郭勝偉，陸忠杰，張曉舟

中國海油集團能源經(jīng)濟研究院

0 引言

在2020年12月12日聯(lián)合國“2020氣候雄心峰會”上，中國提出到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到約25%的目標［1］。然而，中國在短期內(nèi)以煤、油、氣為主的化石能源消費結(jié)構(gòu)難以改變。傳統(tǒng)電力、鋼鐵、石化等二氧化碳排放量較大行業(yè)僅依靠傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)降低二氧化碳排放量作用有限，利用 CCS（碳捕集與封存）這類新興工業(yè)化技術(shù)實現(xiàn)二氧化碳凈零排放至關(guān)重要，在全國實施CCS技術(shù)應(yīng)用是未來必然的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)階段CCS的成本阻礙了其廣泛應(yīng)用，單憑碳排放交易價或碳稅尚不能支撐CCS項目投資運營，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的鼓勵政策、規(guī)范體系尚需進一步完善。為了進一步提高資源利用率，降低單位成本，發(fā)展CCS集群和樞紐模式必不可少。

1 CCS發(fā)展現(xiàn)狀

國際上，近年來CCS工業(yè)示范項目數(shù)目逐步增多、規(guī)模逐步擴大。根據(jù) Global CCS Institute 發(fā)布的《Global Status of CCS 2020》報告［2］，大規(guī)模 CCS設(shè)施捕集能力定義為在工業(yè)碳源類不低于 40×104t/a，在發(fā)電廠類碳源不低于80×104t/a。

截至2020年底，全球現(xiàn)有二氧化碳捕集能力約4 000×104t/a，共有 28個處于運行階段的大規(guī)模CCS項目。按地域分類，處于運行階段的大規(guī)模CCS項目中有 14個分布在美國，4個分布在加拿大，3個分布在中國，2個分布在挪威，5個分別在巴西、沙特阿拉伯、阿拉伯聯(lián)合酋長國、卡塔爾和澳大利亞。按應(yīng)用分類，26個項目的碳捕集類型為工業(yè)分離，集中在天然氣處理、化工生產(chǎn)、煉油以及制氫等行業(yè)，2個項目為電力行業(yè)的燃燒后捕集類型。此外，全球現(xiàn)有的開發(fā)階段的二氧化碳捕集項目37個，其中22個項目應(yīng)用于驅(qū)油，其余15個項目用于地質(zhì)封存。

按照封存地點進行分類，CCS分為陸上封存和海上封存。陸上方面，美國投入運營的 CCS項目達到38個，二氧化碳捕集量超過3 000×104t/a，歐盟運營13個CCS項目，其中英國7個，挪威4個，荷蘭1個，愛爾蘭1個。海上方面，收集油氣田生產(chǎn)過程中的伴生氣二氧化碳并存儲在海底的項目已在挪威、澳大利亞、馬來西亞等國家實施。中國海洋石油集團有限公司于2021年啟動國內(nèi)首個海上 CCS項目，為中國東南部珠江口盆地恩平15-1油田群的輔助設(shè)施之一，位于中國香港東南部約190 km處，每年將約30×104t二氧化碳注入海底［3］。

中國CCS在相關(guān)政策推動下取得長足進步，根據(jù)《中國二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）報告（2021）》顯示，中國已有13個涉及電廠和水泥廠的純捕集示范項目，捕集規(guī)模達到 85×104t/a，11個地質(zhì)利用與封存項目規(guī)模為182×104t/a，覆蓋了燃燒前捕集、富氧燃燒、燃燒后捕集等多種技術(shù)。中國海洋石油集團有限公司的麗水 36-1氣田開發(fā)項目利用天然氣處理裝置放空的二氧化碳，將其生產(chǎn)為食品級二氧化碳，每年減少溫室氣體排放25×104t［4］。

