在地球能源系统背景下，碳捕获、利用与封存（CCUS）：一项多学科综述

本文系统综述了碳捕获、利用与储存（CCUS）技术，涵盖捕获技术（如燃烧后、燃烧前和富氧燃烧）、地质存储（油藏、盐水层、玄武岩等）及与可再生能源的整合路径。分析指出CCUS需突破高成本、监管碎片化及社会接受度挑战，通过集群部署、政策激励（如45Q税收抵免）和国际协作推动规模化应用，同时强调环境风险（如泄漏）和经济效益的平衡。

　　
碳捕获、利用与存储（CCUS）作为应对气候变化的关键技术，近年来在全球范围内受到广泛关注。CCUS通过捕获工业排放的二氧化碳，将其转化为可利用产品或安全封存于地质 formations，在降低碳排放的同时推动循环经济与能源转型。本文系统梳理了CCUS的技术路径、系统集成、经济政策及社会影响，揭示了这一技术从实验室到规模化应用的复杂挑战与潜在机遇。

### 一、技术基础与核心路径
CCUS体系包含三大核心环节：碳捕获、碳利用及地质存储。碳捕获技术根据应用场景可分为三类：
1. **后燃烧法**：适用于现有燃煤电厂改造，通过化学溶剂吸收废气中的二氧化碳，技术成熟但能耗较高；
2. **预燃烧法**：配合气化工艺生产合成气，二氧化碳纯度可达95%以上，适合新建天然气发电厂或蓝氢制备；
3. **富氧燃烧法**：直接燃烧燃料与纯氧混合，生成高浓度二氧化碳气体，简化分离流程但依赖高效制氧系统。

地质存储方面，存在四种主要策略：
- **枯竭油气藏**：利用现有封存机制，但需评估井网完整性风险；
- **深咸水层**：理论封存量达万亿吨，但需要复杂的地层参数评估；
- **煤层吸附**：通过二氧化碳驱替甲烷实现双重收益，但渗透率衰减问题待解；
- **玄武岩矿化**：如冰岛CarbFix项目，二氧化碳与岩石矿物反应生成碳酸钙，封存稳定性达95%以上。

技术选择需综合考量能源效率、基础设施兼容性及经济成本。例如，后燃烧法虽适用性强，但每吨二氧化碳捕获成本高达120美元；而预燃烧法则因需要新建气化装置，初期投资超过200亿美元。这种技术差异导致不同行业应用路径分化：钢铁厂倾向直接燃烧法以降低排放强度，而化工厂则更关注利用路径的经济性。

### 二、系统集成与协同效应
CCUS与可再生能源及低碳技术的协同创新成为突破规模瓶颈的关键。典型整合模式包括：
1. **蓝氢产业链**：天然气重整耦合CCUS，既解决甲烷逃逸问题，又生产高纯度氢能燃料。如美国Petrobras项目通过该模式将绿氢成本降至2美元/kg；
2. **生物质能+CCUS（BECCS）**：通过光合作用固定二氧化碳的生物质能源，捕获其燃烧排放，形成净负排放系统。目前BECCS项目单位面积碳汇能力达4.5吨/公顷/年；
3. **地热增强系统**：注入二氧化碳激活深层地热，既提升发电效率又实现封存。冰岛Stratified Transformer项目已实现热能转化效率提升30%；
4. **太阳能驱动捕获**：利用聚光太阳能提供溶剂再生所需热量，使捕获系统能源自给率提升至75%。

这种多技术耦合产生显著协同效应：英国Hy Negative项目通过整合BECCS与生物制氢，实现单位发电量碳强度下降至-50吨CO?/亿千瓦时。但系统集成也面临挑战，如不同技术生命周期差异导致系统稳定性不足，需开发模块化接口设计。

### 三、经济模型与政策框架
CCUS商业化面临成本与收益的结构性矛盾。全球项目平均成本曲线显示：
- **捕获阶段**：占总成本65%，其中溶剂再生能耗占捕获系统能耗的40%-60%；
- **运输与存储**：成本占比约25%，长距离运输每增加1000公里成本上升8%；
- **利用产品**：如合成甲醇，虽可覆盖30%的捕获成本，但市场溢价不足。

政策激励工具呈现多元化趋势：
1. **税收抵免**：美国45Q条款最高达85美元/吨，推动得州项目年封存量达500万吨；
2. **碳合同**：英国试点项目锁定长期碳价，降低投资波动风险；
3. **绿色金融**：欧盟创新基金通过"技术-资金"双轮驱动，已支持23个示范项目；
4. **区域集群**：美国休斯顿碳枢纽通过共享管道降低边际成本15%。

