文｜梁希，广东南方碳捕集与封存产业中心秘书长、中国环境科学学会CCUS专委会副主任
夏菖佑 余晓洁 刘牧心，广东南方碳捕集与封存产业中心
我国承诺力争2030年前二氧化碳达到峰值、2060年前实现碳中和，意味着中国将完成碳排放强度全球最大降幅，用历史上最短的时间从碳排放峰值实现碳中和。
在“双碳”目标背景下，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）的重要性愈发凸显；CCUS技术能够从发电和工业过程相关的排放源中分离CO₂，或直接从大气中捕集CO₂，并将其转化为有用产品或永久性封存，是应对气候变化的关键核心技术。此外，CCUS是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，对于碳中和背景下我国增强工业和制造业竞争力，同时实现温室气体减排具有重要意义。
近年来，我国围绕二氧化碳捕集、运输、利用和封存等各个CCUS技术环节开展了大量基础研究、科技创新和技术示范；建成或正在建设的CCUS示范项目超过100个；已经具备了大规模捕集、利用和封存CO₂的工程能力。此外，广东、宁夏等地正在积极开展CCUS产业发展规划研究，许多企业在同步开展CCUS技术研发和工程示范，CCUS正在加速发展。
然而，目前CCUS技术面临着成本高、商业模式不明确、政策支持不足等挑战，需要通过多种途径降低成本、探索商业模式、加强政策支持，推动其实现商业化应用。
碳中和目标下CCUS的重要意义
政府间气候变化委员会（IPCC）的第六次评估报告（AR6）估计，在2020年后 50%的可能性将全球温升控制在2℃和1.5℃的剩余碳预算分别为11 500亿吨和5000亿吨[1]。仅2010—2019年10年累计的CO₂排放量就达到2℃目标剩余碳预算的三分之一（1.5℃目标的五分之四），减排形势十分严峻。
在实现全球温度控制目标路径中，提升能源效率、利用可再生能源是核心举措。然而，在短期内大规模减少化石能源使用并实现能源转型不切实际，CCUS技术可以促进化石能源的大规模低碳化利用，保障全球能源安全转型。在不同的目标情景下，预计到2050年，全球CCUS贡献的减排量需要达到27.9亿吨CO₂ /年至76亿吨CO₂ /年[2]，CCUS已成为实现温升控制目标的必备技术。
2021年，中国的温室气体排放量为111亿吨CO₂，占全球总量的28.2%[3]，成为世界上最大的碳排放国。实现碳达峰、碳中和，是我国面临的重大发展挑战和机遇。在发电行业，在现有燃煤和燃气电厂中应用CCUS技术，既能够发挥我国煤炭储量丰富的资源禀赋，保障能源系统安全，又有助于大幅削减火力发电领域的碳排放，是更为稳妥的能源转型路径。
在钢铁水泥等难减行业，CCUS是为数不多的可行脱碳技术方案。在化工行业，CCUS技术将成为未来低碳、零碳原料获取的主要技术手段。从空气中去除碳的生物质能碳捕集与封存（BECCS）和直接空气碳捕集与封存（DACCS）等负碳技术更是实现碳中和目标的托底技术保障[4]。开展CCUS不仅有利于中国应对气候变化，还有利于中国乃至全球的工业体系转型升级，对提升中国未来制造业的整体竞争力影响深远。
CCUS技术商业化应用面临的挑战
CCUS的商业化是指将CCUS技术广泛应用于工业、能源等领域，建立一套可持续发展的商业模式，实现经济效益和环境保护的双重目标。这包括对CCUS技术进行成本降低、效率提高、工艺优化等方面的研究和开发，以及探索CCUS产业链的发展和市场化。然而，目前CCUS技术商业化应用仍面临技术成本过高、商业模式尚未完善和缺乏政策支持等诸多挑战。
1. CCUS高成本、弱盈利，制约了其规模化发展
CCUS的成本受多种因素影响，包括资本成本、能源和材料价格、工厂位置、碳定价等政策经济因素，以及CO₂气源浓度、气体杂质等技术因素。就CCUS全流程而言，捕集是CCUS成本最高的环节，一般占项目总成本的60%-80%[4]。捕集成本通常与CO₂气源浓度相关，CO₂浓度越高，捕集成本越低。
