中國儲能網(wǎng)訊：文/邢力仁 武正彎 張若玉，中國海洋石油集團有限公司，國際石油經(jīng)濟
1、CCUS技術(shù)概述和應(yīng)用意義
1.1、CCUS技術(shù)概述
CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)是一項針對溫室氣體的減排技術(shù)，能夠大幅減少使用化石燃料的溫室氣體排放，涵蓋二氧化碳（CO2）捕集、運輸、利用與封存4個環(huán)節(jié)。
在捕集階段，目前主要涵蓋3種技術(shù)：1）燃燒后捕集，主要應(yīng)用于燃煤鍋爐及燃?xì)廨啓C發(fā)電設(shè)施；2）燃燒前捕集，需要搭配整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（IGCC），投資成本較高，只能用于新建發(fā)電廠；3）富氧燃燒，通過制氧技術(shù)獲取高濃度氧氣，實現(xiàn)煙氣再循環(huán)。
在運輸階段，世界上CO2運輸存在管道、船舶、鐵路/公路等靈活多樣的運輸方式，其中CO2的管道輸送正作為一項成熟技術(shù)在商業(yè)化應(yīng)用。目前國內(nèi)CO2輸送主要采用罐車運輸。
在利用階段，CO2地質(zhì)利用尤其是驅(qū)油技術(shù)，因其封存規(guī)模大并具有提高采收率的良好效應(yīng)，在各類CCUS技術(shù)中脫穎而出，使得CO2驅(qū)油成為CCUS的主要技術(shù)發(fā)展方向。同時，越來越多的技術(shù)被納入CCUS體系中，包括化工利用、生物利用、物理利用等。
在埋存階段，地質(zhì)封存又可進一步劃分為咸水層（鹽水層）封存、深部不可開采煤層封存、廢棄油氣藏封存3種主要類型。目前，國際上也已開展海上鹽水層及廢棄油氣田埋存CO2的示范項目。從埋存類型來看，在運行及執(zhí)行項目中有60%以上是CO2驅(qū)油項目。
1.2、CCUS的應(yīng)用意義
從低碳發(fā)展和碳減排的角度，CCUS技術(shù)的推廣和應(yīng)用意義重大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
1）CCUS技術(shù)是唯一能夠大量減少工業(yè)流程溫室氣體排放的手段。對于煉化、氣電、水泥和鋼鐵行業(yè)來說，要想實現(xiàn)在生產(chǎn)過程中的深度減排，CCUS技術(shù)是必不可少的，而且是可再生能源電力和節(jié)能技術(shù)不可替代的，對于我國踐行低碳發(fā)展戰(zhàn)略和實現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要。IEA在《世界能源技術(shù)展望2020——CCUS特別報告》中指出，到2070年全球要實現(xiàn)凈零，除能源結(jié)構(gòu)調(diào)整之外，工業(yè)和運輸行業(yè)仍有29億噸CO2無法去除，需要利用CCUS進行儲存和消納。
2）CCUS技術(shù)是未來具有一定經(jīng)濟性的減排手段。對于水泥、鋼鐵和化工等減排難度較大的行業(yè)來說，CCS是最成熟、成本效益最好的選擇。若不采用CCS，這些行業(yè)幾乎不可能實現(xiàn)凈零排放。同時，煤或天然氣結(jié)合CCS技術(shù)制氫是成本最低廉的低碳制氫方式。對于難以減排的行業(yè)，低碳制氫將發(fā)揮重要作用。
3）CCUS是生產(chǎn)低碳?xì)涞闹匾緩街?。IEA指出，除使用可再生能源電解水制氫外，經(jīng)過CCUS技術(shù)改造的化石能源制氫設(shè)施也是低碳?xì)涞闹匾獊碓?。目前，全球?jīng)過CCUS技術(shù)改造的7個制氫廠每年可生產(chǎn)40萬噸的氫氣，是電解槽制氫量的3倍。未來，與制備低碳?xì)溆嘘P(guān)的CCUS項目將快速增加，帶動碳捕集量不斷增長（見圖1）。預(yù)計到2070年，全球40%的低碳?xì)鋵碜浴盎剂?CCUS技術(shù)”。
2、CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
2.1、CCUS產(chǎn)業(yè)仍處于商業(yè)化的早期階段
