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市场洞察

CCUS前景探究与应用

发布时间:2025-06-23 浏览量:5629

本文摘要


✧ 在化石能源短期内无法完全退出能源体系的现实下,CCUS技术成为实现《巴黎协定》目标不可或缺的关键手段,也是确保温控目标达成的托底技术保障。

✧ CCUS技术在推进产业化发展进程中遭遇四重关键性制约因素。这些挑战已构成阻碍该技术实现规模化应用、市场化推广的主要瓶颈,亟待系统性解决方案以突破发展困局。

✧ 要实现CCUS技术的规模化应用,需重点突破制度建设和商业机制两大核心领域。美国和欧洲通过多元化的政策工具和市场机制支持CCUS发展的经验值得我国借鉴。

本文作者:环保桥技术经理 王宇辰

01

引言

气候变化正对全球产生深远而持久的影响。在2022年举行的《联合国气候变化框架公约》第二十七次缔约方大会(COP27)上,各国通过了“沙姆沙伊赫实施计划”,再次强调了《巴黎协定》的核心目标——将全球平均气温升幅控制在2℃以内,并呼吁各国加速淘汰未采用碳捕集、利用与封存技术(CCUS)的煤电。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告第三工作组的研究,要实现2℃温控目标,全球剩余的二氧化碳排放预算仅剩约11,500亿吨[1]

然而,2010年至2019年间,全球已消耗了其中约三分之一的预算。在化石能源短期内无法完全退出能源体系的现实下,CCUS技术成为实现《巴黎协定》目标不可或缺的关键手段,也是确保温控目标达成的托底技术保障。

近年来,我国CCUS技术和示范取得长足进展。例如,2022年中国石化宣布,我国最大的碳捕集利用与封存全产业链示范基地、国内首个百万吨级CCUS项目——“齐鲁石化-胜利油田百万吨级CCUS项目”正式注气运行;包钢(集团)200万吨级CCUS一期50万吨示范项目开工建设[2];中海油推行首个海上二氧化碳封存示范工程项目正式投用。总体来看,我国CCUS从技术研发水平、示范工程数量到规模都实现了较大提升。

02

CCUS技术体系

1. 什么是CCUS?

二氧化碳(CO₂)的捕集、利用与封存(CCUS)是指将CO₂从工业过程、能源利用或者大气中分离出来,通过工程手段实现其减排并/或获得附带效益的过程。它由三个主要部分组成:

(a)从各种固定排放源捕获二氧化碳,例如发电厂、水泥厂、钢铁生产设施和化学工业;

(b)通过管道、船舶和公路/铁路油罐车密封运输捕获的二氧化碳;

(c)将二氧化碳长期注入各种地质储层,例如盐水层、枯竭的油气田和不可开采的煤层。

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图1. CCUS技术体系[2]


2. CCUS发展阶段

CO₂捕集技术在发展阶段呈现出明显的代际演进特征,目前正处于从第一阶段向第二阶段过渡,第三阶段技术也开始崭露头角。

第一阶段CO₂捕集技术作为当前的主流技术,已经完成了工程示范并实现了商业化应用。该技术体系主要包括传统的燃烧后化学吸收技术和燃烧前物理吸收技术等成熟工艺,在现有工业体系中发挥着重要作用。

第二阶段CO₂捕集技术预计将在2025年前后实现商业化部署。这一代技术以创新性吸收材料为核心,重点发展基于新型吸收剂的化学吸收技术和化学吸附技术等先进工艺,在捕集效率和能耗方面较第一代技术都有显著提升。

第三阶段CO₂捕集技术作为具有革命性的新一代技术,计划于2035年投入商业运行。该技术体系突破了传统技术路线,采用化学链燃烧等创新性技术路径,在捕集成本、能耗水平和系统集成度等方面将实现质的飞跃,代表着未来CO₂捕集技术的发展方向。

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表1:IPCC历次报告中CCUS技术定位演变[3]


根据《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2023)》,综合分析CCUS技术在全行业的应用及其未来减排需求,预测碳达峰碳中和目标下中国CCUS减排需求为:2030年约为近1亿吨/年(0.58~1.47亿吨/年),2040年预计达到10亿吨/年左右(8.85~11.96亿吨/年),2050年将超过20亿吨/年(18.7~22.45亿吨/年),2060年约为23.5亿吨/年(21.1~25.3亿吨/年)。

如果没有CCUS技术,传统化石燃料发电厂的碳排放量将高于其他脱碳能源,不符合我国的碳中和愿景。通过捕获、运输和储存二氧化碳排放,CCUS技术可以减少化石燃料发电厂的排放,同时保持可灵活调度的电力输出。