傳統(tǒng)執(zhí)行CCS項目大多是以點對點模式進行二氧化碳捕集、處理和存儲，適合大型封存點對應(yīng)單個大型排放源，但容易存在捕集量和存儲量達不到最優(yōu)狀態(tài)，造成項目投資非常高、運營成本昂貴，二氧化碳來源難以保障等問題，整個項目失敗幾率很高。因此，將煉油廠、石化廠、天然氣處理廠、發(fā)電廠、金屬冶煉廠等大量排放的二氧化碳進行集中捕集、處理和存儲的新模式開始得到研究，以樞紐和集群模式進行CCS的新模式得以產(chǎn)生。

2 CCS的樞紐和集群模式分析

2.1 樞紐和集群模式的建設(shè)

樞紐和集群模式概念是指，將工業(yè)園區(qū)（如石化廠、發(fā)電廠、煉鋼廠等）高排放量的二氧化碳經(jīng)終端處理后，通過船舶或管道運輸并注入封存到鹽水層或枯竭的石油和天然氣儲層、低滲油藏、地下礦井等方式存儲。這種模式能幫助碳捕集設(shè)施在運行中更好地匹配碳源/碳匯，同時也可以更為靈活地進行壓縮作業(yè)，和單個碳源的壓縮廠相比，樞紐對壓縮能力的要求較低。

實施樞紐和集群模式主要有4個流程。第一步集中捕集接收工業(yè)園區(qū)高排放量的二氧化碳；第二步通過4種方式將二氧化碳輸送到接收終端，分別為通過中長距離管道輸送高壓氣態(tài)二氧化碳，短距離管道輸送本地低壓氣態(tài)二氧化碳，公路和鐵路運輸液態(tài)二氧化碳，以及二氧化碳船舶運輸液態(tài)二氧化碳；第三步在接收終端對上述4種方式接收的二氧化碳進行凈化及液化處理，最終成為清潔的液態(tài)二氧化碳；第四步通過接收終端將處理后的二氧化碳通過管道或二氧化碳船運送到注入地點（見圖1）。

圖1 典型樞紐和集群模式示意圖

樞紐和集群模式CCS建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施包括建設(shè)駁船或岸上設(shè)立用于二氧化碳接收、儲存、轉(zhuǎn)運的處理終端（該終端需具備接收以管道、罐車等形式輸送的二氧化碳，凈化/液化二氧化碳，儲存二氧化碳，輸出二氧化碳等能力）、二氧化碳裝船運輸或海底運輸管道、封存場所等。

2.2 樞紐和集群模式的經(jīng)濟性

CCS同大多數(shù)行業(yè)一樣，同樣受益于規(guī)模經(jīng)濟。提高規(guī)模可以大幅降低二氧化碳的單位成本。對來自設(shè)施集群的二氧化碳在樞紐進行匯集、處理、運輸及封存，可以實現(xiàn)顯著的規(guī)模經(jīng)濟，尤其可以降低二氧化碳處理工廠單位能耗及輸送管道建設(shè)成本；擁有多家CCS服務(wù)客戶和供應(yīng)商的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也有助于降低風險。常規(guī)CCS設(shè)施可能僅涉及一個碳源、一條管道，存在成本較高，且存在相互依賴的風險，如果僅有的工業(yè)碳源關(guān)停，處理工程、管道運營及封存運營等各方將因為失去碳來源從而導致項目失敗。如，2011年瑞典Vattenfall AB公司放棄了德國勃蘭登堡州的斯普萊貝格碳捕獲試驗電廠，該項目價值 15×108歐元，但缺少盈利能力。美國電力公司 2011年也擱置了美國首個商業(yè)規(guī)模的碳捕獲計劃［5］。

樞紐和集群模式可以更好地整合資源，使資本成本最小化，然而其前期投資巨大。由于集群的大規(guī)模效應(yīng)，前期投資需要政府的支持才可能實現(xiàn)。同時集群模式一般需要行業(yè)內(nèi)的多家公司建立合作關(guān)系，共同開發(fā)，因此前期的商業(yè)模式需要清晰劃分。