图 1 不同行业和技术路径下的 CO₂ 捕集成本
综合全球不同研究机构对于项目CCUS成本的评估结果[1、5-9]（图1），从天然气处理和煤化工行业高浓度排放源捕集CO₂的成本较低，约为10~25美元/吨。在石化行业，CO₂捕集成本为10~91美元/吨，不同生产过程的CO₂捕集成本差异较大。例如，环氧乙烷生产过程中CO₂的捕集成本为10~35美元/吨，而蒸汽裂解生产乙烯过程中的CO₂捕集成本为50~91美元/吨。钢铁、水泥、发电行业产生的烟气及尾气中CO₂浓度相对较低，CO₂捕集成本较高，分别为40~124美元/吨、43~120美元/吨、50~117美元/吨。
此外，不同技术路径的捕集成本差异明显，以发电行业为例，燃气机组的捕集成本为68~117美元/吨，而超临界煤电中的CO₂捕集成本则相对较低，为51~68美元/吨。作为负排放技术，BECCS和DACCS成本的不确定性更高。BECCS捕集成本为10~82美元/吨，其中生物乙醇生产过程产生的高浓度CO₂捕集是最成熟的BECCS技术路线，成本较低（10~35美元/吨）；而生物质燃烧电厂的CO₂捕集目前处于示范阶段，成本较高（60~82美元/吨）。
由于空气中CO₂浓度低，目前从空气中直接捕集CO₂的成本极高（134~342美元/吨）。在运输和封存环节，CCUS技术的成本相对较低。在美国，陆上管道运输的成本在2~14美元/吨，陆上封存的成本低于10美元/吨。
在我国，根据2022年最新的成本数据[10]，水泥是我国碳捕集成本最高的行业，达到430~650元/吨。燃煤发电和钢铁行业的CO₂捕集成本分别为300~450元/吨和348~560元/吨。煤化工行业中高浓度的CO₂捕集成本可达到低于100元/吨。在运输和封存环节，我国CCUS基础设施建设相对滞后，缺少大规模运输管网，目前公路罐车运输的成本为0.9~1.4元/(吨·km)，管道运输成本约0.8元/(吨·km)，终端的陆上CO₂封存成本为50~60元/吨[2]。
目前，CCUS项目主要通过地质驱油（CO₂-EOR）和销售工业级、食品级CO₂来获得收入，但大多数项目并不盈利。未来捕集的CO₂可能需要封存超过90%才能实现减排目标，这将导致获取经济收益变得更加困难。如果没有政府补贴或碳市场交易来抵消项目成本，CCUS项目将难以长期运营。截至2023年3月，中国国家碳市场的碳价格为56~58元/吨，这与抵消CCUS项目成本的差距仍然较大。
CCUS项目需要大量资金投入，投资额动辄数千万元至数亿元的规模。在巨大的投资和成本压力下，企业往往不敢大胆投入CCUS研发和示范。若无法实现经济收益，将严重影响企业开展CCUS示范项目的积极性，制约CCUS产业化和规模化发展。
2. 国内CCUS的商业模式尚未完善，阻碍了其产业化发展
CCUS的商业模式指的是把CCUS开发、建设和运营等内外要素整合起来，形成一个完整、高效且具有独特竞争力的运行模式，从而为CCUS投资者创造价值[11]。目前，CCUS项目的商业模式可主要分为四类（图2）。最为常见的商业模式为垂直一体化模式，即由单一企业（通常为大型油气公司）投资捕集、运输和封存服务，这种模式能降低各方合作不畅的风险，但在一定程度上限制了企业间、行业间的协作。
图2 CCUS项目的商业模式类型
随着全球CCUS进入规模化、集群化发展阶段，CCUS价值链不断丰富，除石油和天然气公司外，CCUS各个环节的不同技术参与方和投资方在全球范围内涌现。例如，天然气开发商逐渐参与建设CO₂运输管道并将其作为投资组合的一部分；液化天然气运输公司和航运公司向CO₂运输领域扩张；化工企业利用其技术开发碳捕集专利技术，减少自身排放的同时提供技术服务；工程公司开发模块化碳捕集解决方案，服务于现有设施的CCUS改造[12]。
