“双碳”目标下CCUS产业化模式面临的挑战、对策及发展方向

摘要：在碳达峰和碳中和的主题背景下，详细介绍了多联产减排和多能互补耦合利用新型CCUS产业化发展模式，探讨了当前我国CCUS产业化模式在技术、行业发展、产业化机制、标准与规范及国家政策等领域面临的挑战，并在此基础上，给出应对需求的产业支持政策，最后提出从捕集、封存、监测及评估角度出发，加快我国CCUS标准体系建设的建议，旨在对中国走出立足自身的CCUS发展之路提供新的思路。

碳捕获、利用与封存（CCUS）技术已成为多个国家碳中和行动计划的重要组成部分，经过多年的发展，我国CCUS产业体系已初步形成，“双碳”目标的提出为CCUS发展提供新动力的同时，也提出了新的挑战。

1 “双碳”主题背景

气候变化是目前国际社会共同面对的重要问题之一，基于气候变暖的共识，世界各国应对该问题的规划和行动已历时40余年。我国能源消耗和CO2排放经历了缓慢发展、快速发展和平稳发展3个阶段，当前我国能源结构仍呈现以煤炭为主、油气次之、新能源偏少的大框架，对能否按期实现能源转型仍存在较大的困难。近年来，中国通过调整经济结构、产业结构，实施能耗总量和强度“双控”行动，提高能源利用率，取得了良好的减排效果。到2019年年底，中国已提前达成向国际社会承诺的2020年目标。但我国距碳达峰目标只有10年，碳中和的过渡期只有30年，这些都意味着我国实现碳中和目标需要付出更多努力。节能减排、增汇、非化石能源替代及CCUS是实现碳达峰和碳中和的主要路径，新技术的发展及CCUS的产业化将为碳中和目标的实现提供重要的支撑，在今后一个时期内，CCUS面临着重要的发展机遇。“双碳”目标下的CCUS涉及制造、交通、材料等多个领域，随着该技术和产业的高质量快速发展，将会涌现出诸多新的颠覆性技术，促进其朝着新型产业化模式发展。

2 CCUS产业化发展模式

2.1 多联产减排模式

我国目前产业结构是依据原料属性、技术特色及产品类型划分的，涉及碳资源综合利用产业链的发展研究较少，由此产生许多的行业壁垒。在此背景下，多联产减排模式应运而生，旨在迎合碳中和的要求下，重塑碳综合利用的产业化发展目标。

2.1.1 多联产减排产业化路径

CCUS多联产模式是传统碳排放产业与碳资源化利用产业链的联合，其路径是在传统产业基础上，进行产业链的拓展、联合或重塑，构建新的包括碳循环和利用一体化产业模式，形成新的产业生态，推动CCUS产业发展。具体实践路径分为3类：①基于碳元素迁移转化的利用路径；②基于CO2利用封存路径；③基于CO2生物利用路径。

2.1.2 多联产可行模式

从利用规模和对减碳的贡献来看，化学化工、油气开采、农业和生物质产业名列前茅。但目前存在着产业集中度低、布局分散、利用成本高等问题，需要以利用和封存为核心，基于能量循环和物质转化的耦合和交互，实施产业联合和重塑，从多种路径出发助力产业升级。

(1)化工与化工产业耦合联产模式

如图1所示，该运行模式下，将煤化工或炼焦排放的CO2进行捕集，按照碳化学转化产品进行原位工艺改造，将捕集的CO2转化为化工产品，实现减排或零碳排放，是一种基于碳资源化转化的利用途径。

(2) 能源与能源产业耦合联产模式

在该该运行模式下，以燃煤电厂等排放源为主要对象开展CO2捕集，将捕获的CO2用于强化油气开采，同时封存CO2，或将CO2注入油区含水层等地区进行驱水埋存，是一种基于CO2利用封存路径的联产模式，详见图2。

(3) 与农业和生物质的耦合联产模式

该联产模式主要是将捕集或工业源直接排放的CO2，用于农业和生物质的联产，实现增产的同时，减少CO2排放，详见图3。

2.1.3 多联产模式优化

发展多联产模式，需要综合考虑系统成本、减排与成本平衡，以及碳减排和污染物协同减排，进行多目标优化，提高技术和经济可行性。优化过程包括：①技术过程优化，通过建立多源多汇协同的源汇匹配优化模型和技术成熟度评估模型，形成最优的碳资源化利用工艺技术；②碳减排效率优化，建立碳利用效率、能耗和全生命周期的碳减排优化模型，以低成本实现大规模的固碳和减排；③系统成本和效益优化，从制造和运行成本、碳利用直接收益、减排所获得的碳汇及社会等间接效益，综合评估系统成本和效益优化。

