中國網/中國發展門戶網訊 碳捕集、應用與封存（CCUS）是指將CO2從工業過程、動力應用或年夜氣平分離出來，并輸送到適宜的場地加以封存和應用，最終家教實現CO2減排的技術手腕，觸及CO2捕集、運輸、應用和封存等多個環節。聯合國當局間氣候變化專門委員會（IPCC）的第六次評估報告（AR6）指出，要實現巴黎協定溫控目標，需求應用CCUS技術實現累計千億噸的碳減排量。在碳中和目標下，CCUS是化石動力低碳應用、工業流程低碳再造瑜伽教室的一項關鍵技術支撐，其延長的直接空氣捕集（DAC）、生物質能碳捕集與封存（BECCS）技術則是實現年夜氣中殘余CO2往除的主要技術選擇。
american、歐盟、英國教學、japan(日本)等國家和地區已將CCUS瑜伽場地作為實現碳中和目標必不成少的一項減排技術，將其上升到國家戰略高度，并發布了一系列戰略規劃、路線圖和研發計劃。相關研討表白，在碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標下，到2025年中國重要行業對應用CCUS技術實現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年將超過20億噸/年，到2060年約為23.5億噸/年。是以，發展CCUS將對我國實現“雙碳”目標具有主要的戰略意義。本文將周全剖析國際CCUS領域的嚴重戰略家教瑜伽教室安排及技術發展態勢，以期為我國CCUS發展和技術研發供給參考。
重要國家和地區CCUS發展戰略
american、歐盟、英國、japan(日本)等國家和地區長期投進資金支撐CCUS技術研發和示范項目建設，近年來更是積極推進CCUS商業化進程，并根據本身資源稟賦和經濟基礎，構成了各有側重的戰略取向。
american持續資助CCUS研發和示范，不斷推進CCUS技術多元化發展
自1997年以來，american動力部（DOE）持續資助CCUS的研發和示范。2007年，american動力部制訂了CCUS研發與示范計劃，包含CO2捕集、運輸與封存、轉化應用三年夜領域。2021年，american動力部將此中的CO2捕集計劃修正為點源碳捕集（P教學SC）計劃，并增添CO2往除（CDR舞蹈教室）計劃，CDR計劃旨在推動DAC、BECCS等碳往除技術發展，同時安排“負碳攻關計劃”以推進碳往除領域關鍵技術創新，目標是到2050年，實現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，americanCCUS研發重點進一個步驟延長到DAC、BECCS等碳往除技術，CCUS技術體系加倍多元化。2022年5月，american動力部宣家教布啟動35億美元的“區域直接空氣捕集中間”計劃，交流將支撐4個年夜型區域直接空氣捕集中間建設，旨在加快商業化進程。
2021年，american更換新的資料了CCUS研討計劃資助標的目的，新的研討領域和重點攻關標的目的包含：點源碳捕集技術的研討重點包含開發先進碳捕集溶劑（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，低本錢耐用的膜分離技術（聚合物膜、混雜基質膜、亞環境溫度膜等），混雜系統（吸附-膜系統等），以及低溫分離等其他創新技術；CO2轉化應用技術的研討重點是開發將CO2轉化制燃料、化學品、農產品、動物飼料和建筑資料等增值產品的新設備和工藝； CO2運輸與封存技術的研討重點是開發先進平安靠得住的CO2運輸和封存技術；DAC技術的研討重點是開發能夠進步CO2往除量并進步能效的工藝和捕集資料，包含先進溶劑、低本錢耐用膜分離技術和電化學方式等；BECCS的研討重點是開發微藻的年夜規模培養、運輸和加工技術，并減少對水和地盤的需求，以及CO2往除量的監測與核對等。
歐盟及其成員國將CCUS上升到國家戰略高度，多個年夜型基金資助CCUS研發與示范
2024年2月6日，歐盟委員會通過了《工業碳治理戰略》，旨在擴年夜CCUS安排規模，并實現商業化，并提出三年夜發展階段：到2030年，每年至多封存5000萬噸的CO2，以及建設由管道、船舶、鐵路和公路組成的相關運輸基礎設施；到2040年，年夜多數地區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，工業碳治理應成為歐盟經濟體系的一個組成部門。
