我国CCUS产业化发展前景分析与建议

大量温室气体排放尤其是二氧化碳（CO2）排放导致全球气温上升已成为各国共识。根据国际能源署公布的数据，2021年全球能源相关CO2排放量又创历史新高。为实现全球温控目标，采取有效措施降低碳排放已刻不容缓。截至2022年7月，世界有137个国家或地区提出或正在研究提出净零排放目标，覆盖全球83%的碳排放、91%的GDP。各国普遍采取的减排措施主要有提高能效、发展可再生能源、拓展新型碳汇等。但仅采取这些措施，实现上述温控目标难度依然较大。在此背景下，CO2捕集利用与封存技术（CCUS）的作用和价值愈加凸显。IPCC第六次评估报告显示，CCUS技术是实现全球气候目标不可或缺的减排措施。2021年以来，国内能源企业积极部署CCUS全产业链技术研发和产业示范；2022年全国“两会”上，多位代表和委员也呼吁培育和发展CCUS产业。本文从产业、技术、政策、项目开发模式等方面对CCUS发展现状及趋势进行分析，并对中国CCUS产业发展提出相关建议。

1 产业发展现状

1.1  全球CCUS产业规模快速增长

全球规划建设的CCUS项目呈现快速增长态势。根据全球碳捕集与封存研究院的报告，截至2022年9月，全球CCUS项目总量（含运行、建设、拟建）达到了194个，同比增加59个，若全部投建总捕集能力将达到2.44亿t。项目增长主要来自于北美和欧洲，美国增长最多，达到34个。194个项目中在运、在建的项目分别为30、11个，在运项目每年可捕集和封存4258万t CO2 ，同比增长16.3%。项目涉及领域不断扩大。2020年前捕集碳源主要来自天然气脱碳、化肥、生物乙醇、甲醇以及氢气等行业产生的高浓度CO2，且以驱油提高采收率（EOR）为主；2020年后逐步拓展至化石能源发电、水泥、钢铁等行业产生的低浓度碳源，特别是2021年以来相继出现了直接空气捕捉（Direct Air Capture, DAC）等更低CO2浓度的捕集项目，且呈现出EOR与纯地质封存并重发展态势。项目单体规模不断增大。2022年新规划和在研项目平均单体规模达到186万t/a，较2021年（含）前增长67.7%。CCUS集群和枢纽出现。为适应区域性、社会化、大规模减排需求，CCUS独立运营商逐步出现，其可对多个气源点捕集的CO2进行集中输送和封存，从而构建区域性的产业集群和枢纽。加拿大阿尔伯塔政府2017年推动的ACTL 120~140万t/aCO2驱油及封存项目、荷兰正在推进的Porthos CCS集群项目采用的就是该模式。

1.2  国内CCUS产业仍处在示范阶段

截至2022年9月，国内已投运和规划的CCUS项目达到40余个，总捕集能力约600万~800万t/a，其中在研在建能力300万~500万t/a。从项目类型看，EOR项目13个，纯地质封存项目3个，化工利用及矿化项目7个，其他为捕集项目。从在研在建项目来看，国内CCUS发展呈现出以下特点：一是以科研或示范项目为主。在已投运项目中，除极少数驱油或捕集项目由示范转为试生产外，其他基本上为科研或示范项目；二是EOR项目规模逐步增大。随着胜利油田百万吨级EOR项目的投产，CO2驱油利用规模已超过220万t/a。三是低浓度气源捕集项目单体规模增大。2021年建成的国华锦界电厂捕集项目年捕集量达到15 万t，成为目前国内最大的燃煤电厂捕集项目。