全球碳捕捉與封存技術(shù)發(fā)展已40余年，尤其在CO2驅(qū)油領(lǐng)域取得了豐富的研究與實踐經(jīng)驗。就整個CCUS產(chǎn)業(yè)而言，受限于經(jīng)濟成本的制約，目前仍處于商業(yè)化的早期階段。但從技術(shù)角度看，其所涉及的各個環(huán)節(jié)，均有較為成熟的技術(shù)可以借鑒。按照CCUS產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的組合關(guān)系，可將國內(nèi)外CCUS產(chǎn)業(yè)模式分為3類：1）捕集-利用型（CU型），將捕集的CO2進行直接應(yīng)用，主要為化工利用和生物利用；2）捕集-運輸-埋存型（CTS型），將捕集的CO2通過罐車或管道等方式輸送至目的地，并進行地質(zhì)封存，例如神華在內(nèi)蒙古開展的咸水層封存示范工程；3）捕集-運輸-利用-埋存型（CTUS型），利用方式主要為CO2驅(qū)油。目前，在全球大規(guī)模綜合性項目中，美國、加拿大及中東地區(qū)以CTUS型為主，歐洲、澳大利亞則以CTS型居多。
我國運行及在建項目多為CU型，完整產(chǎn)業(yè)鏈的CTUS型相對較少。
2.2、全球CO2捕集量主要集中于北美和歐洲
根據(jù)全球碳捕集與封存研究院（GCCSI）的統(tǒng)計，目前世界上的CCUS項目超過400個，有65個商業(yè)CCS設(shè)施。在2020年啟動的17個商業(yè)設(shè)施中，12個都位于美國。正在運行中的CCS設(shè)施每年可捕集和永久封存約4000萬噸CO2。在運行、在建和規(guī)劃的項目中，年捕集量在40萬噸以上的大規(guī)模綜合性項目有43個，62%的捕集量集中在北美和歐洲地區(qū)，其次是澳大利亞和中國。美國在利用CO2驅(qū)油的同時，已經(jīng)封存CO2約10億噸，形成了較為成熟的驅(qū)油技術(shù)和配套設(shè)施。
從CO2排放源類型及規(guī)模來看，主要集中于電廠、天然氣處理、合成氣、煉油及化工等行業(yè)。其中電廠捕集量最大，占52%。從單個項目CO2捕集量來看，天然氣處理、合成氣、煤液化及電力行業(yè)的CO2捕集量平均為200萬～370萬噸/年，化肥、制氫、鋼鐵、煉油及化工行業(yè)捕集量平均為90萬～120萬噸/年。
2.3、中國碳捕集技術(shù)主要應(yīng)用于煤電行業(yè)，地質(zhì)封存則集中于石油行業(yè)
中國各類CCUS技術(shù)覆蓋面較廣，相關(guān)項目涵蓋了深部咸水層封存、CO2驅(qū)油、CO2驅(qū)替煤層氣等多種關(guān)鍵技術(shù)（見表1）。截至2019年底，中國共開展了9個捕集示范項目、12個地質(zhì)利用與封存項目，其中包含10個全流程示范項目。所有CCUS項目的累計CO2封存量約為200萬噸。
從CO2排放源類型來看，以電廠、水泥、鋼鐵和煤化工為主，其排放量占總量的92%；從CCUS示范項目的碳捕集源來看，主要集中在煤電和煤化工領(lǐng)域，CO2運輸方式以罐車為主，管道運輸項目較少。
從碳利用和封存方式來看，目前我國化工和生物利用的CO2數(shù)量較少?；だ檬且曰瘜W(xué)轉(zhuǎn)化為主要手段，將CO2和共反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物，產(chǎn)品包括材料、燃料、化學(xué)品等；生物利用是以生物轉(zhuǎn)化為主要手段，將CO2用于生物質(zhì)合成，產(chǎn)品包括食品、飼料、肥料等。燃煤電廠碳捕集后一般為食品加工業(yè)或工業(yè)所用，而煤化工領(lǐng)域碳捕集后較多用于驅(qū)油，兩類碳捕集均有咸水層封存案例，且封存潛力較大。
目前，CCUS示范工程投資主體基本是國內(nèi)大型能源企業(yè)，全流程初始投資及維護成本之和超千元/噸，典型CCUS項目各環(huán)節(jié)成本構(gòu)成如圖2所示。其中，捕集階段是能耗和成本最高的環(huán)節(jié)。低濃度CO2捕集成本為300～900元/噸，罐車運輸成本約為0.9～1.4元/噸·千米。驅(qū)油封存技術(shù)成本差異較大，但因其具有提高采收率的有利效應(yīng)，可在一定程度上補償CCUS成本。當(dāng)原油價格為70美元/桶時，可基本平衡CCUS驅(qū)油封存成本。
2.4、CO2驅(qū)油已成為石油行業(yè)提高采收率的關(guān)鍵技術(shù)