法國于2024年7月4日發布《法國CCUS安排現狀和遠景》，提出了3個發展階段：2025—2030年，安排2—4個CCUS中間，實現每年400萬—800萬噸CO2的捕集量；2030—2040年，每年實現1 200萬— 2 000萬噸CO2捕集量；2040—2050年，每年實現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氣候行動部（BMWK）發布《碳治理戰略要點》和基于該戰略的修訂版《碳封存法案草案》，提出將努力于打消CCUS技術障礙，推動CCUS技術發展，并加快基礎設施建設。“地平線歐洲”“創新基金”“連接歐洲設施”等計劃為促進CCUS發展供給了資金支撐，資助重點包含：先進碳捕集技術（固體吸附劑、陶瓷和聚合物分離膜、鈣循環、化學鏈燃燒等），CO2轉化制燃料和化學品、水泥等工業示范，CO2封存場地開發等。
英國以CCUS集群建設方法發展CCUS技術
英國將建設CCUS產業集群作為推動CCUS疾速發展和安排的主要手腕。英國《凈零戰略》提出，到2030年將投資1舞蹈教室0億英鎊與工業界一起配合建設4個CCUS產業集群。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全球領導者，并提出CCUS三年夜發展階段：2030年前積極創建CCUS市場，到2030年每年捕集2 000萬—3 000萬噸CO2當量； 2030—2035年，積極樹立商業競爭市場，實現市場轉型；2035—2050年，構建自給自足的CCUS市場。
為加速CCUS商業安排，英國《瑜伽教室凈零研討與創新框架》制訂了CCUS和溫室氣體往除技術研發重點和創新需求：推進高效低本錢的點源碳捕集技術研發，包含燃燒前捕集的先進重整技術、新型溶劑和吸附工藝的燃燒后捕集、低本錢富氧燃燒技術，以及鈣循環等其他先進低本錢碳捕集技術；進步效力并減少動力需求的DAC技術；高效且具有經濟性的生物質氣化技術研發與示范、生物質供應鏈優化，以及通過BECCS與燃燒、氣化、厭氧消化等其他技術的耦合以促進BECCS在發電、供熱、可持續運輸燃料或氫氣生產領域的應用，同時充足評估這些方式對環境的影響；高效低本錢CO2運輸和封存的共享基礎設施的建設；開展地質封存的建模、模擬、評估和監測技術與方式，開發乾涸油氣儲層封存技術和方式，使海上CO2封存成為能夠；開發CO2轉化制長壽命產品、分解燃料和化學品的CO2應用技術。
japan(日本)努力于打造具有競爭力的碳循環產業
japan(日本)《2050年實現碳中和的綠色增長戰略》將碳循環產業列為實現碳中和目標的十四年夜產業之一，提出CO2轉化制燃料和化學品、CO2礦化養護混凝土、高效低本錢分離與捕集技術，以及DAC技術是未來的重點任務，并提出了明確發展目標：到2030年，低壓CO2捕集的本錢為瑜伽場地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1對1教學的CO2轉化制生物燃料本錢為100日元/升；到2050年，直接空氣捕集家教的本錢為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循環技術發展并發揮實現碳中和的關鍵戰略感化，japan(日本)于2021年修訂了《碳循環應用技術路線圖》，并陸續發布了“綠色創新基金”框架下的CO2轉化應用制塑料、燃料、混凝土，以及CO2生物制造、CO2分離收受接管等5個專項研發與社會實施計劃。這些專項研發計劃的重點包含：用于CO2捕集的低能耗創新資料和技術開發與示范；CO2轉化制運輸用分解燃料、可持續航空燃料、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生物轉化應用技術；創新碳負性混凝土資料等。
碳捕集、應用與封存技術領域發展態勢
全球CCUS技術研發格式
基于Web of Science焦點合集數據庫，本文檢索了CCUS技術領域SCI論文，共計120 476篇。從發文趨勢來看（圖1），自2008年起，CCUS領域發文數量呈現疾速增長趨勢。2023年的發文量為13 089篇，是2008年發文量（1 671篇）的7.8倍。隨著重要國家對CCUS技術的重視水平不斷增添和持續資助，預計未來CCUS發文量將會持續增長。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輸送領域論文占比較小（2%）。