03

中国CCUS发展的现状和挑战

1. 中国CCUS发展的现状

目前中国CCUS示范项目的CO₂捕集源涵盖电力、油气、化工、水泥、钢铁等多个行业,如下图所示:

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图2:中国CCUS示范项目捕集源分布


国家能源集团建成并投运了泰州电厂CCUS项目,每年可捕集50万吨CO₂,成为目前亚洲最大的煤电厂CCUS项目[4]

2022年10月,中建材(合肥)新能源光伏电池封装材料二期暨CO₂捕集提纯项目正式建成投产,成为世界首套玻璃熔窑CO₂捕集示范项目,年产5万吨液态CO₂[5]

2024年7月,中国能建建筑集团承建的华能陇东能源基地百万吨级二氧化碳捕集利用与封存研究及示范项目进入安装阶段,该项目采用燃烧后化学吸收二氧化碳捕集工艺路线,年捕集二氧化碳150万吨,捕集率大于90%,二氧化碳纯度大于99.5%[6]

据测算,我国电力、水泥行业的二氧化碳捕集成本约为300~600元/吨和180~730元/吨[7],低于国外的350~977元/吨和686~1,280元/吨。

基于已投运的示范项目捕集成本分析,尽管CCUS技术的示范成本目前仍处于较高水平,但是中国在该领域具有一定的成本优势。

因此,当前CCUS技术相较于其他减排技术仍缺乏显著的竞争优势,预计短期内其发展将面临较大阻力。特别是在煤电、钢铁、水泥、化工等高碳排放行业,CCUS工程应用的边际减排成本依然高于陆上风电、光伏发电和水力发电等可再生能源利用技术,在一定程度上限制了其在这些行业的广泛应用。

2. 面临的挑战

CCUS技术作为构建零碳能源体系、达成碳中和战略目标的核心技术支撑,在推进产业化发展进程中遭遇四重关键性制约因素。这些挑战已构成阻碍该技术实现规模化应用、市场化推广的主要瓶颈,亟待系统性解决方案以突破发展困局。

(1)政策框架不完善

2021年,CCUS技术被首次写入中国经济社会发展纲领性文件《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,标志着CCUS技术正式上升为国家战略。

随后,《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南(2022年版)》《工业领域碳达峰实施方案》《减污降碳协同增效实施方案》等均对钢铁、水泥等难减排工业行业提出了CCUS技术应用目标。

然而,目前的政策体系仍存在显著短板。当前全球范围内尚未形成统一的碳定价机制,各国碳市场定价标准差异巨大,使得碳减排成本缺乏可比性,难以形成稳定的市场预期。

长效激励机制的缺失也让企业参与CCUS项目的动力不足,没有明确的政策引导,企业对于长期投资的收益充满不确定性。

财税补贴政策在不同区域间存在严重失衡,部分经济发达地区能够给予企业高额补贴,而欠发达地区则因财政紧张无法提供足够支持,这种不公平的政策环境导致资源配置扭曲,加剧了区域间发展的不平衡。

在政策连贯性方面,现有政策多以阶段性目标为主,缺乏从技术研发、示范推广到商业化应用的全周期系统性规划,各部门间政策协同性不足,存在政策交叉与空白并存的现象。

例如,CCUS全链条监管标准体系尚未健全,从二氧化碳的捕集、运输到封存,各个环节缺乏统一、严格的规范,这不仅增加了项目运营风险,也使得市场主体因担忧合规问题而投资意愿不足。

(2)技术成本高

在CCUS实际运行的整个过程中,运行成本问题萦绕在捕获、运输、利用、封存等每一个环节。其中,碳捕集的成本最高,约占60%-80%[8]

以主流的有机胺法为例,其技术原理是利用有机胺溶液对二氧化碳进行吸收和解吸,然而这一过程消耗巨大。单吨CO₂捕集需消耗0.5-1kg胺液。胺液不仅价格昂贵,而且在使用过程中还会发生降解,需要不断补充,增加了持续成本。

当前CO₂捕集技术的成熟度存在显著差异:燃烧前物理吸收法已达到商业化应用水平,燃烧后化学吸附法正处于中试阶段,而大多数其他捕集技术仍处于工业示范阶段。

第一代碳捕集技术(燃烧后捕集技术、燃烧前捕集技术、富氧燃烧技术)发展渐趋成熟,主要瓶颈为成本和能耗偏高、缺乏广泛的大规模示范工程经验;而第二代技术(如新型膜分离技术、新型吸收技术、新型吸附技术、增压富氧燃烧技术等)仍处于实验室研发或小试阶段,技术成熟后其能耗和成本会比成熟的第一代技术降低30%以上,2035年前后有望大规模推广应用[9]