2  技术发展现状及趋势分析

2.1  捕集技术突破是CCUS产业化的重点和难点

捕集能耗约占CCUS全过程总能耗的60%~70%，因此如何降低捕集的能耗和成本是CCUS产业化的关键。常用的捕集技术分为化学捕集和物理捕集两类。化学捕集技术包括化学溶剂吸收法和化学吸附法。物理捕集技术分为三类，一类是物理吸收法，利用CO2在不同温度或压力下在吸收/吸附剂中的溶解/吸附度不同而实现分离，如低温甲醇洗法、聚乙二醇二甲醚法、变压吸附法等；第二类是透过分离法，即利用不同气体透过某种物质时透过率不同而进行分离的一种方法，如膜分离法；第三类是精馏分离法，即利用不同气体沸点上的差异进行分离的方法，如低温精馏法。化学吸收法、低温甲醇洗法、低温精馏法、变压吸附法的技术相对比较成熟，且已应用于天然气脱碳，以及煤化工、煤电、炼钢等行业不同浓度的CO2捕集，但现阶段能耗和成本依然较高，无法支撑CCUS大规模发展。而化学吸附法、膜分离法技术则处于中试或示范阶段。表1列出了几种主要方法的技术发展阶段、适用场景及主要特点。

表1  主要CO2捕集方法特征分析

名称	典型工艺	技术发展 阶段	适用排放源场景	主要优点	主要缺点
化学 捕集法	醇胺溶剂吸收法	工业化应用	中、低浓度	适用范围广，捕集效率高，产品纯度高	能耗高，投资大
	化学吸附法	中试		适用范围广，净化度高	能耗高，投资大
	离子液体吸收法	实验室研究		适用范围广，再生能耗低	吸收剂和设备投资大
物理 捕集法	低温甲醇洗法	工业化应用	高浓度	溶剂稳定性好、损失小，吸收剂循环量少	工艺复杂，投资较大，吸收剂毒性大，产品纯度低
	聚乙二醇二甲醚法	工业化应用		溶剂无腐蚀无毒，工艺简单、投资少	溶剂循环量大，价格高，能耗大，CO2纯度低
	变压吸附法	工业化示范		装置操作弹性大，能耗低	投资高，产品气回收率低
	膜分离法	工业化示范	中、低浓度	适用范围广，工艺简单，适合粗分离	能耗高，投资高，膜寿命较短，对前处理要求较高
	低温精馏法	工业化应用	高浓度排放源	工艺简单，产品纯度高	压缩冷却能耗高，投资高

注：低、中、高浓度一般指CO2体积含量分别在25%及以下、25%至80%、80%及以上。

2.2  管道输送技术将成为发展重点

CO2输送是连接捕集与地质封存或利用的重要环节，主要分为槽车运输和管道运输。槽车运输通常采用液态形式。公路、铁路和船舶运输都属于槽车运输，技术上较成熟。由于CO2液化和运输途中的保温保压增加了能耗，因此整体成本较高。公路运输机动性好、环境适应性强，技术及设备成熟，但单次运量低，适用于运量较小、运输距离较短的情况；铁路运输的一次性运量和运输距离明显增大，但需铁路线作为基础支撑；船舶运输距离可更长且可在海上封存中发挥较大作用。参考目前国内外示范项目的实际运行数据，200km范围内公路槽车运输吨公里费用为0.7~0.8元；船舶运输在装载量2000t、运输距离为200km时，吨公里运输费用为0.4~0.5元，随着运距增加有逐渐下降的趋势。与槽车运输不同，管道运输可采用气、液、超临界、密相等多种形态输送，并可根据输送距离、路径环境、终端用途及经济性等综合选择输送形态。管道运输初始投资大、管由复杂、建设周期长，特别是超临界输送需保温，因此也有一定局限性。一般情况下，管道运输适宜于大运量、长距离、连续性运输。目前陆上管道输送技术已较为成熟，特别是在美国和加拿大已得到广泛应用，单条管道运能已达到每年千万吨以上。胜利油田对CO2陆上管道输送技术做了研究，形成了国内第一个行业标准《二氧化碳输送管道工程设计标准》；吉林油田设计建设了12km输送管道，在气、液态和超临界输送方面都积累了丰富的设计参数。中石油工程建设公司西南分公司正在开展CO2管道输送工程设计规范的标准制定。但总体看，国内尚未完全掌握长距离管输技术。未来随着CCUS需求增加，管道输送将成为发展重点，槽车运输将重点在小规模、近距离的源汇匹配以及分散碳源汇流方面发挥作用。