從論文產出國家分布來看，全球發文量排名前10位（TOP10）的國家分別是中國、american、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，遙遙領先于其他國家，位居全球首位。但從論文影響力來看（圖3），在發文量前10位的國家中，在高被引論文百分比、學科規范化的引文影響力兩個指標上均高于前10位國家均勻程度的國家有american、澳年夜利亞、加拿年夜、德國和英國（圖3第一象限），此中american、澳年夜利亞在這兩個指標上分別處于全球領先位置，表白這兩個國家在CCUS領域具有較強研發實力。我國雖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位國家均勻程度，研發競爭力有待進一個步驟進步。
CCUS技術研討熱點與主要進展
基于近10年CCUS技術主題圖譜（圖4），共構成了九年夜關鍵詞聚類，分別分布在：碳捕集技術領域，包含CO2接收相關技術（聚類1）、CO2吸附相關技術（聚類2）、CO2膜分離技術（聚類3），以及化學鏈燃料（聚類4）；化學與生物應用技術領域，包含CO2加氫反應（聚類5）、CO2電/光催化還原（聚類6）、與環氧化合物的環加成反應技術（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術領域的研發熱點和進展，以期提醒CCUS領域技術布局和發展趨勢。
CO2捕集
CO2捕集是CCUS技術中的主要環節，也是整個CCUS產業鏈的最年夜本錢和能耗來源，約占CCUS整體本錢的近75%，是以若何下降CO2捕集本錢和能耗是今朝面臨的重要科學問題。今朝，CO2捕集技術正從基于單一胺的化學接收技術、燃燒前物理接收技術等第一代碳捕集技術，向新型接收溶劑、吸附技術、膜分離、化學鏈燃燒、電化學等新一代碳捕集技術過渡。
新型吸附劑、接收溶劑及膜分離等第二代碳捕集技術是今朝研討的重點。吸附劑的研討熱點是開發先進結構化吸附劑，如金屬有機框架、共價有機框架、摻雜多孔碳、三嗪基骨架資料、納米多孔碳等。接收溶劑的研討熱點是研制高效綠色、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。新型顛覆性的膜分離技術的研討重點是開發高滲透率的膜資料，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。american動力部指出，從工業源中捕集CO2本錢需求降至30美元/噸擺佈，CCUS才具有商業可行性。japan(日本)昭和電工株式會社、japan(日本)鋼鐵株式會社和japan(日本)6所國立年夜學聯合開展了與現有多孔資料（沸石、活性炭等）完整分歧的“結構靈活的多孔性配位高分子”（PCP*3）研討，以13.45美元/噸的衝破性低本小樹屋錢從常壓、低濃度廢氣（CO2濃度低于10%）中高效分離收受接管CO2，預計在2030年末前實現應用。american東南承平洋國家實驗室開發了新型碳捕集劑CO2BOL，與商業技術比擬，該溶劑可將捕集本錢下降19%（每噸低至38美家教元），能耗下降17%，捕集率高達97%。
化學鏈燃燒、電化學等第三代碳捕集創新技術開始嶄露頭角。此中化學鏈燃燒技術被認為是最具應用遠景的碳捕集技術之一，具有高動力轉化效力、低CO2捕集本錢和淨化物協同把持等優點。但化學鏈燃燒溫度高，載氧體高溫燒結嚴重，成為了限制化學鏈技術發展和應用的瓶頸。今朝，化學鏈燃燒的研討熱點包含金屬氧化物（鎳基、銅基、鐵基）載氧體、鈣基載氧體等。High等開發了一種新的高機能載氧體資料分解方式，其通過調控銅鎂鋁水滑石前驅體的資料化學和分解工藝，實現納米級疏散的混雜銅氧化物資料，克制循環過程中鋁酸銅的構成，制備了耐燒結的銅基氧化還原載氧體。研討結果表白，在900℃、500次氧化還原循環中具有穩定的氧氣儲存才能，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、高穩定性載氧體資料的設計供給了新思緒，無望解決載氧體高溫燒結的關鍵瓶頸問題。
