中國網/中國成長門戶網訊 碳捕集、應用與封存（CCUS）是指將CO2從產業經過歷程、動力應用或年夜氣平分離出來，并保送到合適的場地加以封存和應用，終極完成CO2減排的技巧手腕，觸及CO2捕集、運輸、應用和封存等多個環節。結合國當局間天氣變更專門委員會（IPCC）的第六次評價陳述（AR6）指出，要完成巴黎協議溫控目的，需求應用CCUS技巧完成累計千億噸的碳減排量。在碳中和目的下，CCUS是化石動力低碳應用、產業流程低碳再造的一項要害技巧支持，其延長的直接空氣捕集（DAC）、生物資能碳捕集與封存（BECCS）技巧則是完成年夜氣中殘余CO2往除的主要技巧選擇。
美國、歐盟、英國、japan(日本)等國度和地域已將CCUS作為完成碳中和目的必不成少的一項減排技巧，將其上升到國度計謀高度，并發布了一系列計謀計劃、道路圖和研發打算。相干研討表白，在碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目的下，到2025年中國重要行業對應用CCUS技巧完成CO2減排的需求約為0.24億噸/年，到2030年約為1億噸/年，到2040年約為10億噸/年，到2050年將跨越20億噸/年，到2060年約為23.5億噸/年。是以，成長CCUS將對我國完成“雙碳”目的具有主要的計謀意義。本文將周全剖析國際CCUS範疇的嚴重計謀安排及技巧成長態勢，以期為我國CCUS成長和技巧研發供給參考。
重要國度和地域CCUS成長計謀
美國、歐盟、英國、japan(日本)等國度和地域持久投進資金支撐CCUS技巧研發和示范項目扶植，近年來更是積極推動CCUS貿易化過程，并依據本身資本天賦和經濟基本，構成了各有著重的計謀取向。
美國連續贊助CCUS研發和示范，不竭推動CCUS技巧多元化成長
自1997年以來，美國動力部（DOE）連續贊助CCUS的研發和示范。2007年，美國動力部制訂了CCUS研發與示范打算，包含CO2捕集、運輸與封存、轉化應用三年夜範疇。2021年，美國動力部將此中的CO2捕集打算修正為點源碳捕集（PSC）打算，并增添CO2往除（CDR）打算，CDR打算旨在推進DAC、BECCS等碳往除技巧成長，同時安排“負碳攻關打算”以推動碳往除範疇要害技巧立異，目的是到2050年，完成從年夜氣中往除數十億噸CO2，CO2捕集和封存本錢低于100美元/噸。自此，美國CCUS研發重點進一個步驟延長到DAC、BECCS等碳往除技巧，CCUS技巧系統加倍多元化。2022年5月，美國動力部宣布啟動35億美元的“區域直接空氣捕集中間”打算，將支撐4個年夜型區域直接空氣捕集中間扶植，旨在加快貿易化過程。
2021年，美會議室出租國更換新的資料了CCUS研討打算贊助標的目的，新的研討範疇和重點攻關標的目的包含：點源碳捕集技巧的研討重點包含開闢進步前輩碳捕集溶劑（如貧水溶劑、相變溶劑、高機能效能化溶劑等），高選擇性、高吸附性和抗氧化的低本錢耐用吸附劑，低本錢耐用的膜分別技巧（聚合物膜、混雜基質膜、亞周遭的狀況溫度膜等），混雜體系（吸附-膜體系等），以及高溫分別等其他立異技巧；CO2轉化應用技巧的研討重點是開闢將CO2轉化制燃料、化學品、農產物、植物飼料和建筑資料等增值產物的新裝備和工藝； CO2運輸與封存技巧的研討重點是開闢進步前輩平安靠得住的CO2運輸和封存技巧；DAC技巧的研討重點是開闢可以或許進步CO2往除量并進步能效的工藝和捕集資料，包含進步前輩溶劑、低本錢耐用膜分別技巧和電化學方式等；BECCS的研討重點是開闢微藻的年夜範圍培育、運輸和加工技巧，并削減對水和地盤的需求，以及CO2往除量的監測與核對等。