此外，专门从事供应链细分领域的新公司也在不断涌现，如提供捕集服务的Carbon Clean、Svante、ION Clean Energy、Entropy等公司，开发CO₂运输和封存基础设施的Storegga、Summit Carbon Solutions、Horisont Energi等公司。这种日益专业化的企业格局可以促进CCUS技术创新，降低中间环节成本，同时支撑CCUS的商业模式向合伙模式、运营商模式、第三方运输模式的转变，推动CCUS实现产业化。
然而，目前国内CCUS各环节的专业企业数量较少，且全产业链CCUS项目商业模式单一。超过50%的CCUS全流程项目为中国石油、中国石化、中海油、延长石油等大型石油企业自行投资建设的垂直一体化模式。只有少数项目采用其他商业模式（详见表1）。
表1 国内 CCUS 商业模式代表性项目
例如，在宁夏宁东基地煤化工百万吨级CCUS示范项目中，国能宁夏煤业公司将捕集的CO₂交给中国石油长庆油田进行封存，上下游企业在CO₂价格、碳指标归属等方面达成一致意见。新疆敦华石油在中国石油所属的甲醇厂投资建设捕集设施，将捕集到的液态CO₂运输到新疆油田用于驱油，并提供驱油技术服务。大同市人民政府与江苏纳米技术公司合资成立了大同清洁碳经济产业研究院，并在云冈热电有限责任公司投资建设了CO₂捕集和转化设施，捕集的CO₂被用来生产碳纳米管。云冈热电有限责任公司仅提供项目所需的场地和相关服务（如电力、蒸汽和烟气），并向合资公司收取服务费。总体而言，国内CCUS产业链在商业模式方面与国外仍存在较大差距，CCUS的产业化发展缓慢。
3. CCUS缺乏政策支撑，增加了其技术发展的风险
目前，全球部分发达国家已经出台了CCUS的专项支持政策，以促进CCUS项目的推进（表2）。
表2 全球部分国家CCUS支持政策
以美国为例，自2008年起，美国引入《美国国内税收法》第45Q条，为CO₂封存提供税收抵免。2022年，美国颁布《通胀削减法案》，进一步加强45Q条税收抵免，为DAC项目提供高额补贴，并延长了项目申请期限，降低了项目准入门槛，加速了CCUS的部署（表3）。
表3 美国《通胀削减法案》前后 45Q 条税收抵免政策对比
自2006年以来，国务院、国家发展和改革委员会、科学技术部、生态环境部等先后参与制定并发布了30多项与CCUS有关的国家政策、发展规划和行动方案。中国人民银行于2021年推出碳减排支持工具，该结构性货币政策工具可以助力CCUS项目投融资。这些政策为CCUS技术的开发、示范、应用和推广提供了支持。
尽管国家出台了大量与CCUS相关的鼓励政策，但CCUS的潜在商业能力仍不足。现有的政策缺乏具有约束力的法律和法规，并缺乏实质性的激励政策，如税收减免、优惠贷款、关税补贴政策和配额政策。与可再生能源、电动汽车和核能部门相比，政府对CCUS的实质性政策支持较少。缺乏法律法规和激励政策的企业面临多重风险，直接阻碍了企业参与CCUS项目的积极性。在这样的环境下，CCUS技术缺乏长期持续的创新土壤，增加了其产业化的难度。
CCUS技术商业化应用的路径建议
1. 降低技术成本
CCUS技术成本高是其商业化应用的主要障碍。降低CCUS技术成本，需要从两个方面着力。
2. 探索商业模式
CCUS要在市场竞争中实现盈利，需要积极探索高效、合理的商业模式，具体措施包括：
3. 加强政策支持
CCUS实现商业化需要国家政策的大力支撑，具体建议包括：
4. 大力推动科技创新
新技术是实现多路径、高效率、低成本CCUS减碳的重要支撑。在推动CCUS技术创新方面，政府、企业和科研机构均发挥着举足轻重的作用。为加强CCUS科技创新，政府可以考虑设立专项资金，用于支持CCUS技术的研发和应用，同时加强国际合作，促进知识共享。
企业可以加大在CCUS领域的资源和资金投入；加强与政府合作，利用政府政策支持，开展CCUS技术研发；组建产业联盟，加强与同行业、上下游企业的合作，整合各方资源，共同推进CCUS技术的创新和应用。
科研机构可以鼓励开展多学科交叉研究，整合不同领域的专家和技术，探索CCUS技术在不同领域的应用；加强与企业的合作，将科研成果转化为实际应用；加大在CCUS方面的科研投入，增强CCUS技术的基础研究和应用能力。