2.3 CO2驱油提高采收率技术较为成熟，近混相驱是未来发展方向

自上世纪开始研究CO2-EOR以来，技术渐趋成熟，已在多个国家实现了推广应用并取得了良好效果。目前应用较多的是混相驱和非混相驱技术。混相驱技术在美国、加拿大等得到了较广泛应用，一般混相驱可提高采收率10%~25%。据不完全统计，截至2020年底，全球已有120余个项目成功实施了混相驱，其中美国113个，占比90%以上。SACROC油藏是其成功实施的最大驱油项目，2000年开始混相驱开发，2005年产油达到峰值，到2018年已稳产13年，提高采收率约26%；加拿大Weyburn油田开发历程与SACROC类似，在多种措施无法遏制产量递减后，于1999年开始实施混相驱，年产油最高达120万t，预计总体可提高采收率15%以上。国内CO2混相驱处于示范与推广应用阶段。在大庆、草舍、胜利、吉林几大油田先后开展了先导性试验或示范工程后，国内基本建立了陆相沉积油藏CO2驱理论技术体系、工程设计和配套能力，具备了工业化推广的技术条件。2022年中石化建成投产的百万吨级碳捕集驱油项目，成为CO2驱油产业发展的新起点。混相驱能够显著提高采收率，但实现条件也较为苛刻，一是对最小混相压力的要求。最小混相压力是能否实现混相驱的关键参数，而其受到储层埋深、温度、注入气及原油成份等多种因素影响，实现起来较复杂；二是对储层适应性的要求，包括岩性、孔隙率和渗透率。一般说来，低孔低渗更适宜混相驱；三是对原油性质的要求，一般黏度小的油或轻质油更易实现混相驱。非混相驱由于不能实现CO2与原油的充分溶解混合，因此降黏减阻作用有限，提采效果不及混相驱，仅能提高7%~15%，甚至由于气窜等因素影响，提采效果不明显。从已开展的驱油项目比例来看，非混相驱不是CO2驱油的主流技术。近混相驱是近年来提出来的新概念。由于实施近混相驱可获得与混相驱接近的采出程度，且对气源纯度及注入压力等要求较低，因此在不能实施混相驱的条件下，近混相驱也是不错的选择。Dong、陈浩等对CO2近混相驱进行了研究并取得了一定的效果，但目前仍处于基础研究和实验室开发阶段。

2.4地质封存仍处于技术示范阶段

地质封存主要分为咸水层封存、废弃油气藏封存和深部不可开采煤层封存。由于单纯地质封存不产生直接经济效益，且过程中还消耗能源等资源，因此实施的项目数量和规模有限，整体上处于技术示范阶段。地质封存技术包括封存潜力评估、封存地选择、注入及安全风险管控等技术。封存潜力评估技术是地质封存的基础，整体处于研究起步阶段，目前常用的是基于层次分析的模糊综合评价方法。该方法自下至上依次定义了理论封存量、有效封存量、可行封存量和匹配封存量，封存潜力估算的准确性依次提高。对于理论封存量的计算，目前主要以美国能源部（DOE）、碳封存领导人论坛和美国地质调查局提出的方法为主。相比较来说DOE方法较常用，但由于其有效封存系数不确定性较大，导致实际封存量与估算封存量可能存在巨大差异，因此仅对封存潜力宏观认识有一定指导意义。封存地选择技术则更为复杂，不仅要考虑封存潜力，还需考虑安全性、源汇匹配度、生态保护、技术经济等因素。该方面的系统研究近几年刚开始，武汉岩土力学所初步开发了一套基于源汇匹配、技术经济等关键影响因素的封存地选择评估模型，并应用该模型对在目前技术条件下煤化工、煤电等行业开展CCUS 的平准化成本进行了估算，但系统模型需大量数据作为支撑，目前仅限用于较前期的研究，模型精度也有待进一步提升。CO2注入技术经过多年示范与实践，已形成了较为完整的技术体系，目前已进入成熟应用阶段。安全风险管控技术是注入期间及注入后十分重要的安全保障技术，目前经研究及改进已基本成熟并应用于驱油、封存的实践中。从封存技术的发展趋势看，封存潜力评估技术的精细化、封存地选择技术的系统化，以及安全风险管控技术的规范化是研究发展的重点。