歐盟及其成員國將CCUS上升到國度計謀高度，多個年夜型基金贊助CCUS研發與示范
2024年2月6日，歐盟委員會經由過程了《產業碳治理計謀》，旨在擴展CCUS安排範圍，并完成貿易化，并提出三年夜成長階段：到2030年，每年至多封存5000萬噸的CO2，以及扶植由管道、船舶、鐵路和公路構成的相干運輸基本舉措措施；到2040年，年夜大都地域的碳價值鏈具有經濟可行性，CO2成為歐盟單一市場內封存或應用的可買賣商品，所捕集的CO2中有1/3比例可以被應用；2040年后，產業碳治理應成為歐盟經濟系統的一個構成部門。
法國于2024年7月4日發布《法國CCUS安排近況和遠景》，提出了3個成長階段：2025—2030年，安排2—4個CCUS中間，完成每年400萬—800萬噸CO2的捕集量；2030—2040年，每年完成1 200萬— 2 000萬噸CO2捕集量；2040—2050年，每年完成3 000萬—5 000萬噸CO2捕集量。2024年2月26日，德國聯邦經濟事務和睦候舉動部（BMWK）發布《碳治理計謀要點》和基于該計謀的修訂版《碳封存法案草案》，提出將努力于打消CCUS技巧妨礙，推進CCUS技巧成長，并加快基本舉措措施扶植。“地平線歐洲”“立異基金”“銜接歐洲舉措措施”等打算為增進CCUS成長供給了資金支撐，贊助重點包含：進步前輩碳捕集技巧（固體吸附劑、陶瓷和聚合物分別膜、鈣輪迴、化學鏈熄滅等），CO2轉化制燃料和化學品、水泥等產業示范，CO2封存場地開闢等。
英國以CCUS集群扶植方法成長CCUS技巧
英國將扶植CCUS財產集群作為推進CCUS疾速成長和安排的主要手腕。英國《凈零計謀》提出，到2030年將投資10億英鎊與產業界一起配合扶植4個CCUS財產集群。2023年12月20日，英國發布《CCUS：樹立競爭性市場愿景》，旨在成為CCUS全球引導者，并提出CCUS三年夜成長階段：2030年前積極創立CCUS市場，到2030年每年捕集2 000萬—3 000萬噸CO2當量； 2030—2035年，積極樹立貿易競爭市場，完成市場轉型；2035—2050年，構建自給自足的CCUS市場。
為加速CCUS貿易安排，英國《凈零研討與立異框架》制訂了CCUS和溫室氣體往除技巧研發重點和立異需求：推動高效低本錢的點源碳捕集技巧研發，包含熄滅前捕集的進步前輩重整技巧、新型溶劑和吸附工藝的熄滅后捕集、低本錢富氧熄滅技巧，以及鈣輪迴等其他進步前輩低本錢碳捕集技巧；進步效力并削減動力需求的DAC技巧；高效且具有經濟性的生物資氣化技巧研發與示范、生物資供給鏈優化，以及經由過程BECCS與熄滅、氣化、厭氧消化等其他技巧的耦合以增進BECCS在發電、供熱、可連續運輸燃料或氫氣生孩子範疇的利用，同時充足評價這些方式對周遭的狀況的影響；高效低本錢CO2運輸和封存的共享基本舉措措施的扶植；展開地質封存的建模、模仿、評價和監測技巧與方跳舞場地法，開闢乾涸油氣儲層封存技巧和方式，使海上CO2封存成為能夠；開闢CO2轉化制長命命產物、分解燃料和化學品的CO2應用技巧。
japan(日本)努力于打造具有競爭力的碳輪迴財產