CO2捕集技術已在多個高排放行業獲得應用，但分歧行業技術成熟度有所分歧。燃煤電廠、自然氣電廠、煤氣化電廠等動1對1教學力系統耦合CCUS技術成熟度較高，均達到技術成熟度等級（TRL）9級，特別是基于化學溶劑法的碳捕集技術，今朝已廣泛應用于電力部門的自然氣脫硫和燃燒后捕集過程。根據IPCC第六次評估（AR6）第3任務組報告，鋼鐵、水泥等行業耦合CCUS技術成熟度因工藝分歧有所差異。例如 ，還要掙錢來掙媽媽的醫藥費和生活費。因為在城裡租不起房子，只能帶著媽媽住在城外的山腰上。每天進出城，能治好媽，分解氣、直接還原鐵、電爐耦合CCUS技術的成熟度最高（TRL 9級），今朝已可用；而水泥過程加熱和CaCO3煅燒耦合CCUS的生產技術成熟度為TRL 5—7級，預計在2025年可用。是以，今朝傳統重工業應用CCUS尚存在挑戰。
一些國際年夜型重工業企業如安賽樂米塔爾、海德堡等鋼鐵、水泥企業已開展CCUS相關技術示范工交流程。2022年10月，安賽樂米塔爾、三菱重工、必和必拓和三菱開發公司配合簽署了一項一起配合協教學場地議，計劃分別在位于比利時根特鋼鐵廠和北美的鋼鐵廠開展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安裝三菱重工株式會社的CO2MPACTTM系統，該設施無望成為全球水泥行業首個周全的CCUS解決計劃，預計將于2026年末投進運營。
CO2地質應用與封存
CO2地質應用與封存技術不僅能實現CO2年夜規模減排，并且能夠進步石油、自然氣等資源開采量。CO2地質應用與封存技術今朝研討熱點包含CO2強化石油開采、強化氣體開采（頁巖氣、自然氣、煤層氣等）、CO2采熱技術、CO2注進與封存技術及監測等。CO2地質封存的平安性及其泄漏風險是公眾對CCUS項目最年夜的擔憂，是以長期靠得住的監測手腕、CO2-水-巖石彼此感化是CO2地質封存技術研討的重點。Sheng Cao等通過靜態和動態相結合的方式研討了CO2驅替過程中水巖彼此感化對巖心孔隙度和滲透率的影響。結果表白，將CO2注進巖心會導致CO2在地層水中消融時與巖石礦物發生反應。這些反應導致新礦物的構成和碎屑顆粒的阻礙，從而下降巖心滲透率，且通過碳酸腐蝕產生的精細裂縫會增添巖心滲透率。CO。2–水–巖石反應受PV值、壓力和溫度的顯著影響。CO2強化采油已在american、加拿年夜等發達國家實現廣泛商業化應用。驅替煤層氣開采、強化深部咸水開采與封存、強化自然氣開發等處于工業示范或試點階段“怎麼樣？”裴母一臉莫名其妙，不明白兒子的問題。。
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術將CO2轉化制化學品、燃料、食物等其他產品，其不僅能夠直接耗費交流CO2，還能夠實現對傳統高碳原料的替換，下降石油、煤炭的耗費，兼具直接減排和間接減排效應，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CO交流2應用效力和還原選擇性把持上仍具有挑戰性，是以今朝研討重點集中在若何進步產物的轉化效力和選擇性上。CO2電催化、光催化、生物轉化應用，以及上述技術的耦合是CO2轉化應用的關鍵技術途徑，今朝研討熱點包含基于熱化學、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，并通過對分歧反應體系中反應器的公道設計和結構優化，增強反應傳質過程和減少個人空間能量損掉，從而進步CO2催化轉化效力和選擇性。Jin等開發CO2經CO兩步轉化為乙酸的工藝，研討人員應用Cu/Ag-DA催化劑，在高壓強反應條件下，將CO高效還原為乙酸。與之前文獻報道比擬，相對于從CO2電還原反應中觀察到的一切其他產物，乙酸的選擇性增添一個數量級，實現了91%的CO到乙酸法拉第效力，并在連續任務820小時后，法拉第效力仍能堅持85%，在選擇性、穩定性上實現了新衝破。Khoshooei等研制出可將CO2轉化為CO的廉價催化劑——納米晶立方碳化鉬（α-Mo2C），該催化劑可在600℃下將CO2100%轉變為CO，且其在高溫和高通量反應條件下堅持活性超過500小時。
當前，CO2化學與生物應用年夜部門處于工業示范階段，也有一些生物應用處于實驗室階段。此中CO2化學轉化制尿素、分解氣、甲醇、碳酸酯、可降解聚合物、聚氨酯等技術已處于工業示范階段，如冰島碳循環（Carbon Recycling）公司已于2022年實現CO2轉化制甲醇11萬噸工業示范。而CO2化學轉化制液體燃料、烯烴則處于中試示范階段，如中國科學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月聯合開發了世界首創的千噸級CO2加氫制汽舞蹈場地油中試裝置。CO2生物轉化應用已從生物乙醇簡單化學品發展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術、微生物固定CO2分解蘋果酸處1對1教學于工業示范階段，而其他生物應用則多處于實驗階段。鋼渣和磷石膏的CO2礦化技術已接近商業化應用，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技術