3 产业政策现状及分析

3.1  国外主要国家产业政策现状与分析

（1）美国

美国扶持CCUS发展的主要政策为《国内税收法》中的45Q税收抵免政策。该政策最初在2008年由国会在《能源改进与扩展法案》中提出，规定对CO2驱油和地质封存项目分别提供10~20美元/t的补贴。由于纯封存项目的补贴额度大大低于当时的封存成本，这一政策没有对封存项目发展起到明显促进作用。2018年通过的《两党预算法》对地质封存和驱油项目的抵免金额分别增加至50和35美元/t，抵免额度增加后对地质封存带来较大促进，2019年新增项目中地质封存比例明显上升。2022年8月通过的《通胀削减法案》再次更新45Q条款，一是将纯地质封存及驱油封存的抵免额度分别涨至每吨85美元和60美元；二是为直接空气捕集单独设立抵免额度，DAC后地质封存和驱油封存的抵免额度分别为180和130美元/t；三是降低CCUS设施能力申请门槛，发电和工业设施年最低捕集量分别降至18750t和12500t；四是可直接现金退税。预计新政策将更加助推美国CCUS的发展。除税收抵免外，《美国能源法案2020》中授权60余亿美元用于CCUS的研发和工程示范。

（2）加拿大

加拿大在CCUS支持政策方面的力度位于世界前列。十多年前Alberta政府就以近20亿美元的投资推动了CCUS的进程。加拿大联邦及地方政府近年来主要通过基金资助、政府拨款、税费抵免等形式加大支持力度，其中较有影响力的政策是2022年新近出台的《清洁燃料法规》和《联邦预算》。表2中列出了近年加拿大对于CCUS发展的主要激励措施。

表2  加拿大CCUS激励措施

发布时间	发布单位	文件名称	支持额度	支持内容
2020年	联邦政府	《健康的环境和健康的经济》	--	制定全面 CCUS战略
2020年	Alberta政府	技术创新和减排计划	8000万加元	8000万元支持工业能效和CCUS；950万加元用于监管设施改造
2022年	联邦政府	《清洁燃料法规》	--	通过CCUS降低碳强度的化石燃料认定为清洁燃料
2022年	联邦政府	联邦预算	26亿加元	（1）DAC项目可申请60%税收抵免； （2）为碳捕集项目提供50%税收抵扣（不含驱油项目）

得益于上述政策支持，加拿大CCUS技术和示范项目数量增加迅速，据统计自2021年9月至今新增研究项目达到19个。

（3）欧洲

为促进CCUS技术发展并尽早实现商业化，欧盟及欧洲部分国家主要通过“欧洲创新基金”支持CCUS技术研发和创新，通过“欧洲能源复兴计划”和“地平线欧洲计划”等支持示范项目建设。此外，英国、挪威等国也结合其国内实际情况出台了一系列支持发展政策。表3中列出了欧盟及主要国家近年来对于CCUS发展的主要激励措施。

表3  欧盟及主要国家CCUS激励措施

发布时间	发布单位	文件名称	支持额度	支持内容	备注
2009年	欧盟委员会	欧洲能源复兴计划	10亿欧元	资助欧洲首批6个全流程 CCS 示范项目
2020年	英国政府	《The Ten Point Plan for a Green Industrial Revolution 》	10亿英镑	创建4个CCUS集群
2021年	挪威政府	（2021—2030）气候行动指南	—	力推CCS商业化
2022年	欧盟委员会	欧洲创新基金	18亿欧元	支持氢能等关键组件制造、可再生能源、CCS等	部分资金支持CCUS项目
2022年	欧盟委员会	地平线欧洲计划	58亿欧元	支持促进气候变化科学项目，包括CCS

3.2  国内政策现状与分析

近年来，中国在CCUS研发与示范方面的支持力度不断加大，鼓励范围也从单一环节的技术研究或中试转向工业规模全流程示范。随着“双碳”目标的提出，技术研发与示范也被纳入到国家层面科技规划中。表4列出了国内近几年在CCUS方面主要的激励措施。