2.2 多能互补耦合利用模式

2.2.1 CCUS与可再生资源耦合

可再生资源涵盖太阳能、风能、地热能等，可以从发电、供热、供冷等途径替代传统能源。CCUS发展离不开能源的使用，而将CCUS与可再生能源进行耦合，能够有效降低可再生能源的局限性，是一项拓展清洁能源应用空间、延展清洁固碳产业链的有效方式，具体耦合方式取决于CCUS全流程产业链和可再生资源类型。CCUS与可再生能源耦合主要包括3个节点（见图4）：①采用可再生能源为CCUS工艺过程或节点提供热能，主要包括光-热直接转换利用和地热能中低温供热两大类；②采用可再生能源为CCUS工艺工程或节点提供电力或动力，主要包括光伏、功电、热电和化学势电能转换四大类；③采用可再生能源为CCUS工艺过程或节点提供冷能，制冷系统分为循环驱动压缩式、蒸汽喷射式和吸收式制冷系统三大类。

2.2.2 氢能与CO2的耦合

氢作为能源具有较高的能量密度，其单位质量的热能约是煤炭的4倍、天然气的2.6倍，燃烧后唯一产物是水，能够提供全程无碳的技术路线。利用CO2催化加氢合成化工产品（如甲醇、甲酸等），可有效缓解温室效应；甲醇等产品还可充当绿色液体燃料，亦可作为工业原料生产高附加值化学品和燃料，缓解化石能源短缺。CO2加氢转化是CCUS的重要发展方向，为低碳清洁能源提供新的思路（见图5）。

2.2.3 CCUS与生物质能的耦合

人类历史上最早使用的能源就是生物质能，具有可替代传统能源、降低CO2排放等优势。尽管我国生物质能资源丰富，但目前利用规模比较有限。如图6所示，CCUS与生物质能的耦合方式有3种：①生物质发电+碳捕集，以生物质为吸附载体实现“碳中性”；②生物质能+碳捕集与封存（BECCS）技术，可实现中长期全经济范围内的“净零碳排放”；③生物质制氢+碳捕集，该技术主要分为生物质预处理、暗发酵产氢、光发酵产氢及微藻固碳4个阶段，从多维度出发实现产氢和CO2零排放的理想循环。

3 挑战与对策

3.1 CCUS产业化面临的挑战

CCUS作为碳达峰和碳中和必不可少的减排固碳技术，目前技术及产业发展还处于研发和示范阶段，在大规模示范、普及、应用方面仍存在许多制约。（1）从技术发展来看，尽管我国已开展了大量CCUS技术研发，但目前仍存在许多技术瓶颈，如捕集技术能耗和成本总体偏高，驱油封存一体化技术有待进一步研究，封存安全性的监测和评估技术体系尚未建立等问题。虽然形成了多种碳捕集技术工艺路线，探索了多种转化路线，示范了多种封存方式，但这些技术大多处于实验室或是工业小试阶段。（2）从行业发展来看，国内已有CCUS示范项目应用多以石油、煤化工、电力等企业为主，钢铁、水泥等CO2重要排放源示范应用少，CO2输送、化工合成及生物转化等工程实践刚刚起步。同时由于我国油藏地质特征比北美地区复杂，其封存潜力、长期安全性等存在较大不确定性，配套监测、安全等管理体系不完善，驱油与封存技术需要进一步研究发展。（3）从产业化机制来看，缺乏跨行业协作机制，存在不少行业壁垒。CCUS产业链涉及电力、钢铁、油气、化工、运输等多个行业，CO2源汇大部分情况下属于不同企业或系统，存在源汇匹配共享、责权利分配、知识产权归属等多种挑战，在现有管理体系及政策制度下，难以实现跨行业协作，阻碍了CCUS的快速发展。（4）从标准和规范来看，由于CCUS示范项目少，导致相关的技术标准缺乏，不仅增加了工程设计、装备制造、设施建造成本，而且影响行业的技术交流、经验分享。造成已形成的针对不同环节的标准无法贯通应用；参与国际标准研制力度不够，影响我国的减排成效。（5）从国家政策来看，目前国家科技部、发改委、能源局等多个部门已出台了一系列专项规划及行动计划，但尚未单独研究制定CCUS产业发展整体规划，未将CCUS技术研发、CO2源汇匹配、CO2输送管网、跨行业工程应用、政策法规等产业关键因素统筹协调起来。