DAC、BECCS等新型碳往除（CDR）技術日益遭到關注，將在實現碳中和目標后期發揮主要感化。IPCC第六次評估第3任務組報告指出，21世紀中葉后必須高度重視DAC、BECCS等新型碳往除技術，未來10年這些技術的晚期發展將對其以后的規模化發展速率和程度至關主要。
DAC今朝研討重點包含金屬有機框架資料、固態胺、沸石等固態技術，以及堿性氫氧化物溶液、胺溶液等液態技術，新興技術包含變電吸擁護膜法DAC技術。DAC技術面臨的最年夜挑戰是能耗較高。Seo等在水溶液中應用中性紅作為氧化還原活性資料和煙酰胺作為親水增溶劑，實現低能私密空間耗的電化學直接空氣捕集，將傳統技術工藝需求熱量從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術成熟度不高，約為TRL6。雖然技術成熟不高，但DAC規模不斷擴年夜，今朝全球已有18個DAC設施正在運行，還有11個處于開發中的設施。若一切這些計劃中的項目都得以實施，到2030年，DAC的捕集才能將達到約550萬噸CO2，是今朝捕集才能的700多倍。
BECCS研討重點重啊？誰哭了？她？要包含基于生物質燃燒發電的BECCS技術、基于生物質高效轉化應用（如乙醇、分解氣、生物油等）的BECCS技術等。BECCS年夜規模安排的重要限制原因是地盤和生物資源等，一些BECCS路線已商業化，如第一代生物乙醇生產中的CO2捕集是最成熟的BECCS路線，但年夜部門仍處于示范或試點階段，如生物質燃燒廠的CO2捕集處于商業示范階段，用于分解氣應用的生物質年夜規模氣化仍處于試驗驗證階段。
結語與未來瞻望
近年來CCUS發展遭到了史無前例的重視。從重要國家和地區CCUS發展戰略看，推動CCUS發展以助力碳中和目標實現已在全球重要國家達成廣泛共識，極年夜推動了CCUS科技進步和商業安排。截至2023年第2季度，全球處于規劃、建設和運行中的商業CCS項目數量再創新高，達到了257個，比上年同期增添63個，若這些項目所有的建成運行后捕集才能將到達每年3.08億噸CO2，比2022年同期的2.42億噸增長27.3%，但這與國際動力機構（IEA）2050年全球動力系統凈零排放情形下，2030年全球CO2捕集量達到16.7億噸/年和2050年達到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商業化進程。這不僅需求加快領域的科技衝破，還需求各國不斷完美監管、財稅等方面的政策辦法，以及樹立國際通用的新興CCUS技術的核算方式學。
未來在科技研發方面可考慮分步走的戰略。近期可聚焦第二代低本錢、低能耗CO2捕集技術研發與示范，實現CO2捕集在碳密集型行業的規模化應用；發展平安靠得住的地質應用封存技術，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教學耗CO2捕集技術研發與示范；開發CO2高效定向轉化分解化學品、燃料、食物等規模化應用新工藝；積極安排直接空氣捕集等碳往除技術研發與示范。
CO2捕集領域。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，以及高滲透性和選擇性的新型膜分離技術等。此外，增壓富氧燃燒、化學鏈燃燒、鈣循環、酶法碳捕集、混雜捕集系統、電化學碳捕集等其他創新技術也是未來值得關注的研討標的目的。
CO2地質應用與封存領域。開展和強化對CO2封存地球化學-地質力學過程的預測性懂得、創建CO2長期平安封存預測模子、CO2—水—巖彼此感化、結合人工智能和機器學習的碳封存智能監測系統（IMS）等技術研討。
CO2化學與生物應用領域。通過CO2高效活化機理研討，開展高轉化率和高選擇性的CO2轉化應用新型催化劑、溫和條件下活化轉化途徑、多路徑耦合的分解轉化新途徑等技術研討。
（作者：秦阿寧，中國科學院文獻情報中間；孫玉玲，中國科學院文獻情報中間中國科學院年夜學。《中國科學院院刊》供稿）