japan(日本)《2050年完成碳中和的綠色增加計謀》將碳輪迴財產列為完成碳中和目的的十四年夜財產之一，提出CO2轉化制燃料和化學品、CO2礦化養護混凝土、高效低本錢分別與捕集技巧，以及DAC技巧是將來的重點義務，并提出了明白成長目的：到2030年，高壓CO2捕集的本錢為2 000日元/噸CO2、高壓CO2捕集的本錢為1 000日元/噸CO2、基于藻類的CO2轉化制生物燃料本錢為100日元/升；到2050年，直接空氣捕集的本錢為2 000日元/噸CO2、基于人工光一起配合用的CO2制化學品的本錢為100日元/千克。為進一個步驟加快碳輪迴技巧成長并施展完成碳中和的要害計謀感化，japan(日本)于2021年修訂了《碳輪迴應用技巧道路圖》，并陸續發布了“綠色立異基金”框架下的CO2轉化應用制塑料、燃料、混凝土，以及C交通O2生物制造、CO2分別收受接管等5個專項研發與社會實行打算。這些專項研發打算的重點包含：用于CO2捕集的低能耗立異資料和技巧開闢與示范；CO2轉化制運輸用分解燃料、可連續航空燃料、甲烷及綠色液化石油氣；CO2轉化制聚氨酯、聚碳酸酯等效能性塑料；CO2生物轉化應用技巧；立異碳負性混凝土資料等。
碳捕集、應用與封存技巧範疇成長態勢
全球CCUS技巧研發格式
基于Web of Science焦點合集數據庫，本文檢索了CCUS技巧範疇SCI論文，合計120 476篇。從發文趨向來看（圖1），自2008年起，CCUS範疇發文多少數字浮現疾速增加趨向。2023年的發文量為13 089篇，是2008年發文量（1 671篇）的7.8倍。跟著重要國度對CCUS技巧的器重水平不竭增添和連續贊助，估計將來CCUS發文量將會連續增加。從SCI論文的研討主題來看，CCUS研討標的目的重要以CO2捕集為主（52%），其次是CO2化學與生物應用（36%）、CO2地質應用與封存（10%），CO2保送範疇論文占比擬小（2%）。
從論文產出國度分布來看，全球發文量排名前10位（TOP10）的國度分辨是中國、美國、德國、英國、japan(日本)、印度、韓國、加拿年夜、澳年夜利亞和西班牙（圖2）。此中中國以36 291篇發文量，遠遠搶先于其他國度，位居全球首位。但從論文影響力來看（圖3），在發文量前10位的國度中，在高被引論文百分比、學科規范化的引文影響力兩個目標上均高于前10位國度均勻程度的國度有美國、澳年夜利亞、加拿年夜、德國和英國（圖3第一象限），此中美國、澳年夜利亞在這兩個目標上分辨處于全球搶先位置，表白這兩個國度在CCUS範疇具有較強研發實力。我國固然在發文總量上位居全球第1位，但在學科規范化的引文影響力方面落后于排名前10位國度均勻程度，研發競爭力有待進一個步驟進步。
CCUS技巧研討熱門與主要停頓
基于近10年CCUS技巧主題圖譜（圖4），共構成了九年夜要害詞聚類，分辨分布在：碳捕集技巧範疇，包含CO2接收相干技巧（聚類1）、CO2吸附相干技巧（聚類2）、CO2膜分別技巧（聚類3），以及化學鏈燃料（聚類4）；化學與生物應用技巧範疇，包含CO2加氫反映（聚類5）、CO2電/光催化復原（聚類6）、與環氧化合物的環加成反映技巧（聚類7）；地質應用與封存（聚類8）；BECCS與DAC等碳往除（聚類9）。本節重點剖析這四年夜技巧範疇的研發燒點和停頓，以期提醒CCUS範疇技巧布局和成長趨向。
CO2捕集
CO2捕集是CCUS技巧中的主要環節，也是全部CCUS財產鏈的最年夜本錢和能耗起源，約占CCUS全體本錢的近75%，是以若何下降CO2捕集本錢和能耗是今朝面對的重要迷信題目。今朝，CO2捕集技巧正從基于單一胺的化學接收技巧、熄滅前物理接收技巧等第一代碳捕集技巧，向新型接收溶劑、吸附技巧、膜分別、化學鏈熄滅、電化學等新一代碳捕集技巧過渡。