雖然CCS樞紐和集群模式前期的困難較多，然而分析認為該模式能實現(xiàn)二氧化碳集中捕集，提升了捕集效率，并以規(guī)?；俾式档筒都杀荆`活多樣的運輸方式也便于針對不同二氧化碳捕集技術(shù)使用，集中進行凈化及液化也可降低成本，是降碳的主要發(fā)展方向。

3 樞紐和集群模式的應(yīng)用及前景

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

《全球碳捕集與封存現(xiàn)狀（2020）》報告顯示，CCUS（碳捕集、利用與封存）技術(shù)在美國、巴西、歐洲、中國等國家和地區(qū)已得到應(yīng)用，處于運行或研究階段的 CCUS/CCS樞紐和集群模式項目已達15個（見表 1）［2］。

表1 2019—2020年CCUS/CCS樞紐和集群模式項目統(tǒng)計

位于挪威北海的北極光項目是最先進的處于開發(fā)階段的CCS樞紐之一，也是CCS樞紐和集群模式項目中的典型項目。該CCS樞紐所匯集的二氧化碳主要來自垃圾發(fā)電廠和水泥廠，兩者所提供的二氧化碳總量為 80×104t/a，由挪威國家石油公司、殼牌集團公司和道達爾能源公司共同開發(fā)。北極光項目將在碳源廠對二氧化碳進行壓縮和液化，然后通過專用的二氧化碳運輸船將其運至封存點。該項目計劃于2024年進行調(diào)試投運。

另一個典型項目是Net Zero Teesside，項目位于英國東北部一個重要工業(yè)區(qū)。該地區(qū)二氧化碳的排放量占英國工業(yè)排放總量的6%。該項目預(yù)計在2030年之前投運。項目的核心作用是結(jié)合最先進的 CCS技術(shù)，將聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電站產(chǎn)生的二氧化碳，以及生物質(zhì)能、制氫和碳密集型產(chǎn)業(yè)等各種集群所產(chǎn)生的二氧化碳，通過共同管網(wǎng)輸送到北海進行永久地質(zhì)封存。2019年9月，Net Zero Teesside成為油氣行業(yè)氣候倡議組織（OGCI）全球 CCUS KickStarter支持的五個戰(zhàn)略樞紐之一。Kickstarter計劃向CCS技術(shù)釋放大規(guī)模投資，條件是每年捕集多達1 000×104t二氧化碳，這相當于英國300多萬戶家庭一年消耗化石能源的二氧化碳排放量。Net Zero Teesside集群希望利用CCS提供靈活的燃氣發(fā)電，配合降低系統(tǒng)總成本，2050年之前實現(xiàn)電力系統(tǒng)凈零排放，進而使英國消費者從中受益。同時CCS耦合碳密集型產(chǎn)業(yè)可以保住Tees Valley地區(qū)能源密集型制造業(yè) 35%～70%的工作崗位，可以同時在建設(shè)過程中，間接帶來 7.5×108英鎊的總增加值，每年間接創(chuàng)造13 500個工作崗位。目前英國正在加大對 CCS集群的贊助，計劃在 10年內(nèi)至少再建立兩個 CCS 集群［6］。

CCS樞紐和集群通過規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)大大降低了二氧化碳封存的單位成本，其產(chǎn)生的商業(yè)協(xié)同效應(yīng)也降低了投資風險，并創(chuàng)造新的工作崗位。美國大多數(shù)新增的商業(yè)設(shè)施都有機會使用 CarbonSAFE 二氧化碳封存樞紐，目前這一開發(fā)中的CCS樞紐得到了美國能源部的支持。英國的亨伯零碳集群目標成為英國第一個凈零產(chǎn)業(yè)集群［7］，英國新增2個商業(yè)CCS設(shè)施都與亨伯零碳集群有關(guān)。CCS樞紐和集群項目投資大部分來自政府提供的資金支持，以促進共享式運輸和封存網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來將可以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，以降低單位成本及利用多種排放源以減小資產(chǎn)擱淺風險。項目的初期運輸和封存基礎(chǔ)設(shè)施可歸政府所有，隨著越來越多的排放企業(yè)入網(wǎng)，相互依賴風險將隨之降低，商業(yè)化的程度也會越來越高。