这些新技术从研发到实现产业化应用,典型研发周期长达10-15年,然而我国设定的2060碳中和目标时间紧迫,留给新技术研发和推广的时间十分有限,这种时间上的紧迫倒挂使得技术升级面临巨大压力。

此外,设备安装、土地投资等固定成本也是一笔不小的开支。以宝钢湛江工厂启动的CCUS项目为例:每年CO₂捕集能力为50万吨,封存点位于盆地内,距离工厂100公里以内,投资额为5,200万美元。

(3)技术需求紧迫

CCUS技术的发展面临显著的技术锁定风险,指的是如果高碳排放行业过早投资于特定的CCUS技术,而未来无法及时升级到更高效、更经济的新一代技术,导致企业长期被绑定在落后的技术体系中,从而面临着资产浪费、减排目的难以达成或者被迫承担高昂改造费用的风险。

当前我国现役燃煤电厂、水泥厂、钢铁厂等高排放行业的设备服役年限普遍较短,若采取强制退役措施,可能导致高达3.1万亿至7.2万亿元的资产搁浅。

为避免巨额资产损失并确保合理的资本回收周期,预计2030年后,电力与工业基础设施领域对CCUS技术改造的需求将呈现快速增长态势。

为有效规避技术锁定风险,亟需加速技术研发与迭代升级进程,确保低成本、低能耗的新一代CO₂捕集技术能够在关键窗口期内实现规模化部署与应用,从而充分发挥其减排潜力。

(4)基础设施建设不完善

建设二氧化碳运输与封存基础设施是大多数国家在CCUS部署初期面临的一大挑战,需要开发新的基础设施来支持刚刚起步的CCUS产业。

二氧化碳管道运输是将二氧化碳从排放地运输到封存地的常用方式,相比海运更经济。但我国跨区域的CO₂管道网络覆盖率不足30%,这意味着大量产生的二氧化碳无法通过管道进行高效运输,只能依赖成本更高、效率更低的公路或铁路运输方式,不仅增加了运输成本,还存在运输过程中的泄露风险。由此,在输送技术方面,长距离管道运输的核心技术仍有待突破。

在封存技术方面,国外已开展了大量的盐水封存示范,而我国仅开展了10万吨级的盐水封存示范。虽然我国已发展了大量的CCUS技术,但捕集技术总体能耗和成本较高,注油封存一体化技术有待进一步研究。

目前,我国封存监测技术成熟度仅达Technology Readiness Level 6(TRL6)级,表示技术处于系统原型在相关环境中的演示阶段,距离实际大规模应用仍有较大差距。

在实际封存过程中,由于监测技术不完善,难以准确掌握二氧化碳的封存状态,无法及时发现潜在的泄漏风险,给环境安全带来隐患。虽然已经开发了多种碳捕获技术,探索了多种转化路线,并展示了多种封存方法,但这些技术大多处于实验室或工业试验阶段。

此外,CCUS全链条系统涉及捕集、运输、封存等多个环节,各环节之间缺乏有效的协同配合,导致系统效率损失超过35%。

例如,在一些项目中,捕集环节生产的二氧化碳无法及时被运输和封存,造成积压,不仅影响了捕集设备的正常运行,还增加了额外的存储成本,严重制约了CCUS技术产业化的整体推进。

3. 美国和欧洲CCUS现状

2021年美国通过了《基础设施投资和就业法案》,2022年通过了《通胀削减法案》。这两项立法共同促进了CCUS项目的开发。例如,在2022年至2023年期间,美国CCUS项目的数量较2020年至2021年期间实现了近一倍的增长。

这一显著增长主要得益于《通胀削减法案》(IRA)的政策推动,特别是在地质封存领域。数据显示,从2022年2月到2024年2月,美国地质封存能力预计将提升至原来的三倍。

美国联邦政府对CCUS提供的财政支持包括:2021年至2023年期间,CCUS研究及相关项目的年度拨款总额为53亿美元;除常规拨款程序外,2009年《美国复苏与再投资法案》为CCUS项目提供了34亿美元的资金支持,2021年《基础设施投资与就业法案》则为2022年至2026年期间的CCUS项目提供了82亿美元的预拨款支持[10]

上述资金投入通过常规预算与专项法案结合的方式,体现了对CCUS技术研发及应用的持续性政策支持。

近几年,丹麦、挪威、英国以及欧盟委员会对CCUS技术的基础政策支持显著提升了企业参与CCUS项目开发的积极性,尤其是在CO₂封存领域。

以英国为例,2023年9月,该国在其首轮二氧化碳封存许可中发放了21个许可证,预计到2030年将实现每年高达3,000万吨的二氧化碳封存能力。

与此同时,欧盟创新基金在2023年提出将40%的资金(约14亿欧元)投向CCUS项目,重点支持水泥生产、合成燃料等工业领域的二氧化碳的捕集与利用,进一步推动CCUS技术的规模化应用。

