关于CCUS，你知道多少？

石油大院RIPED 2023-07-17

CCUS技术是实现“双碳”目标的托底性技术，也是能源企业推进绿色低碳转型的重要技术选择，关于CCUS，你了解多少？本文将从源头为您讲起。

近年来全球气候危机日益加剧，其重要原因就是全球二氧化碳（CO2）过度排放。为应对气候变化，推动以二氧化碳为主的温室气体减排，我国做出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄重承诺。

什么是CCUS？

CCUS是英文Carbon Capture，Utilization and Storage的缩写，指的是二氧化碳捕获、利用与封存。

CO₂捕集是指将CO₂从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程，主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链捕集。我国CO₂捕集主要来源于煤化工行业、火电行业、天然气厂以及甲醇、水泥、化肥等工厂。天然气处理、甲醇生产以及炼化制氢等由于杂质较少多采用工业分离技术，电厂等燃烧炉中烟气杂质较多，一般采用燃烧后捕集技术。

CO₂输送是指将捕集的CO₂运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同，分为罐车运输、船舶运输和管道运输，其中罐车运输包括汽车运输和铁路运输两种方式。CO₂运输目前常用的是车载公路运输、管道运输。

CO₂利用是指通过工程技术手段将捕集的CO₂实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同，可分为地质利用、化工利用和生物利用等。目前规模化捕集主要用于地质利用，是将CO₂注入地下，进而实现强化能源生产、促进资源开采的过程，如提高石油、天然气采收率，开采地热、深部咸（卤）水、铀矿等多种类型资源；化工利用主要包括CO₂与CH₄重整、CO₂加氢技术等，生产合成油品、甲烷、甲酸、甲醇、乙醇等产品；生物利用包括农作物增产、生物燃料生产与环境治理等。

CO₂封存是指通过工程技术手段将捕集的CO₂注入深部地质储层，实现CO₂与大气长期隔绝的过程。按照封存位置不同，可分为陆地封存和海洋封存；按照地质封存体的不同，可分为咸水层封存、枯竭油气藏封存等。

CCUS的起源

CCS

碳捕集与封存（CCS）是指将CO₂从工业排放源中分离后直接加以封存，以实现CO₂减排的工业过程。现代意义的CO₂捕集、运输与封存作为减少人为排放CO₂的概念，最早是由意大利学者Marchetti提出。

1996年开始的挪威Sleipner CCS项目和2000年开始的IEA温室气体研究与开发计划机构（IEAGHG）Weyburn-Midale CO₂监测与封存项目（简称Weyburn项目），则是国际上最早开展的对人为排放CO₂进行大规模捕集、利用与封存的示范项目。Sleipner CCS项目是科学研究及大规模商业化示范项目。

当今世界，控制二氧化碳等温室气体排放，应对气候变化给人类生存和发展带来的严峻挑战，已成国际社会广泛共识。CCS是实现长期绝对CO₂减排的战略性技术。CCS在全球陆上理论CO₂埋存容量约为6~42万亿吨，是2019~2060年全球累积CO₂排放量5~37倍。CCS主要集中于发达国家，加拿大制氢、美国制乙醇的单体项目规模最大，年埋存百万吨。

加拿大Quest制氢CCS项目

然而，CCS大型项目整合和封存安全性均存在诸多挑战，尤其工程投资巨大、运行成本高，企业大规模实施，必须依靠国家政策大力扶持来获得效益。

CCUS

CCUS在CCS基础上添加了碳利用过程，延展了碳产业链条，更具有商业价值。CCUS理念是随着对CCS技术认识的不断深化，在中美两国的大力倡导下形成的，是将“碳负债”转化为“碳收益”的主要技术之一，具有社会效益与经济效益“双赢”特性，已获得国际社会的普遍认同。

CO₂化工和生物利用前景较为广阔，制化肥和食品级商业利用是目前较成熟的碳利用项目。国外近年来碳利用有很多新兴的利用方向，如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO₂送到园林，作为温室气体来强化植物生长的项目。国内新兴的碳利用方向主要有

CO₂加氢制甲醇、CO₂加氢制异构烷烃、CO₂加氢制芳烃、CO₂甲烷化重整等，但大多都处在催化剂研究的理论研究阶段或中试阶段。

CCUS-EOR技术可以通过CO₂把煤化工或天然气化工产生的碳源和油田联系起来，有较好的收益。该技术通过把捕集来的CO₂注入到油田中，使即将枯竭的油田再次采出石油的同时，也将CO₂永久地贮存在地下。