新型吸附劑、接收溶劑及膜分別等第二代碳捕集技巧是今朝研討的重點。吸附劑的研討熱門是開闢進步前輩構造化吸附劑，如金屬無機框架、共價無機框架、摻雜多孔碳、三嗪基骨架資料、納米多孔碳等。接收溶劑的研討熱門是研制高效綠色、耐用、低本錢的溶劑，如離子溶液、胺基接收劑、乙醇胺、相變溶劑、深共晶溶劑、接收劑解析與降解等。新型推翻性的膜分別技巧的研討重點是開闢高滲入率的膜資料，如混雜基質膜、聚合物膜、沸石咪唑骨架資料膜、聚酰胺膜、中空纖維膜、雙相膜等。美國動力部指出，從產業源中捕集CO2本錢需求降至30美元/噸擺佈，CCUS才具有貿易可行性。japan(日本)昭和電工股份有限公司、japan(日本)鋼鐵股份有限公司和japan(日本)6所國立年夜學結合展開了與現有多孔資料（沸石、活性炭等）完整分歧的“構造機動的多孔性配位高分子”（PCP*3）研討，以13.45美元/噸的衝破性低本錢從常壓、低濃度廢氣（CO2濃度低于10%）中高效分別收受接管CO2，估計在2030年末前完成利用。美國東南承平洋國度試驗室開闢了新型碳捕集劑CO2BOL，與貿易技巧比擬，該溶劑可將捕集本錢下降19%（每噸低至38美元），能耗下降17%，捕集率高達97%。
化學鏈熄滅、電化學等第三代碳捕集立異技巧開端嶄露頭角。此中化學鏈熄滅技巧被以為是最具利用遠景的碳捕集技巧之一，具有高動力轉化效力、低CO2捕集本錢和淨化物協同把持等長處。但化共享會議室學鏈熄滅溫度高，載氧體低溫燒結嚴重，成為了限制化學鏈技巧成長和利用的瓶頸。今朝，化學鏈熄滅的研討熱門包含金屬氧化物（鎳基、銅基、鐵基）載氧體、鈣基載氧體等。High等開闢了一種新的高機能載氧體資料分解方式，其經由過程調控銅鎂鋁水滑石先驅體的資料化學和分解工藝，完成納米級疏散的混雜銅氧化物資料，克制輪迴經過歷程中鋁酸銅的構成，制備了耐燒結的銅基氧化復原載氧體。研討成果表白，在900℃、500次氧化復原輪迴中具有穩固的氧氣貯存才能，并在較寬溫度范圍內具有高效的氣體凈化才能。該資料勝利制備為高活性、高穩固性載氧體資料的design供給了新思緒，無望處理載氧體低溫燒結的要害瓶頸題目。
CO2捕集技巧已在多個高排放行業獲得利用，但分歧行業技巧成熟度有所分歧。燃煤電廠、自然氣電廠、煤氣化電廠等動力體系耦合CCUS技巧成熟度較高，均到達技巧成熟度品級（TRL）9級，特殊是基于化學溶劑法的碳捕集技巧，今朝已普遍利用于電力部分的自然氣脫硫和熄滅后捕集經過歷程。依據IPCC第六次評價（AR6）第3任務組陳述，鋼鐵、水泥等行業耦合CCUS技巧成熟度因工藝分歧有所差別。例如，分解氣、直接復原鐵、電爐耦合CCUS技巧的成熟度最高（TRL 9級），今朝跳舞教室已可用；而水泥經過歷程加熱和CaCO3煅燒耦合CCUS的生孩子技巧成熟度為TRL 5—7級，估計在2025年可用。是以，今朝傳統重產業利用CCUS尚存在挑釁。
一些國際年夜型重產業企業如安賽樂米塔爾、海德堡等鋼鐵、水泥企業已展開CCUS相干技巧示范工程。2022年10月，安賽樂米塔爾、三菱重工、必和必拓和三菱開闢公司配合簽訂了一項一起配合協定，打算分辨在位于比利時根特鋼鐵廠和北美的鋼鐵廠展開CO2捕集試點項目。2023年8月14日，海德堡資料宣布其位于加拿年夜艾伯塔省埃德蒙頓的水泥廠已裝置三菱重工股份有限公司的CO2MPACTTM體系，該舉措措施無望成為全球水泥行業首個周全的CCUS處理計劃，估計將于2026年末投進運營。
CO2地質應用與封存