表4  中国近几年主要CCUS政策措施

发布 时间	发布 单位	文件名称	资金 支持	主要内容
2020年	人民银行、国家发改委、中国证监会	《绿色债券支持项目目录（2020年版）	--	CCUS列入支持目录
2021年	国务院	《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》	--	开展碳捕集、利用和封存试验示范
2021年	国务院	《2030年前碳达峰行动方案》	--	鼓励CO2捕集利用一体化等试点示范；开展低成本CCUS技术创新，建设全流程规模化CCUS示范项目
2021年	中国人民银行	设立碳减排支持工具	按贷款本金60%提供资金支持，利率1.75%	向碳减排重点领域内企业发放碳减排贷款，包括碳捕集、利用与封存等
2021年	国家能源局，科学技术部	《“十四五”能源领域科技创新规划》	--	研发高效低能耗捕集技术和装置；驱油驱气、化学利用技术研究，封存监测、泄漏等核心技术突破；百万吨级CCS全流程示范
2022年	国家发改委、国家能源局	《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》	--	完善火电领域CCUS技术研发和试验示范支持政策，加强技术推广示范，扩大CO2驱油应用

可以看出，国家十分重视CCUS并鼓励开展关键技术攻关和全流程项目示范等，但除了人民银行初步给出了支持措施外，其他政策尚未出台具体的激励措施。随着对CCUS认识程度的加深，未来支持政策及激励措施也会逐渐明确。

4  中国产业化发展前景及建议

4.1  产业发展前景

（1）市场需求及发展潜力大

据预测，碳中和阶段除其他减排措施外，我国每年仍将有10亿~18亿t的减排需求用于解决电力、钢铁、建材等行业碳排放，而CCUS是解决这部分排放最具可能性的措施，发展潜力较大，预计CCUS的减排需求在2030、2060年分别为2.1亿和14.1亿t。另据相关研究，我国陆上CO2理论封存潜力达到2.33×104亿t、海上封存潜力为2200亿~5000亿t，巨大的封存潜力可充分满足未来封存需求。

（2）目前仍处于产业培育期，2030年后产业链逐步完善

尽管我国已开展了较多的示范项目，但仍未形成完整产业链条，整体上处于产业发展的培育期。关键技术的突破、完善的政策支持体系的建立、合理商业模式的构建以及碳抵消机制的健全等均是目前工作的重点。双碳目标下，CCUS将在碳达峰后逐步发挥作用，并向规模化低成本方向发展。未来10年将是CCUS产业的重要培育期。

（3）近五年是推出支持政策的关键时期

纵观各国发展历程，有效的政策支持是推动其商业化发展的关键因素。不论是美国的税收抵免政策、还是欧洲的直接资金支持政策，以及碳市场对于减排量交易配合政策等，都反映出政策支持的不可或缺性。随着我国“双碳1+N”政策体系的建立，预计未来五年国家将逐步推出相应支持政策。

4.2  发展建议

（1）加大关键技术攻关，降低全过程能耗和成本。重点围绕低浓度碳源低成本捕集、地质封存潜力评估、适宜封存地选择、高效驱油提采等技术开展攻关和创新，以技术进步推动全过程能耗和成本的大幅降低。

（2）推动CCUS项目示范，着力解决工程问题。从CCUS各环节合理部署工程示范项目，解决全流程工艺、装备、施工等工程技术问题，并建立和完善风险防控和管理机制，积累工程建设及运行经验。

（3）加强源汇匹配评估研究，探索高效商业化模式。细化国内适宜封存地封存潜力评估工作，掌握国内整体碳排放源排放特征，做好源汇匹配的统筹规划，探索匹配高效的商业化发展模式，促进CCUS设施低成本高效运行。

（4）进一步完善激励政策，合理引导产业有序发展。要研究把握CCUS发展规律，探索建立适合国情且与技术发展阶段相适应的激励机制，把握好产业培育的时机与发展节奏，有序推动产业合理布局。