世界范圍內(nèi)，注氣驅(qū)油技術(shù)已成為產(chǎn)量規(guī)模居首位的強化采油技術(shù)。在氣驅(qū)技術(shù)體系中，CO2驅(qū)油兼具經(jīng)濟和環(huán)境效益。石油行業(yè)探索應(yīng)用CO2驅(qū)油技術(shù)的歷史可追溯到20世紀(jì)中葉，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CO2驅(qū)油已成為提高采收率的關(guān)鍵技術(shù)，并且已成熟應(yīng)用于美國和歐洲主要石油公司。隨著全球應(yīng)對氣候變化的壓力逐漸增大，石油行業(yè)在發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)方面形成了一定的共識，世界五大石油公司均在產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)開展布局與實踐。bp、埃尼、艾奎諾（Equinor）、殼牌、道達爾和英國國家電網(wǎng)公司建立了北部耐力合作伙伴關(guān)系（NEP），以建設(shè)海上基礎(chǔ)設(shè)施，在英國北海安全運輸和儲存數(shù)百萬噸CO2，建立脫碳的工業(yè)集群；埃克森美孚將成立新的碳減排部門，提供低碳減排技術(shù)商業(yè)化解決方案，初期將專注于碳捕獲和儲存；雪佛龍宣布將持續(xù)投資開發(fā)CCUS技術(shù)的BluePlanetSystems公司，逐步降低工業(yè)生產(chǎn)中的碳排放強度；ADNOC（阿布扎比國家石油公司）與道達爾簽署戰(zhàn)略框架協(xié)議，以探索在CO2減排以及CCUS領(lǐng)域的聯(lián)合研究。
值得關(guān)注的是，EPC（工程總承包）公司在CCUS領(lǐng)域項目建設(shè)方面扮演著重要角色，并積極參與石油公司在CCUS領(lǐng)域的項目設(shè)計與實施，開展技術(shù)應(yīng)用與實踐，且多數(shù)EPC公司同時參與油氣領(lǐng)域和CCUS領(lǐng)域的項目建設(shè)（見表2）。
從國內(nèi)來看，石油行業(yè)CO2利用以提高采收率為主，在驅(qū)油的同時將CO2封存于地下，實現(xiàn)碳減排和增產(chǎn)的雙重利益。已開展驅(qū)油項目的油田包括中國石油大慶、吉林、新疆、長慶油田和中國石化勝利、中原油田等，并在吉林、勝利等油田成功建成了CO2驅(qū)油與埋存的示范基地，取得了理論、技術(shù)和礦場試驗方面的重大進展。CO2驅(qū)替煤層氣項目仍處于先導(dǎo)試驗階段，由中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在沁水-臨汾盆地的柳林和柿莊區(qū)塊開展。
中國石化塔河煉化公司在綜合利用CCUS技術(shù)方面取得了良好成效。公司對兩套制氫裝置加熱爐尾氣進行回收處理，產(chǎn)出高純度的CO2供應(yīng)塔河油田，用于驅(qū)油并埋存在廢棄和低效的油井里。該項目具備年產(chǎn)11.6萬噸液態(tài)CO2的能力，一期已于2020年5月投入使用。
3、 CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸及技術(shù)發(fā)展趨勢
3.1 、國內(nèi)CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的瓶頸仍需突破
相對于中國在CO2排放量和減排的需求，當(dāng)前CCUS在中國的減排貢獻仍然很低，年封存量約為年排放量的萬分之一，CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨多個因素制約。
一是CCUS項目成本普遍較高，尚未形成產(chǎn)業(yè)集群。在實際應(yīng)用中，高昂的投資成本及運行成本阻礙了CCUS項目的順利推進。但油價上漲可以大幅度提高CO2承受成本，對于有一定承受力的油田，油價每增加10美元/桶，其承受成本將增加12～92元/噸，但只有不到1/4的油田可承受200元/噸以上的來源成本 （捕集+壓縮+運輸成本）。從煤電行業(yè)來看，情況似乎更加不容樂觀。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，煤電示范項目安裝碳捕集裝置后，捕集每噸CO2將額外增加140～600元/噸的運行成本，直接導(dǎo)致發(fā)電成本大幅增加，無法實現(xiàn)減排收益，嚴(yán)重影響著企業(yè)開展CCUS示范項目的積極性。