CCUS发展历史

国际背景

国外CCUS-EOR项目主要在美国、加拿大等国家开展，特别是美国已具有成熟的CCUS-EOR工业体系。

美国CCUS-EOR项目起步于20世纪50年代，60-70年代持续开展关键技术攻关，70-90年代逐步扩大工业试验规模，技术配套逐渐成熟，80年代以后进入商业化推广阶段。自20世纪80年代起，美国CCUS-EOR技术工业化应用规模持续快速扩大。世界上第一个大规模CO₂-EOR项目SACROC（Scurry Area Canyon Reef Operating Committee），从1972年1月26日起，由雪佛龙公司（Chevron）在得克萨斯州Scurry县的油田开展。该项目的CO₂来自科罗拉多州的天然CO₂气田，并通过管道将其运输到油田驱油。

本世纪以来，美国、加拿大、澳大利亚、日本及阿联酋等国家加速推进CO₂捕集项目的工业化。2014年，加拿大SaskPower公司的Boundary Dam Power项目成为全球第一个成功应用于发电厂CO₂捕集项目，2019年该项目捕集CO₂达61.6万吨。2015年，加拿大Quest项目将合成原油制氢过程中产生的CO₂成功注入咸水层封存，每年CO₂捕集能力达100万吨/年。

国内背景

国内CCUS-EOR研究起步较早，石油企业及有关院校早在20世纪60年代就开始探索CO₂驱油技术，但因气源、机理认识、装备等问题使产业化发展滞后。进入21世纪以来，国家和石油企业相继设立CCUS-EOR重大科技攻关和示范工程项目，大大推动了关键技术的突破和矿场试验的成功。

2006年中国石油联合中国科学院、国家教育部发起了研讨CCUS技术的香山科学会议，沈平平教授首次提出在中国发展CCUS产业技术建议。2011年左右，许多政府计划，技术会议和研宄计划都开始采用CCUS作为碳捕获系列技术的缩写，而不再仅是CCS。

2006年香山科学会议第276次学术讨论会代表合影

2006年香山科学会议会议执行主席

2011年科技部社会发展科技司和中国21世纪议程管理中心发布《中国碳捕集、利用与封存(CCUS)技术发展路线图研究》，明确了中国发展CCUS的愿景：为应对气候变化提供技术可行和经济可承受的技术选择。针对捕集、运输、利用、封存以及全系统分别提出了开展研发和示范的规模、技术和成本等阶段性目标。

在2012年5月举行的第11届碳捕集，利用和封存年度会议上，可以观察到从CCS到CCUS尝试构架转换的实施过程。碳捕获埋存技术中普遍存在的“利用”，从根本上改变了这套技术的性质和目的。Danielle Endres等人研究明确了2012年会议从CCS过渡到CCUS，对技术部门的持续实践以及气候变化背景下的能源政策都具有重要意义。

2013年，在国家科技部倡导下，中国石油、中国石化、中国华能和国家能源集团，共同推动成立CCUS联盟，目前已拥有理事单位40多家。联盟理事成员每年齐聚论坛，协力推动CCUS技术与产业发展，为实现“双碳”目标、保障国家能源安全贡献“碳”力量。

2019年科技部更新了CCUS技术发展路线图，总体愿景是构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系和产业集群，为化石能源低碳化利用提供技术选择，为应对气候变化提供技术保障，为经济社会可持续发展提供技术支撑。

中国石油CCUS发展历程

2006年以来，中国石油率先承担了国家“973”“863”和重大科技专项等一批重大项目和示范工程，先后成立了提高油气采收率全国重点实验室、集团公司CCUS重点实验室、碳中和技术研发中心，设立了重大科技专项。截至目前，中国石油11家油气田已经开展17项CCUS重大开发试验，二氧化碳年注入能力超百万吨，已累计注入二氧化碳超550万吨，相当于植树近5000万棵，规模保持国内领先。

