中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2024）

决策者摘要 自“十三五”以来，国家和各省出台了大量关于二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）的政策文件，可以明显看出，CCUS技术需求和应用场景更加多样化，其与区域发展规划和工业空间布局的耦合备受关注。各地区推动CCUS产业化、规模化发展布局时，基于地区的发展需求和工业空间规划布局，分析区域二氧化碳地质封存的可行性，尤其是经济可行性，做到有的放矢、科学决策，提前布局CCUS发展规划，是当前面临的重要挑战之一。 2023年11月15日，中美共同发表《关于加强合作应对气候危机的阳 光之乡声明》，明确提出“两国争取到2030年各自推进至少5个工业和能源等领域碳捕集利用和封存（CCUS）大规模合作项目”，CCUS封存场址优选研究是落实这项声明中所提出目标的重要科学支撑。 本研究基于国家和地方相关政策要求，充分考虑未来碳价格和二氧化碳地质封存的环境约束，以实现最小成本（包括捕集、输送、封存等成本）为目标，评估2035-2060年CCUS低速（CCUS技术低速发展，碳价稳定增长）和强化（CCUS技术高速发展，碳价高速增长）发展两种情景下，中国每个10×10公里网格二氧化碳地质封存的经济可行性（https://ccus.cityghg.com/）。重点解决中国每个网格在给定约束条件下，是否可以利用二氧化碳地质封存实现本网格的大幅碳减排。网格地质封存经济可行性与网格本身是否有排放源以及排放源大小无关。若网格具有地质封存经济可行性，且其内没有排放源，则该网格可以作为未来二氧化碳工业源的备选规划场址。 研究结果表明，低速情景下，2035年全国具有封存经济适宜网格数为 零；2060年具有封存经济可行性的网格数量超过2.5万个，其中高适宜网格数达到近8000个，主要集中在西北（近3000个），其次是华北（2100个）、华中（1000个）、东北（1000个）、南方（400个）、华东（200个）。强化情景下，2035年具有封存经济可行性的网格数量达1万个，其中高适宜网格数达到近3400个，主要集中在西北（1500个），其次是华北（860个）、东北（600个）、华中（350个）、南方（70个）、华东（60个）；2060年具有封存经济可行性网格数量增加至2.6万个，其中高适宜网格数达到近 8000个，主要集中在西北（3000个），其次是华北（2100个）、华中（1000 个）、东北（1000个）、南方（400个）、华东（200个）。 评审专家 杜祥琬中国工程院中国工程院院士丁一汇国家气候中心中国工程院院士李阳中国石油化工股份有限公司中国工程院院士谢玉洪中国海洋石油集团有限公司中国工程院院士王金南生态环境部环境规划院中国工程院院士邹才能中国石油深圳新能源研究院有限公司中国科学院院士姜培学清华大学中国科学院院士潘家华中国社会科学院中国社会科学院学部委员魏一鸣北京理工大学教授雷涯邻中国地质大学（北京）教授李政清华大学教授张希良清华大学教授严刚生态环境部环境规划院研究员张昕国家应对气候变化战略研究和国际合作中心研究员王香增陕西延长石油（集团）有限责任公司首席科学家吕学都亚洲开发银行首席气候变化专家 作者 蔡博峰生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心李琦中国科学院武汉岩土力学研究所 张贤中国21世纪议程管理中心 许晓艺中国科学院武汉岩土力学研究所 郭静生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心庞凌云生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心刘桂臻中国科学院武汉岩土力学研究所 谭永胜中国科学院武汉岩土力学研究所李霞颖中国科学院武汉岩土力学研究所徐亮中国科学院武汉岩土力学研究所严妍华南理工大学 吴赟龙首都经济贸易大学 于雷生态环境部环境规划院战略规划研究所牛韧生态环境部环境规划院战略规划研究所 周云峰生态环境部环境规划院生物多样性与自然保护地研究中心阮建辉中国科学院大学 伍鹏程清华大学万科公共卫生与健康学院马乔山东大学 目录CATALOG 01背景01/07 02技术路线 03封存场址评估 04情景设置 05地质封存经济可行性评估 06典型区域分析-以山西省为例参考文献 附录 附件1二氧化碳地质封存经济可行性评估方法 附件2“双碳”目标下中国各省份CCUS相关政策和规划附件3中国CCUS示范项目一览表 08/10 11/13 14/16 17/22 23/25 26/31 32/75 1.