CO2地質應用與封存技巧不只能完成CO2年夜範圍減排，并且可以或許進步石油、自然氣等資本開采量。CO2地質應用與封存技巧今朝研討熱門包含CO2強化石油開采、強化氣體開采（頁巖氣、自然氣、煤層氣等）、CO2采熱技巧、CO2注進與封存技巧及監測等。CO2地質封存的平安性及其泄漏風險是大眾對CCUS項目最年夜的擔心，是以持久靠得住的監測手腕、CO2-水-巖石彼此感化是CO2地質封存技巧研討的重點。Sheng Cao等經由過程靜態和靜態相聯合的方式研討了CO2驅替經過歷程中水巖彼此感化對巖心孔隙度和滲入率的影響。成果表白，將CO2注進巖心會招致CO2在地層水中消融時與巖石礦物產生反映。這些反映招致新礦物的構成和碎屑顆粒的障礙，從而下降巖心滲入率，且經由過程碳酸腐化發生的精緻裂痕會增添巖心滲入率。CO2–水–巖石反映受PV值、壓力和溫度的明顯影響。CO2強化采油已在美國、加拿年夜等發財國度完成普遍貿易化利用。驅替煤層氣開采、強化深部咸水開采與封存、強化自然氣開闢等處于產業示范或試點階段。
CO2化學與生物應用
CO2化學與生物應用是指基于化學和生物技巧將CO2轉化制化學品、燃料、食物等其他產物，其不只可以或許直接耗費CO2，還可以或許完成對傳統高碳原料的替換，下降石油、煤炭的耗費，兼具直接減排和直接減排效應，綜合減排潛力宏大。由于CO2具有極高的惰性和高C—C耦合壁壘，在CO2應用效力和復原選擇性把持上仍具有挑釁性，是以今朝研討重點集中在若何進步產品的轉化效力和選擇性上。CO2電催化、光催化、生物轉化應用，以及上述技巧的耦合是CO2轉化應用的要害技巧道路，今朝研討熱門包含基于熱化學、電化學、光/光電化學轉化機理研討，樹立高效催化劑的可控分解方式和構效關系，并經由過程對分歧反映系統中反映器的公道design和構造優化，加強反映傳質經過歷程和削減能量喪失，從而進步CO2催化轉化效力和選擇性。Jin等開闢CO2經CO兩步轉化為乙酸的工藝，研討職員應用Cu/Ag-DA催化劑，在高壓強反映前提下，將CO高效復原為乙酸。與之前文獻報道比擬，絕對于從CO2電復原反映中察看到的一切其他產品，乙酸的選擇性增添一個多少數字級，完成了91%的CO到乙酸法拉第效力，并在持續任務820小時后，法拉第效力仍能堅持85%，在選擇性、穩固性上完成了新衝破。Khoshooei等研制出可將CO2轉化為CO的便宜催化劑——納米晶立方碳化鉬（α-Mo2C），該催化劑可在600℃下將CO2100%改變為CO，且其在低溫和高通量反映前提下堅持活性跨越500小時。
以後，CO2化學與生物應用年夜部門處于產業示范階段，也有一些生物應用處于試驗室階段。此中CO2化學轉化制尿素、分解氣、甲醇、碳酸酯、可降解聚合物、聚氨酯等技巧已處于產業示范階段，如冰島碳輪迴（Carbon Recycling）公司已于2022年完成CO2轉化制甲醇11萬噸產業示范。而CO2化學轉化制液體燃料、烯烴則處于中試示范階段，如中國迷信院年夜連化學物理研討所與珠海市福沺動力科技無限公司于2022年3月結合開闢了世界開創的千噸級CO2加氫制汽油中試裝配。CO2生物轉化應用已從生物乙醇簡略化學品成長至復雜的生物年夜分子，如生物柴油、卵白質、戊酸、蝦青素、淀粉、葡萄糖等，此中微藻固定CO2轉化制生物燃料和化學品技巧、微生物固定CO2分解蘋果酸處于產業示范階段，而其他生物應用則多處于試驗階段。鋼渣和磷石膏的CO2礦化技巧已接近貿易化利用，預制混凝土CO2固化和在混凝土中應用碳化骨料正處于安排的后期階段。
DAC和BECCS技巧
DAC、BECCS等新型碳往除（CDR）技巧日益遭到追蹤關心，將在完成碳中和目的后期施展主要感化。IPCC第六次評價第3任務組陳述指出，21世紀中葉后必需高度器重DAC、BECCS等新型碳往除技巧，將來10年這些技巧的晚期成長將對其以后的範圍化成長速率和程度至關主要。