在欧盟,污染者必须通过欧盟排放交易体系(ETS)为其温室气体排放付费。通过该体系筹集的资金将被重新投资到创新基金是全球最大的创新低碳技术资助项目之一。下表是部分针对CCUS获得创新基金补贴的项目。

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表2:欧洲创新基金对CCUS项目的补贴清单[11]


随着全球应对气候变化的共识不断深化,跨境CCUS项目合作正成为多国携手推进绿色转型的重要实践。在这一背景下,北海区域率先发力,掀起了一场跨国协作的环保浪潮。

2024年3月,丹麦与法国便已捕捉到CCUS跨境合作的战略价值,率先签署协议,为后续的跨国合作奠定基础。次月,合作态势进一步升温,丹麦、比利时、荷兰和瑞典相继与挪威达成二氧化碳跨境运输协议,旨在构建跨国二氧化碳运输与封存网络;与此同时,瑞典与丹麦也敲定同类合作意向,共同探索更高效的碳封存路径。

这些跨境合作并非无序展开,而是有着坚实的制度保障。所有合作协议均严格遵循《伦敦议定书》的规范。作为一项具有里程碑意义的国际协定,《伦敦议定书》以规范二氧化碳跨境运输及海上封存活动为核心,通过明确的标准与流程,确保各国在推进CCUS项目时既能发挥协同效应,又能验收生态安全底线。在其框架指引下,北海区域的跨境CCUS合作得以稳步推进,为全球应对气候变化贡献了智慧与协作范本。

4. 美国和欧洲的CCUS对中国的启示

要实现CCUS技术的规模化应用,需重点突破制度建设和商业机制两大核心领域:一方面,通过构建完善的法规、标准体系解决当前监管框架碎片化、长期封存责任界定不清等制度性障碍;另一方面,需探索形成可持续的商业模式,以化解项目融资难、收益周期长等市场化困境。

(1)制定完善的制度法规和标准体系

首先,需建立健全CCUS行业规范与制度法规框架,明确技术研发、项目建设、运营管理、监管监督以及终止退出等全生命周期的政策要求,为行业健康发展提供制度支撑。其次,应构建科学合理的标准体系,重点包括以下几个方面:

• 在役电厂及工业排放源改造标准

制定针对现有燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等工业排放源的CCUS技术改造适用性标准,明确不同行业、不同规模设施的改造技术要求、排放限值及能效指标,确保改造项目的技术可行性和经济合理性。

• 新建电厂碳排放标准

建立新建电厂的碳排放强制性标准,将CCUS技术作为高排放设施建设的必备条件,推动低碳化、近零排放电厂的规模化发展,从源头控制碳排放。

• CO₂输送管道设计及安全标准

制定CO₂输送管道的设计规范和安全运营标准,涵盖管道材料、压力等级、监测系统、泄漏应急响应等技术要求,确保CO₂运输过程的安全性和可靠性。

• CO₂利用与封存技术标准

完善CO₂地质封存的技术标准,包括封存场地选址、注入工艺、长期监测及风险评估等要求;同时,制定CO₂资源化利用的技术和工业标准,推动其在化工、建材、食品等领域的规范化应用。

• 全生命周期监管标准

建立覆盖CCUS项目全生命周期的监管标准体系,明确项目立项、建设、运营、终止等各阶段的监管要求,确保项目环境风险可控、减排效果可核查。

(2)形成有效的商业模式

形成有效的商业模式是推动CCUS技术规模化、商业化应用的核心环节。与国际上拥有丰富CCUS应用经验的国家和地区(如美国、挪威、加拿大等)相比,我国在政策支持和商业模式创新方面仍存在较大提升空间。

国际实践表明,政府通过多元化的政策工具和市场机制支持CCUS发展,结合市场化收益,以及全链条的协同作用能够显著提升企业参与积极性,加速技术商业化进程。具体而言,可以从以下方面入手:

首先,国家出台相关的监管措施,明确CCUS项目开发过程中的权、责、利划分,可通过政府前期承担大部分的基础设施投资,企业按照用量的方式,摊薄单项目的成本,提高企业长期运营的积极性。

例如,通过立法或政策文件,明确CCUS项目开发、运营、监管各方面的权利、责任和利益分配。针对CCUS项目的高成本与高风险特性,探索政府、企业、经融机构等多方参与的风险共担模式,降低企业投资的风险。