背景 背景 1.背景 二氧化碳（CO2）捕集利用与封存（CCUS）是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，通过工程手段实现其减排并/或获得附带效益的过程。CCUS是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择，是目前实现大规模温室气体减排的重要技术手段，是钢铁、水泥、有色、化工等难减排行业深度脱碳的可行技术方案，是实现碳中和目标技术组合的重要构成部分。 陆地封存 海洋封存 图1CCUS技术及陆海封存示意图 背景 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、富氧燃烧和化学链燃烧。 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、管道运输和火车运输。管道运输优点在于大规模、长距离。 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，分为地质利用、化工利用和生物利用，其中地质利用是将CO2注入地下，生产或强化能源、资源开采的过程，主要用于提高石油、地热、卤水、铀矿等资源采收率。 CO2地质封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2储存于深部地质构造中，实现与大气长期隔绝的过程。根据地质封存体的不同，分为陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等。在所有封存类型中，深部咸水层封存占据主导位置，其封存容量占比约98%，且分布广泛，是较为理想的CO2封存场所；油气藏由于存在早期完整的构造、详细的地质勘探基础等条件，是适合CO2封存的地质场所。根据《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)――中国CCUS路径研究》，全球陆地CO2理论封存容量为6~42万亿吨，海底理论封存容量为2~13万亿吨，中国CO2理论地质封存容量为1~4万亿吨。 背景 图2CCUS技术环节 CCUS地质封存潜力评估对于提高项目可行性和经济性至关重要，已有CCUS项目地质封存潜力评估研究综合考虑排放源和封存汇的空间位置以及经济性，建立最优输送路径，实现CO2源汇之间封存量、经济性等方面的动态最优化匹配。海陆统筹规划，单阶段静态评估到多阶段动态优化，是CCUS亟需解决的关键科学问题。 国内外以地理信息系统（GIS）目标优化方法和混合整数优化 （MILP）方法开展了多项CCUS封存潜力评估工作，经历了单阶段静态评估到多阶段动态优化的演化 过程，呈现出局部区域优化部署转入CCUS规模化、集群化方向发展 的新趋势。已有研究应用最小成本路径分析（LCPA）方法寻求以成本效益最优的方式实现碳减排，满足无国家骨干管网（针对CCUS运输）和无CCUS集群、无规模化或商业化早期应用的需求。 欧美针对CCUS源汇匹配以 背景 及集群运输管网数学模型开展了深入研究。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室2009年提出SimCCS模型，采用预优化思想规划CCUS基础设施建设，允许管道合并与分支，实现了多源多汇的高效匹配；2012年，在SimCCS模型基础上开发了SimCCSTIME模型，该模型能够在空间和时间上优化CO2管网，解决了CO2捕集地点、捕集量以及捕集时间的匹配问题；2020年SimCCS2.0模型集成了多个新功能，包括精细化的优化模型、新的候选网络生成技术，以及与高性能计算平台的集成。