCUS在中国初步发展，山西沁水的中联煤驱煤层气项目成为中国第一个利用CO2的项目。在2006年-2010年之后，发展速度加快，每年平均新增1个CCUS项目，并且开始利用CO2驱油以提高石油采收率，为CCUS项目增加营收，如中石油吉林油田EOR项目年捕集、中石油华东油气田CCUS全流程示范项目等，虽然新增了部分项目，但是整体减排量还是较小，集中在0.1万吨-5万吨之间，推动引领CCUS技术发展的示范意义更强。2010年-2016年，CCUS的发展更加多元化，捕集规模更大，新增的项目涉及部分艰难减排行业如水泥、化工行业。如北京琉璃河水泥窑尾烟气碳捕捉及应用项目是水泥行业第一个CCUS项目。在此阶段CCUS项目每年新增3-4个，并且规模也较上个阶段有所扩大，逐渐向10万吨以上的规模扩大，如中石化中原油田CO2-EOR项目年捕集二氧化碳的规模约10万吨。而在2016年后，中国CCUS项目发展更加迅速，部分项目年捕集的二氧化碳规模已经在100万吨以上。

现阶段中国在运行的CCUS项目约有40个，二氧化碳减排量约400万吨/年。目前中国发展的CCUS项目的减排量、所在地区、捕集的工业类型以及最终的利用方式都呈现出多元化。项目的减排量规模在0.1万吨-100万吨之间，主要集中在1万吨-50万吨之间。减排规模的分布见图1。

 

图1  CCUS项目减排规模分布

 

捕集的行业类型包括电力、水泥、化工等行业。中国电力行业因为能源消费结构特点，中国的发电量发电以热电为主，燃煤发电占电力行业总发电量的63%，并且由于二氧化碳浓度高、热电厂改造CCUS项目技术难度相较其他行业更小，所以电力行业是CCUS项目主要应用的行业。其次主要应用捕集的行业集中在水泥厂的尾气排放和化工行业制备化工产品所产生的尾气。截止到2021年，化工行业捕集的二氧化碳多达205万吨。具体行业分布情况见图2。

 

图2 CCUS项目的行业分布

 

CCUS捕集二氧化碳的最终处置方式包括提高原油采收率（Enhanced Oil Recovery，EOR)，提高煤层气采收率(enhanced coal bed methane recovery，ECBM)、食品级 CO2 精制以及其他工业利用方式。EOR是目前利用CO2最多的方式，利用二氧化碳驱油可以将石油的采收率增加8%-15%，额外的收益保证了CCUS项目的稳定运行。而其他方式受CO2价格波动和利用方式可持续性影响，带来的收益相对并不稳定。其次，地质封存也是CCUS项目处理二氧化碳的常用方式，但是这种方式受限于碳源和封存地的距离、经济性等，目前只有19%的项目采用这种方式。图3展示了目前CCUS项目的利用方式分布。

 

图3  CCUS项目利用方式分布

 

减排贡献的预测

 

 

参考中国CCUS项目的发展历史，在早期阶段（2006年-2010年），每年新增一个CCUS项目，而在2010年-2016年，国家和政府的重视程度增加，加大了对有关CCUS技术的科研项目资助，在此期间CCUS项目发展速度加快，每年平均可以新增3个项目。再根据目前已经提出或立项的CCUS项目减排量70%都在100万吨以上，得出结论大规模项目是未来CCUS项目的发展趋势，因而设定未来新增的项目减排量为100万吨。结合中国的能源消费结构调整速度和2030年的碳达峰目标，CCUS项目的发展速度应高于前一阶段的增长速度，至少应保持前一阶段的增长速度。因此，我们根据过去的发展速度，设定未来每年新增CCUS项目的个数分别为=1、2、3，预测2040年时CCUS项目的减排的贡献率。

当每年新增3个百万吨级别的CCUS项目，2040年时全国的二氧化碳排放量约为172.69亿吨，CCUS项目捕集的二氧化碳量约为7679.80万吨，CCUS技术的贡献率约为0.34%。具体增长贡献差异见图4。

 

图4 CCUS按照不同项目个数增长下的减排贡献

在2020年末,CCUS项目捕集的二氧化碳总量为329.8万吨，设定每年CCUS项目减排量增长速度为，分别取10%、20%、30%。当设定CCUS减排量以不同的速度增长时，减排贡献率差异相较于项目数量增长方式会更加显著。当每年以30%的涨幅增加二氧化碳捕集量，贡献率可以达到3.8%，相较于以10%的速度增长时，减排贡献约为0.016%。两者之间相差约20倍。预测减排贡献差异见图5。