3.2 應(yīng)用前景及應(yīng)用條件

CCS作為降低二氧化碳排放的重要技術(shù)，在全球?qū)暙I14%的二氧化碳減排量，Wood Mackenzie認為未來碳捕獲能力將從現(xiàn)在每年5 600×104t增加到2050年的40×108～80×108t；按照國際能源署2050年全球能源系統(tǒng)凈零排放情景，2030年全球二氧化碳捕獲量將達到 16.7×108t，2050年為76×108t［8］。

中國以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以改變，單純依賴節(jié)能減排、提高能效等傳統(tǒng)技術(shù)難以達到減排要求［9］。樞紐和集群模式CCS技術(shù)可實現(xiàn)投資、運營成本及運營風險降低，逐步實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)運營，促進產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術(shù)手段。隨著社會發(fā)展，碳排放交易價格逐步提升，CCS行業(yè)前景十分光明。然而現(xiàn)階段，中國實現(xiàn)CCS大規(guī)模商業(yè)化運營，還存在幾方面問題。

3.2.1 碳交易價格較低

根據(jù)IHS研究結(jié)果，現(xiàn)階段全球CCS平均成本接近60美元/t（其中捕集方面占比60%，運輸方面占比22%，存儲方面占比18%），遠高于碳排放交易價格。2022年，歐洲碳排放交易價格約84歐元/t二氧化碳，中國碳排放交易價格約55元/t。碳交易價格低于CCS成本，對CCS技術(shù)發(fā)展不能起到推動作用。

3.2.2 財政支持不足

以樞紐和集群模式開展CCS項目，盡管可以降低終端處理設(shè)施、管道等資本投資，但受CCS技術(shù)成熟度、規(guī)模效應(yīng)等因素影響，項目初始投資規(guī)模較大，運營成本高，規(guī)模經(jīng)濟效益凸顯不理想，需要政府積極提供財政支持。發(fā)達經(jīng)濟體通常對 CCS項目均給予從財政或稅收政策的支持，如，美國能源部2020年投入2.7×108美元支持CCS項目，尤其在頒布 45Q稅收抵免政策后［10］，二氧化碳地質(zhì)封存的補貼價格由25.70美元/t二氧化碳（2018年）增至50.00美元/t二氧化碳（2026年）；挪威政府2020年宣布提供 21×108歐元資金用于建設(shè)位于挪威 Brevik的 Norcem水泥廠和位于 Oslo Varme的Fortum垃圾發(fā)電廠的兩個CCS項目，通過“北極光”項目進行離岸運輸和封存；英國政府2020年宣布提供 10×108英鎊資助，用于2030年前在英國開發(fā) 4個碳捕集與封存中心和集群項目。

3.2.3 相關(guān)技術(shù)規(guī)范尚未成熟

CCS是一種集成的工業(yè)新興技術(shù)，從地質(zhì)封存處二氧化碳的適應(yīng)性、構(gòu)造穩(wěn)定性，海底存儲二氧化碳的壓力、泄漏研究及地質(zhì)變化的監(jiān)測，到二氧化碳終端處理能力、輸送能力、陸地及海上存儲能力等技術(shù)尚在成熟過程中，相關(guān)規(guī)范體系如二氧化碳運輸船等環(huán)節(jié)的規(guī)范及法規(guī)等尚未出臺［11］。