CCUS技术创新需要大量资金支持，XPRIZE碳移除技术大赛、腾讯碳寻计划是支持CCUS技术创新的范例。XPRIZE碳移除技术大赛由特斯拉首席执行官埃隆·马斯克赞助，最终获奖的CCUS技术要求开展每年至少1000吨减排量的工程示范，模拟分析百万吨级项目的减排成本，并提出可实现十亿吨级减排量的路径。
腾讯碳寻计划旨在寻找下一代突破性低碳技术，首期聚焦CCUS，将通过试点支持、初创孵化、能力建设三大创新通道，支持5~10个CCUS技术试点、5~10家CCUS初创企业，孵化数个CCUS支持工具和平台，支持资金总量达到数亿元。CCUS技术从实验室研发到技术示范，再到应用于百万吨级项目，其发展过程面临着成本高、盈利难、建设周期长、数据规范缺失等一系列挑战。
碳寻计划串联起科研、产业、投资和生态合作伙伴，为CCUS技术创新提供了急需的资金、资源、技术、能力等多方位的系统性支持，加速技术应用和规模化落地，有效地解决了现阶段CCUS技术创新和发展的难点。
结 论
推动CCUS技术的发展和应用，需要全社会共同努力。可以通过技术研发和规模化应用，降低技术成本；鼓励CCUS专业化企业发展，积极探索商业模式；完善法律法规和政策支持，建立合理的激励和补偿机制，营造有利于CCUS投资和运营的市场环境。只有克服各种挑战，才能让CCUS技术真正发挥其应有作用，为全球应对气候变化做出积极贡献。因此，政府、企业、科研机构和社会各界应当共同努力，加强合作，推动CCUS技术的商业化应用。
参考文献
[1]IPCC. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change[R].2022.
[2]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].生态环境部环境规划院, 中国科学院武汉岩土力学研究所, 中国21世纪议程管理中心, 2021.
[3]Friedlingstein P, Jones M, Osullivan M, et al. Global Carbon Budget 2021[J]. Earth System Science Data, 2021,14(4):1917-2005.
[4]张贤, 李凯, 马乔, 等. 碳中和目标下CCUS技术发展定位与展望[J]. 中国人口·资源与环境, 2021,31(09):29-33.
[5]IEA. Is carbon capture too expensive?[R]. Paris: IEA, 2021.
[6]GCCSI. Bioenergy and carbon capture and storage[R]. GCCSI: 2019.
[7]GCCSI. Global costs of carbon capture and storage[R].GCCSI, 2017.
[8]GCCSI. Technology Readiness and Costs of CCS[R].GCCSI, 2021.
[9]彭雪婷, 吕昊东, 张贤. IPCC AR6报告解读：全球碳捕集利用与封存（CCUS）技术发展评估[J]. 气候变化研究进展,2022,18(05):580-590.
[10]张贤, 李阳, 马乔, 等. 我国碳捕集利用与封存技术发展研究[J]. 中国工程科学, 2021,23(06):70-80.
[11]OGCI 油气行业气候倡议组织. 中国碳捕集、利用与封存（CCUS）商业化白皮书[R].OGCI, 2021.
[12]IEA. How new business models are boosting momentum on CCUS[R]. Paris: IEA, 2023.
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编辑丨王秋蓉
来源丨《可持续发展经济导刊》2023年6月刊
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