 

图5 CCUS按照不同速度增长下的减排贡献

 

为更进一步的明确CCUS技术的减排贡献潜力，对工业部门细分，结合CCUS项目与各行业的实际利用情况，从行业的角度出发，比较CCUS技术的减排贡献潜力。目前中国工业部门中CCUS技术减排主要应用在电力行业、化工行业和石油业和水泥业，而其他行业还没有成熟的、具有一定规模的CCUS减排项目。因此我们仅预测CCUS对电力行业、化工行业、石油业和水泥业这四个行业的减排贡献潜力。

设定行业的CCUS项目减排量增长速度为，分别取10%、20%、30%，由于当前各行业间CCUS项目减排量不同，导致捕集量在相同的增长速度下，到2040年各行业间CCUS项目减排贡献也产生了很大的差异。当电力行业捕集量以30%的速度增长时，到2040年CCUS技术对其减排贡献率也仅达到了2.3%。对比化工行业的预测减排贡献率，在以30%的速度增长时，其贡献率可以达到17.3%，远远高于其他行业的减排贡献率。预测结果见下图。

 

图6 CCUS在不同行业间的减排贡献差异

 

CCUS源汇匹配最主要考虑的是排放源和封存场地地理位置和环境适宜性，而中国地区间地质地貌特征差异较大，使得CCUS项目在不同地区的发展潜力也会有所差异。并且地区间的经济发展差异同样也会对CCUS减排潜力造成影响。因此以同样的方法对其展开评估。

CCUS技术在三种不同的增长速度下，对于各地区间的贡献有显著差异。对于东北地区的贡献始终是最大的，当二氧化碳捕集量以30%的速度增长时，到2040年CCUS技术对于东北地区的减排贡献可以达到8.4%。而同时，作为中国最为发达的东部地区CCUS减排贡献率低于西部地区，约占西部地区CCUS减排贡献率的40%。对于中部地区的贡献在三种增长速度下始终是最低，当以最大幅度增加减排规模时，CCUS技术的减排贡献也仅有1.08%。造成这种贡献差异的原因在于：东北地区相较于其他地区，碳排放量较少，预测到2040年时东北地区的二氧化碳排放量仅有16.41亿吨，远低于中部地区33.85亿吨、东部地区61.81亿吨和西部地区46.06亿吨。并且东北地区的松辽盆地良好的储盖层性质使其拥有极大的封存二氧化碳的地质潜力。此外，东北大量油田也为二氧化碳的利用提供了方法，良好的地质条件和源汇匹配情况使得CCUS技术对东北地区的贡献最大。东部地区在源汇匹配方面有着较好的空间分布，拥有大量高二氧化碳浓度的排放源的化工企业和煤电厂，但是由于东部地区缺少适宜封存的地质，使得CCUS技术无法大范围应用，使得预测贡献率低于西部与东北地区。具体分地区减排贡献差异见图7。

 

图7 CCUS在不同地区间的减排贡献差异

 

二、政策建议

针对预测CCUS技术对于国家、行业、地区的减排贡献率，结合我国的具体发展情况，对于我国的减排事业提出以下政策建议：

（1）CCUS技术的未来的发展应以集群化、商业化为目标。CCUS项目的规模化后，最大的优势就在于可以降低成本。如建立CCUS工业园区后，在一定程度上可以共享部分基础设施，降低项目初期的投资成本。而CCUS技术商业化运作后，可以使项目本身以“CO2”为价值核心，形成一定的“造血”能力，使得项目可以维持长久的运营。

（2）国家政策补贴CO2运输过程中的成本。从预测结果来看，不同的地区CCUS贡献率差异很大。经济较不发达的地区，有着良好的地质封存条件，而经济发达的地区又缺少利用和封存地质条件。但是发达地区捕集的CO2运输到可以封存的地质，又会产生高昂的成本，因此，国家可以补贴对CCUS中CO2运输环节进行补贴，更进一步促进各地区资源配置利用。

（3）重视其他可再生能源和能源结构的调整。当CCUS技术捕集二氧化碳量按照30%的速度增长时，对于我国的减排贡献率仍只有7.68%。所以除了CCUS技术外，还应注重其它绿色能源的技术和能源结构的调整，共同作用实现碳中和。