二是CCUS產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)有待進一步突破，資金支持力度仍需加大。若要推動第二代燃煤電廠碳捕集技術(shù)在2030年示范完成并投入商業(yè)化運營，則應(yīng)進一步增加政策扶持和融資力度。同時，燃燒前處理技術(shù)仍屬新興技術(shù)，發(fā)電機成本較高，需要加快技術(shù)研發(fā)步伐。另一方面，受現(xiàn)有的CCUS技術(shù)水平的制約，在項目部署時將使一次能耗增加10%～20%甚至更多，效率損失很大，嚴(yán)重阻礙著CCUS技術(shù)的推廣和應(yīng)用。要迅速改變這種狀況就需要更多的資金投入。
三是商業(yè)模式尚未成熟，產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨多重阻礙。全流程CCUS示范項目涉及電力、煤化工、鋼鐵、油氣等多個行業(yè)的不同企業(yè)，項目的實施普遍面臨收益分享、責(zé)任分擔(dān)和風(fēng)險分擔(dān)等難題，需要建立有效的協(xié)調(diào)機制或行業(yè)規(guī)范，以及長期公平的合作模式，有效解決氣源供給、管網(wǎng)輸送、地企關(guān)系等難題，從而實現(xiàn)CCUS項目各環(huán)節(jié)的良好對接。
3.2、國家扶持政策將逐步引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展
近期發(fā)布的綠色低碳產(chǎn)業(yè)扶持政策將推動中國CCUS產(chǎn)業(yè)邁出堅實步伐。2020年7月8日，人民銀行會同國家發(fā)改委、中國證監(jiān)會發(fā)布《關(guān)于印發(fā)〈綠色債券支持項目目錄 （2020年版）〉 的通知（征求意見稿）》，CCS被首次納入其中，進一步拓展了項目融資渠道。2021年政府工作報告中提出，今年要扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定2030年前碳排放達峰行動方案。“十四五”時期，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和CO2排放分別降低13.5%和18%，這兩項指標(biāo)將作為約束性指標(biāo)進行管理。陜西省和海南省在2021年地方政府工作報告中也提出，要發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)，開展相關(guān)研究。同時，2021年“兩會”期間，多位代表委員表示，要“多措并舉”加快碳中和進程，一手抓傳統(tǒng)能源的技術(shù)改造，另一手推新能源的深度發(fā)展。
《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》也提出，要“開展碳捕集利用與封存重大項目示范”。從長期來看，CCUS對于碳中和是不可或缺的技術(shù)，而且發(fā)展規(guī)模將快速增長?？梢灶A(yù)見，未來5年開展重大項目示范，將推動CCUS在本世紀(jì)30年代初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對于2060年前實現(xiàn)我國碳中和目標(biāo)意義重大。
3.3、CCUS技術(shù)發(fā)展仍具有廣闊前景
2020年12月，能源基金會發(fā)布的《中國碳中和綜合報告2020》指出，電力行業(yè)達峰之后碳排放必須立即下降，到2050年實現(xiàn)零碳或負(fù)排放。與2015年相比，2050年我國建筑和工業(yè)行業(yè)必須實現(xiàn)90%減排，交通實現(xiàn)80%減排，所有行業(yè)都需要盡快達峰；停止新建未使用CCUS技術(shù)的常規(guī)燃煤電廠；識別并關(guān)停一小部分老舊、高污染且效率低下的現(xiàn)有燃煤電廠。以上約束指標(biāo)體現(xiàn)了對CCUS技術(shù)的剛性需求，必將加速CCUS產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的迭代發(fā)展。