其次,可以通过优化路径的方式,降低边际运输的成本。例如,政府授予公司特许权,建设连接捕集点的区域网络,改善碳运输依靠距离、地形、规模而造成成本不可控的风险。

从我国实际国情出发,工业排放源主要集中在京津冀、长三角、珠三角等东部沿海经济带,而鄂尔多斯盆地、松辽盆地等优质封存场所分布于东北、西北地区,形成“东排西储”的空间格局。若依托现有能源输送网络,构建“沿海捕集-中部枢纽-内陆封存”三级运输体系,可显著改善地形、距离等因素导致的成本波动。

例如,在长三角地区建立区域性管网枢纽,将分散的化工、电力企业排放源串联,通过高压液态管道输送至1,500公里外的鄂尔多斯盆地。经测算,规模化运输可使单位运输成本从当前的15-20元/吨降至8-12元/吨。

最后,碳市场与CCUS技术的深度联动,能够构建起有效的激励机制,充分释放减排潜力。政府通过科学分配碳排放配额,将企业的碳减排行为与经济效益直接挂钩,企业投资CCUS技术不仅能减少配额消耗,还能通过出售剩余配额实现获利,形成良性循环。

04

总结

在全球应对气候变化的紧迫形势下,碳捕集利用与封存(CCUS)技术作为实现2℃温控目标的关键支撑,正处于重要的发展转折点。尽管面临技术成本高企、基础设施薄弱等现实挑战,但其在碳减排、能源系统优化以及社会经济价值转化等方面展现的显著优势,已然成为可持续发展版图中不可替代的组成部分。综合来看,CCUS的价值体现在以下几个方面:

• 实现减排目标

作为应对气候变化的关键技术手段,在化石能源短期内难以完全退出的现实条件下,CCUS技术已成为实现《巴黎协定》温控目标不可或缺的技术支撑,同时也是确保碳达峰碳中和目标如期达成的战略性托底保障。

根据《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2023)》的研究预测,到2060年,我国CCUS技术的年减排需求将达到约23.5亿吨,这一规模凸显了CCUS技术在实现碳中和目标进程中的关键地位和重要作用。 

• 提供更灵活的电力系统

CCUS与化石燃料电厂结合,可在低碳运行前提下,作为基荷或调峰电源为电力系统提供灵活性,支持可再生能源大规模接入;同时,在可再生能源发电波动时充当备用电源,快速响应需求变化,弥补间歇性,保障电力系统稳定可靠。 

• 创建社会经济价值

CCUS技术兼具环境效益与社会经济价值,既能助力电力行业降低能源成本、带动经济增长,为家庭与企业创造开支节省和税收优惠等实际收益,又能通过项目全周期建设运营创造大量就业岗位,成为绿色发展与经济繁荣的双向驱动引擎。


参考资料:

[1] IPCC. AR6 synthesis report: climate change 2023 [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2023

[2] 张贤,杨晓亮,鲁玺等. 中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2023) [R].

中国21世纪议程管理中心,全球碳捕集与封存研究院,清华大学. 2023

[3] Peng X T, Lyu H D, Zhang X. Interpretation of IPCC AR6 report on carbon capture, utilization and storage (CCUS) technology development [J]. Climate Change Research, 2022, 18 (5): 580-590

[4] 人民日报海外版. “碳捕手”让二氧化碳变好用. https://www.nea.gov.cn/2023-06/11/c_1310726491.htm

[5] 人民网. 中建材光伏电池封装材料二期项目在合肥点火. http://ah.people.com.cn/n2/2022/0921/c227131-40133479.html

[6] 高盛唯. 中国能建建筑集团承建的世界规模最大燃煤电厂碳捕集工程DCS受电一次成功https://www.ceec.net.cn/art/2025/3/3/art_11019_2534543.html

[7] 中国碳中和与清洁空气协同路径年度报告工作组(2022),“中国碳中和与清洁空气协同路径 2022——减污降碳 协同增效”,清华大学碳中和研究院,北京,中国

[8] International Energy Agency. CCUS in clean energy transitions [R/OL].Paris: International Energy Agency, 2020[2022-06-01]. https://www.iea.org/reports/ccus-in-clean-energy-transitions

[9] 蔡博峰,李琦,张贤 等 . 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 [R].

[10] US Congressional Budget Office. Carbon Capture and Storage in the United States. https://www.cbo.gov/publication/59832

[11] European Commission. Innovation Fund projects. https://climate.ec.europa.eu/eu-action/eu-funding-climate-action/innovation-fund/innovation-fund-projects_en


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