3.2 CCUS发展的产业支持政策需求

CCUS产业化作为一种新兴产业，势必存在一定的行业风险，迫切需要制定相关的产业化政策，提升企业积极性的同时，降低投资风险。

（1）建立CCUS财税激励政策

把CCUS作为一种重要的碳减排途径，享有与可再生能源和其他低碳清洁能源技术同等的配套政策支持，充分借鉴美国、加拿大等国家的经验及做法，探索制定适合我国CCUS产业的财税激励政策，降低固碳成本，增加经济效益，从而吸引更多投资方，提高企业积极性。

（2）建立CCUS标准规范体系及管理制度

建立覆盖CO2捕集、输送、封存、监测评价、减排核查、全生命周期管理等各环节专项的系列标准规范，实现信息经验共享，指导工程建设实施；明确CCUS不同阶段CO2的属性、地质封存空间使用权、长期安全监管责任等，从规范管理上降低企业风险。

（3）建立多产业协作机制，加强产业规划的顶层设计

建立CCUS成本、效益和责任分担机制，将CCUS全产业链带来的责权利在各环节及各企业部分间进行合理分担和分配，强化行业部门协调推进CCUS产业化的政策体系建设，推动关键共性技术、前沿技术联合攻关及知识产权整合，促进全产业链CCUS项目多产业有效协作及多产业链模式的建立。

（4）将CCUS纳入碳排放交易体系

制定配套制度及方法，合理进行配额分配，明确CCUS项目立项审批程序，明晰全生命周期减排量，建立完善的CCUS减排量核查、监管及碳价格机制等，实现核证减排额在国际、国内碳市场上的交易，从而为开展CCUS的企业带来一定经济收入，消纳部分固碳成本。

（5）建立良好的CCUS金融生态

CCUS是投资风险较大的资本密集型新型低碳技术，合理有效的CCUS投融资渠道对产业发展具有至关重要的作用。构建以国家财政融资为核心的多元投融资系统，形成良好的CCUS金融生态，可以加快其产业良性发展。

3.3 方法与标准体系建设

方法和标准体系建设是实现CCUS产业化发展规范化的重要环节，需要从以下几个方面加快CCUS标准体系制定。（1）捕集方面：需要制定各种捕集工艺的技术标准，包括吸收法、吸附法及膜分离法及其集成方法的技术标准；由于不同行业的气源性质的不同，需要按照行业制定不同性质气源的捕集标准。（2）埋存方面：结合CO2驱油埋存制定相关技术标准；制定CO2驱油项目产出气回收和回注标准。（3）监测方面：制定全流程CCUS项目CO2泄露监测标准，包括碳捕集设施泄露监测标准、管道输送泄露监测标准、罐车和船舶运输泄露标准、CO2地质封存泄露环境监测标准、封存区地下水CO2泄露环境监测标准、土壤CO2泄露监测标准。（4）评估方面：制定全流程CCUS项目减排评价方法、CO2封存潜力评价标准、地质封存选址评价标准等；研究形成封存区安全和生态环境影响评估方法和标准，包括封存区土壤、可饮用地下水以及封存区人体健康风险评估方法。

4 结语与展望

CCUS作为一种新兴、前瞻性技术，在发展的过程中，需要放眼于全球，重视碳资源利用的同时，树立CO2是一种资源的理念，既要借鉴国外的技术和经验，又要立足于国情，发展革命性技术。一方面，中国应加大CCUS技术研发投入和对CCUS技术推广应用力度，同时统筹基础研究、技术开发、装备研制、集成示范，推动关键共性技术的联合攻关。另一方面，国家应继续加大财政税收政策支持力度，加强产业培育，建立跨行业、跨领域分工合作机制，全方位提升国家CCUS技术的核心竞争力，控制温室气体排放，提高能源资源利用效率。