探索阶段：

1965年，大庆油田碳酸水注入试验拉开我国探索二氧化碳驱油的序幕。

1999年，吉林油田开展二氧化碳驱油先导试验。

2006年，中国石油在香山科学会议首次提出CCUS概念。

攻关阶段：

2007年，启动国家973计划项目《温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存》。

2008年，承担国家科技重大专项《含二氧化碳天然气藏安全开发与二氧化碳利用技术》。

2009年，承担国家863计划项目《二氧化碳驱油提高石油采收率与封存关键技术研究》。

2009年，设立中国石油重大专项《吉林油田二氧化碳驱油与埋存关键技术研究》。

示范阶段：

2013年，宁夏石化15万吨/年低浓度烟气二氧化碳捕集装置投产。

2013年，大庆油田建成13.5公里二氧化碳输送管道。

2014年，吉林油田建成10万吨级CCUS-EOR全流程示范工程。

2018年，中国石油巴西里贝拉项目10万吨级CCUS项目投产。

2019年，新疆准噶尔OGCI-CCUS产业促进中心成为OGCI全球首批5个产业促进中心之一。

产业化阶段：

2021年，设立中国石油重大科技专项《二氧化碳规模化捕集、驱油与埋存全产业链关键技术研究及示范》。

2021年，成立中国石油二氧化碳捕集、利用与封存重点实验室和碳中和技术研发中心。

2022年，全国碳排放标准化技术委员会牵头发起成立CCUS标准工作组，中国石油担任组长单位。

2022年，成立CCUS工作专班，部署“四大六小”CCUS产业化工程。

2022年，提高油气采收率全国重点实验室获批建设。

2022年，召开CCUS工作推进会，启动建设松辽盆地300万吨CCUS规模化应用工程。

2022年，发布《中国石油绿色低碳发展行动计划3.0》，确立CCUS发展战略。

CCUS的作用

在碳中和目标下，以CCUS/CCS为基础的低成本、高能效的碳产业将是世界各国实现碳中和目标的关键产业和新兴产业之一，是彻底消除“黑碳”的革命性技术。CCUS是国际公认的三大减碳途径之一，是目前实现大规模化石能源零排放利用的唯一选择。中国CCUS地质封存潜力1.21~4.13万亿吨，预计2050年、2060年减排6~14亿吨和10亿~18亿吨，可以满足实现碳中和目标的需求。

CCUS技术是唯一能够大量减少工业流程温室气体排放的手段。

对于炼化、气电、水泥和钢铁行业来说，要想实现在生产过程中的深度减排，CCUS技术是必不可少的，而且是可再生能源电力和节能技术不可替代的，对于我国践行低碳发展战略和实现绿色发展至关重要。政府间气候变化专门委员会报告曾指出：如果没有CCUS，绝大多数气候模式都不能实现碳减排目标。国际能源署、政府间气候变化专门委员预估并指出，到2070年全球要实现净零，除能源结构调整之外，工业和运输行业仍有29亿吨CO₂无法去除，需要利用CCUS进行储存和消纳，CCUS技术累积减排约15%的排放量。

国际油公司新能源发展方向（IPCC）

CCUS技术是未来具有一定经济性的减排手段。

没有CCUS技术，碳减排成本将成倍增加。国内外大量实践证明，CCUS技术可以提高油气采收率，实现化石能源利用近零排放，促进钢铁、水泥、玻璃、化工等难减排行业深度减排，增强碳约束条件下电力系统的灵活性，保障电力安全稳定供应，抵消难减排的CO₂和非CO₂温室气体排放等。更为重要的是油气田可实现石油工业的“负碳化”，即把捕集的CO₂注入到油气地下腾出的空间中，广大的油气田可成为封存CO₂的“碳田”，这是一个应对气候变化、构建生态文明和实现可持续发展的战场。

CCUS是生产低碳氢的重要途径之一。

IEA指出，除使用可再生能源电解水制氢外，经过CCUS技术改造的化石能源制氢设施也是低碳氢的重要来源。目前，全球经过CCUS技术改造的7个制氢厂每年可生产40万吨的氢气，是电解槽制氢量的3倍。未来，与制备低碳氢有关的CCUS项目将快速增加，带动碳捕集量不断增长。预计到2070年，全球40%的低碳氢将来自“化石燃料+CCUS技术”。

CCUS技术未来

全球碳捕捉与封存技术发展已40余年，尤其在CO₂驱油领域取得了丰富的研究与实践经验。就整个CCUS产业而言，受限于经济成本的制约，目前仍处于商业化的早期阶段。

IEA研究表明，基于2070年实现净零排放目标，到2050年，需要应用各种碳减排技术将空气中的温室气体浓度限制在450ppm以内，其中CCUS的贡献为9%左右，即利用CCS技术捕集的CO₂总量将增至约56.35亿吨，其中利用量为3.69亿吨，封存量为52.66亿吨。到2070年，化石燃料能效提升与终端用能电气化、太阳能/风能/生物质能/氢能等能源替代和CCUS是主要碳减排路径，累计减排贡献的占比分别可达40%、38%和15%。

对于中国而言，到2050年，电力、工业领域通过CCUS技术实现CO₂减排量将分别达8亿吨/年和6亿吨/年。如果要将净零目标从2070年提前到2050年，全球CCUS设施数量必须再增加50%。

文章内容来源石油大院RIPED，责任编辑：胡静，审核人：李峥