DAC今朝研討重點包含金屬無機框架資料、固態胺、沸石等固態技巧，以及堿性氫氧化物溶液、胺溶液等液態技巧，新興技巧包含變電吸擁護膜法DAC技巧。DAC技巧面對的最年夜挑釁是能耗較高。Seo等在水溶液中應用中性紅作為氧化復原活性資料和煙酰胺作為親水增溶劑，完成低能耗的電化學直接空氣捕集，將傳統技巧工藝需求熱量從230千焦/摩爾—800千焦/摩爾CO2最低降至65千焦/摩爾CO2。直接空氣捕集與封存技巧成熟度不高，約為TRL6。固然技巧成熟不高，但DAC範圍不竭擴展，今朝全球已有18個DAC舉措措施正在運轉，還有11個處于開闢中的舉措措施。若一切這些打算中的項目都得以實行，到2030年，DAC的捕集才能將到達約550萬噸CO2，是今朝捕集才能的700多倍。
BECCS研討重點重要包含基于生物資熄滅發電的BECCS技巧、基于生物資高效轉化應用（如乙醇、分解氣、生物油等）的BECCS技巧等。BECCS年夜範圍安排的重要限制原因是地盤和生物質源等，一些BECCS道路已貿易化，如第一代生物乙醇生孩子中的CO2捕集是最成熟的BECCS道路，但年夜部門仍處于示范或試點階段，如生物資熄滅廠的CO2捕集處于貿易示范階段，用于分解氣利用的生物資年夜範圍氣化仍處于實驗驗證階段。
結語與將來瞻望
近年來CCUS成長遭到了史無前例的器重。從重要國度和地域CCUS成長計謀看，推進CCUS成長以助力碳中和目的完成已在全球重要國度告竣普遍共鳴，極年夜推進了CCUS科技提高和貿易安排。截至2023年第2季度，全球處于計劃、扶植和運轉中的貿易CCS項目多少數字再立異高，到達了257個，比上年同期增添63個，若這些項目所有的建成運轉后捕集才能將達到每年3.08億噸CO2，比2022年同期的2.42億噸增加27.3%，但這與國際動力機構（IEA）2050年全球動力體系凈零排放情形下，2030年全球CO2捕集量到達16.7億噸/年和2050年到達76億噸/年的減排量仍有較年夜差距，是以在碳中和佈景下，需求進一個步驟加年夜CCUS貿易化過程。這不只需求加快範疇的科技衝破，還需求列國不竭完美監管、財稅等方面的政策辦法，以及樹立國際通用的新興CCUS技巧的核算方式學。
將來在科技研發方面可斟酌分步走的計謀。近期可聚焦第二代低本錢、低能耗CO2捕集技巧研發與示范，完成CO2捕集在碳密集型行業的範圍化利用；成長平安靠得住的地質應用封存技巧，盡力進步CO2化學與生物應用轉化效力。中遠期可聚焦面向2030年及以后的第三代低本錢低能耗CO2捕集技巧研發與示范；開闢CO2高效定向轉化分解化學品、燃料、食物等範圍化利用新工藝；積極安排直接空氣捕集等碳往除技巧研發與示范。
CO2捕集範疇。研發高接收性、低淨化和低能耗再生溶劑，高吸附容量和高選擇性的吸附資料，以及高滲入性和選擇性的新型膜分別技巧等。此外，增壓富氧熄滅、化學鏈熄滅、鈣輪迴、酶法碳捕集、混雜捕集體系、電化學碳捕集等其他立異技巧也是將來值得追蹤關心的研討標的目的。
CO2地質應用與封存範疇。展開和強化對CO2封存地球化學-地質力學經過歷程的猜測性懂得、創立CO2持久平安封存猜測模子、CO2—水—巖彼此感化、聯合人工智能和機械進修的碳封存智能監測體系（IMS）等技巧研討。
CO2化學與生物應用範疇。經由過程CO2高效活化機理研討，展開高轉化率和高選擇性的CO2轉化應用新型催化劑、溫順前提下活化轉化道路、多途徑耦合的分解轉化新道路等技巧研討。
（作者：秦阿寧，中國迷信院文獻諜報中間；孫玉玲，中國迷信院文獻諜報中間中國迷信院年夜學。《中國迷信院院刊》供稿）