监管体系呈现"双轨制"特征：美国EPA的Class VI许可要求20年持续监测，而欧盟《碳捕获指令》允许在10年评估期后转移责任。这种差异导致跨国项目审批周期长达5-7年，亟需建立统一标准。

### 四、环境与社会影响评估
环境效益方面，CCUS可协同降低其他污染指标：挪威Hydro项目数据显示，碳捕获系统使氮氧化物排放减少18%，颗粒物下降27%。但潜在风险需重点关注：
- **地质泄漏**：2019年加拿大K голен песчаный项目监测到0.02%泄漏率，需建立概率安全模型；
- **生物地球化学循环**：二氧化碳溶解导致海洋酸化，封存量超过100亿吨可能引发生态阈值效应；
- **能源增益悖论**：部分项目因捕获过程能耗过高，净减排效益被抵消。

社会接受度呈现地域分化特征：欧洲公众支持率（68%）显著高于北美（52%），主要因社区参与度差异。典型成功案例包括：
- **丹麦卡伦堡**：建立"碳银行"机制，周边居民可通过出售二氧化碳积分获得分红；
- **中国齐鲁项目**：将封存收益的15%反哺当地社区教育基金；
- **荷兰Porthos集群**：通过VR技术模拟碳封存过程，使居民反对率下降40%。

### 五、全球实践与未来挑战
截至2025年，全球在运CCUS项目达278个，年封存量约5.8亿吨。区域发展呈现明显梯度：
- **北美**：依托页岩气基础设施，形成"捕获-运输-封存"闭环，单个集群年处理能力达10亿吨；
- **欧洲**：聚焦跨国集群，如北海项目实现英荷两国CO?年输送量达3亿吨；
- **亚太**：中国建成首个百万吨级燃煤电厂捕获项目，但中小企业参与度不足5%。

未来十年将面临三大技术突破窗口期：
1. **捕获效率提升**：新型离子液体溶剂捕获效率达90%，能耗降低40%；
2. **存储安全增强**：AI驱动的实时监测系统可将泄漏预警时间从72小时缩短至4小时；
3. **利用产品增值**：合成生物塑料成本较传统产品低30%，预计2030年市场规模达200亿美元。

但技术商业化仍需克服"死亡之谷"阶段的障碍：
- **融资缺口**：示范项目平均依赖政府补贴的70%；
- **监管滞后**：全球仅12个国家出台完整CCUS法规；
- **技术兼容性**：不同系统接口标准缺失导致30%的集群项目无法共享基础设施。

### 六、战略路径与发展建议
实现CCUS规模化需构建"三位一体"推进体系：
1. **技术创新网络**：建立"基础研究-中试-应用"三级研发体系，重点突破：
- 压缩环节：开发磁悬浮压缩机降低能耗；
- 溶剂再生：光催化降解技术使溶剂寿命延长3倍；
- 地质封存：纳米级传感器实时监测封存体相变化。
2. **政策协同机制**：
- 建立动态碳价调节机制，参考欧盟CBAM的30%溢价设计；
- 推行"封存保险"制度，政府与商业保险机构共担风险；
- 制定跨代际责任框架，明确第5代封存体的法律地位。
3. **社会参与模式**：
- 开发区块链碳账本，实现从捕获到封存的全程溯源；
- 建立社区技术治理委员会，参与项目选址与收益分配；
- 推广"碳负认证"体系，提升产品市场溢价。

根据国际能源署预测，到2030年需形成每年50亿吨的CCUS能力，当前增速（年均4.2%）远未达标。建议采取"三步走"战略：
- **2025-2030（加速期）**：重点建设区域性集群，政府补贴比例降至30%以下；
- **2031-2045（规模化期）**：建立跨国碳市场，推行技术标准互认；
- **2046-2050（巩固期）**：实现负排放能源占比超20%，建立CCUS技术迭代基金。

### 七、结论与展望
CCUS作为气候技术组合中的"稳定器"，其发展质量直接影响碳中和进程。当前技术经济性（约300美元/吨）仍高于国际能源署设定的250美元/吨临界值，但通过集群效应和规模经济，成本曲线已呈现下降趋势。未来需重点关注：
- **跨学科融合**：地质工程与材料科学的交叉创新（如自修复封存岩层）；
- **商业模式重构**：发展CCUS产品直接市场（如碳强化混凝土溢价达8%）；
- **全球治理体系**：建立CCUS技术专利共享池，降低发展中国家准入门槛。

随着数字孪生技术应用于全生命周期管理，预计到2040年CCUS综合成本可降至150美元/吨以下。此时需完成关键转折：从政府主导型向市场驱动型转变，从单一封存向"封存-利用-监测"闭环演进，最终形成气候正外部性内部化的良性循环。这需要全球每年投入150-200亿美元研发资金，并建立覆盖80%主要排放源的监管网络。