欧盟委员会联合研究中心2011年开发了InfraCCS模型，将源汇匹配问题简化为混合整数问题，实现了单级静态规划和多级动态规划功能，并结合GIS和能源系统平台（MARKAL），开发了MARKAL-Nl-UU模型，用于规划荷兰CCUS基础设施建设。 中国科学院武汉岩土力学研究 所自主研发了全流程CCUS系统评价方法（ITEAM-CCUS），由源汇匹配（包括技术经济评价）、CO2排放评估和封存场地适宜性评价3大模块组成，涉及全国、行业和企业三种尺度，源汇匹配采用GIS空间分析技术以及成本矩阵获取平准化成本最低的源汇组合序列清单。清华大学通过贪婪算法中的气泡排序生成运输封存成本曲线，建立ChinaCCUSDSS模型，ChinaCCUSDSS2.0版本中使用MILP，考虑了排放源连接到多个汇以及运输路线中多个源共用管道的情景。 在CO2运输路径寻优方面， 管道运输成本取决于地理条件，例如地形、环境生态等级、土地利用类型等，若给定某个地区的运输成本组成，则可以应用LCPA方法计算从起点到终点经济成本最小的运输路线。Middleton等（2020）采 用最小成本路径分析法实现12个 背景 国家和各省出台的相关政策文件充分表明，CCUS技术需求和应用场景更加多样化，除了考虑已有工业源外，未来新建工业源CCUS配套备受关注，CCUS与区域发展规划和工业空间优化的耦合成为决策重点。借鉴已有CCUS地质封存潜力评估方法，同时面向已有工业源改造和未来工业源布局，评估中国区域二氧化碳地质封存经济可行性，是当前CCUS管理决策的重点科技需求。 CO2源和两个深海玄武岩储层的优化部署。Chen等（2010）使用GIS软件基于成本最低目标的源汇匹配模型，考虑管道的基本建设成本和因地形条件而产生的额外成本，估算中国河北省88个排放点源到25个封存汇成本最小的管道运输路径。 “十四五”时期，CCUS作为碳中和兜底技术作用凸显，国家顶层设计和地方性规划和政策，对CCUS的战略部署和重点任务要求与“十二五”“十三五”时期相比均发生明显转变（见附件2）。 一是发展目标和重点任务更加明确。由纲领性要求逐渐转变为更具体、更明确甚至分阶段的技术发展目标和任务要求，强调CCUS项目的集成化、规模化发展。《中共 中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》提出“推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用,加快建设全流程、集成化、规模化二氧化碳捕集利用与封存示范项目”；《工业领域碳达峰实施方案》提出，钢铁行业CCUS等技术取得突破应用，建材行业实现窑炉CCUS技术产业化示范，石化化工行业要加快部署大规模 背景 CCUS产业化示范项目。 二是CCUS技术需求和应用场景更加多样化。CCUS技术部署更加注重领域化、专业化要求，同时强调与工业减排或负碳技术的耦合。地方结合自身的优势、CCUS技术及产业发展、高排放工业行业布局等因素，对CCUS技术规划的应用场景更加丰富。除CO2驱油技术外，各地方加大对钢铁、水泥等行业推广应用力度。在国家和地方的规划中还提到探索开展CO2海洋封存技术示范，体现了中国CCUS部署由陆地向海洋领域的拓展。 三是强调CCUS技术本身的能效提升和成本降低。CCUS技术在应用过程中需要额外的能源消耗，对其提出全生命周期能效提升和成本降低要求，真正体现了利用CCUS技术减排、推动行业企业绿色低碳转型初衷，同时也意味着作为重要减排技术，对CCUS的利用 从“粗放”式向“精细”化的科学转变。 中国对CCUS的规划部署要求体现了由开展试点示范到推动集成化、规模化发展的决策转变。中国CCUS项目（见附件3）特点由对单一领域、技术的发展向提出多领域、多技术的耦合转变，由注重技术本身带来的减排效果到同时注重CCUS技术全生命周期的能源消耗转变。既体现了中国当下CCUS产业和技术整体发展的现状，也契合了“双碳”目标下CCUS技术向精细化、多样化和绿色低碳化过渡，以及大规模商业应用的迫切需求。基于地区的发展需求和工业空间规划布局，分析评估中国区域CO2地质封存经济可行性，做到有的放矢、科学决策，提前布局CCUS发展规划，是支撑当前CCUS管理决策的重点科技需求。 2.技术路线 技术路线 2