IEA研究表明，基于2070年實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，到2050年，需要應(yīng)用各種碳減排技術(shù)將空氣中的溫室氣體濃度限制在450 ppm以內(nèi)，其中CCUS的貢獻為9%左右，即利用CCS技術(shù)捕集的CO2總量將增至約56.35億噸，其中利用量為3.69億噸，封存量為52.66億噸。到2070年，化石燃料能效提升與終端用能電氣化、太陽能/風(fēng)能/生物質(zhì)能/氫能等能源替代和CCUS是主要碳減排路徑，累計減排貢獻的占比分別可達40%、38%和15%。對于中國而言，到2050年，電力、工業(yè)領(lǐng)域通過CCUS技術(shù)實現(xiàn)CO2減排量將分別達8億噸/年和6億噸/年。如果要將凈零目標(biāo)從2070年提前到2050年，全球CCUS設(shè)施數(shù)量必須再增加50%。
盡管CCUS技術(shù)目前能耗和成本仍較高，但長期來看，必將隨著技術(shù)的不斷進步而趨于下降。IEA預(yù)計，碳捕集成本在未來10～20年間將下降30%～50%。其中，通過推廣電化學(xué)分離技術(shù)預(yù)計可使電廠平準(zhǔn)化度電成本 （LCOE） 下降30%；使用膜分離、先進化學(xué)吸收法、變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA）、鈣循環(huán)法等工藝可使LCOE下降10%～30%；使用加壓富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒和吸附強化水煤氣變換技術(shù)可使LCOE下降10%。隨著智能化鉆井技術(shù)和勘探技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計碳封存成本到2040年將下降20%～25%。并且隨著CO2交易價格的不斷上漲，CCUS將越來越具有經(jīng)濟性。
4、對我國發(fā)展CCUS產(chǎn)業(yè)的建議
4.1、開展以商業(yè)化為目標(biāo)的大規(guī)模CCUS全流程示范項目
目前，我國已經(jīng)開展的CCUS示范工程規(guī)模較小，技術(shù)水平與設(shè)備規(guī)模仍需進一步突破，同時缺少全流程一體化、更大規(guī)模的可復(fù)制的經(jīng)濟效益明顯的集成示范項目。未來，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國還需要探索和布局百萬噸甚至千萬噸級的CCUS項目。鑒于此，建議開展以商業(yè)化為目標(biāo)的全流程、大規(guī)模的示范項目，盡快促進商業(yè)模式形成，為行業(yè)制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、項目監(jiān)測和風(fēng)險評估方法提供實踐支持。
4.2、開展CCUS產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)
在源匯匹配條件較好的區(qū)域建設(shè)CCUS工業(yè)集群，通過對管網(wǎng)和封存基礎(chǔ)設(shè)施的共享使用，可降低成本、形成規(guī)模效應(yīng)，提高CCUS技術(shù)應(yīng)用的可行性。建議在鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾-吐哈盆地、四川盆地、渤海灣盆地、珠江口盆地等具有集群建設(shè)有利條件的區(qū)域，積極探索建設(shè)以CCUS技術(shù)為基礎(chǔ)的“凈零/近零示范區(qū)”，推動CCUS產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。
4.3、加大對 CCUS 產(chǎn)業(yè)的政策扶持與資金支持力度
CCUS技術(shù)對工業(yè)行業(yè)深度脫碳具有重要意義，但關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展仍然面臨著成本高昂、投資不足、全社會重視程度不夠等問題。近年來，歐美發(fā)達國家相繼出臺扶持政策，加大CCUS技術(shù)研發(fā)力度。從國內(nèi)來看，與新能源產(chǎn)業(yè)相比，CCUS相關(guān)政策扶持力度仍需加強。建議在技術(shù)研發(fā)、項目稅收、土地使用、市場機制建設(shè)、運輸管網(wǎng)建設(shè)等方面給予CCUS項目更大的支持力度，為產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)I造良好的政策環(huán)境。