3.2.4 項目建設(shè)影響因素較多

CCS宜建立在以工業(yè)園區(qū)聚集的諸如電力、冶煉、煉化、水泥等二氧化碳排放量大的區(qū)域，然而項目從立項、審批到執(zhí)行過程中，將涉及不同行業(yè)、不同區(qū)域、不同部門，此方面的投資立項審批尚需有可操作細則［12］。

3.2.5 模塊化捕集設(shè)施未有效利用

工業(yè)園區(qū)存在一定數(shù)量二氧化碳排放量不大的工廠，可采用更多經(jīng)濟型的小規(guī)模碳捕集設(shè)施，實現(xiàn)小規(guī)模運行。在二氧化碳資源中斷后，該設(shè)施可移動到其他碳源點進行作業(yè)，達到批量制造、靈活應(yīng)用的目的，并能廣泛適用于垃圾焚燒廠、小型燃氣發(fā)電站。為推動CCS增長和擴張，模塊化捕集設(shè)施一旦與CCS樞紐結(jié)合，發(fā)揮功效更大，可以將多個排放源的二氧化碳捕集起來進行處理、運輸和封存，更加經(jīng)濟實惠。研究小型模塊化二氧化碳捕集設(shè)施建設(shè)，以及投入運營方面的技術(shù)及標準是擴大捕集樞紐處理規(guī)模必要措施。

4 CCS集群模式總結(jié)和發(fā)展建議

CCS集群和樞紐模式有著非常大的應(yīng)用前景，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有許多正在建設(shè)待投產(chǎn)的項目。中國在這方面機遇雖多但起步較晚。開展CCS全流程系統(tǒng)集成與示范工程所需資金投入大，對場地條件依存性強，技術(shù)密集度高，技術(shù)鏈條長且工藝組合方式多樣。因此，需要準確把握重點區(qū)域CCS潛力與源匯條件，因地制宜地部署區(qū)域。

基于中國地域特點和資源條件，可初步判斷鄂爾多斯盆地、準噶爾-吐哈盆地、松遼盆地、四川盆地、珠江口盆地、環(huán)渤海等具有形成特色CCS集群的有利條件。中國東南沿海以陸上咸水層和海上咸水層封存為主，西部的碳匯以注入油田提高采收率和陸上咸水層封存為主，全國應(yīng)在各區(qū)域盡可能匹配碳源和碳匯，按地域特點和資源條件分區(qū)域積極發(fā)展CCS集群。這些區(qū)域有條件發(fā)展成基礎(chǔ)設(shè)施共享、項目系統(tǒng)性強、技術(shù)代際關(guān)聯(lián)度高、能量資源交互利用、工業(yè)示范與商業(yè)應(yīng)用銜接緊密的樞紐，未來將形成具有中國特色的CCS集群樞紐。針對中國CCS集群和樞紐有以下幾點建議：

一是，加快樞紐和集群模式CCS跨行業(yè)、跨區(qū)域合作方式研究，建立CCS基礎(chǔ)設(shè)施合作共享機制，探索在不同碳排放領(lǐng)域及行業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈示范工程，尤其是需要完善投資審批流程的規(guī)范建設(shè)。

二是，開展全流程技術(shù)合作研究，建立核算容量、地質(zhì)邊界、注氣量設(shè)計標準，提高注入量、注入壓力、資產(chǎn)完整性與安全管理、優(yōu)化方案等綜合研究能力。

三是，爭取財政補貼，支持樞紐和集群模式CCS示范項目建設(shè)。在早期示范和推廣階段由政府提供如風能、太陽能、電動車等方式的財政支持，逐步過渡到單憑碳排放交易或碳稅實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運營。

四是，推進CCS規(guī)范體系建設(shè)。加快二氧化碳處理終端、輸送管線、船舶、二氧化碳碼頭或水上儲罐、二氧化碳船舶輸送及注入等方面規(guī)范研究，從CCS產(chǎn)業(yè)鏈范疇推進規(guī)范體系建設(shè)。