综述：CCUS技术在资源利用与环境风险下的发展前景

本综述系统评估了碳捕集、利用与封存（CCUS）技术全链条的能耗模式、资源利用影响及环境风险。研究揭示CCUS虽能提升能源安全并实现负排放，但存在高能耗挑战；通过优化水资源利用和土地生产力可改善资源效率，但大规模部署可能引发CO2泄漏、酸化和供应链风险。文章提出技术整合与风险管理路径，为政策制定和技术发展提供科学依据。

　　

CCUS技术与能源安全

CCUS技术通过捕集二氧化碳并加以利用或封存，成为应对气候变化的关键手段，尤其在难减排行业（如钢铁、水泥）中发挥核心作用。该技术可支持低碳化石燃料使用，并通过生物能源碳捕集与封存（BECCS）和直接空气捕集（DAC）实现负排放。国际能源署（IEA）预测，到2050年CCUS将贡献全球14%的CO₂减排量。地质封存技术如CO₂强化采油（CO₂-EOR）可提高原油采收率7%-15%，延长油田寿命15-20年，同时封存大量CO₂。美国已实现CO₂-EOR大规模应用，而中国仍处于示范阶段。

然而，CCUS需要额外能源投入，捕集阶段能耗占全链条60%-80%。化学吸收法能耗为2-5.9 GJ/t CO₂，膜分离法为0.7-1.9 GJ/t CO₂，吸附法为1.5-5 GJ/t CO₂。新型相变溶剂（如四甲基二丙烯三胺体系）可将再生能耗降至2.1 GJ/t CO₂，化学链燃烧技术则比传统方法节能60%。中国电力行业碳捕集成本为200-600元/吨，水泥行业为305-730元/吨，预计到2060年成本可降至20-150元/吨。

CCUS技术与资源利用

水资源影响

CCUS大幅增加水资源消耗，捕集环节占比达90%。不同冷却系统耗水差异显著：直流冷却系统耗水最低，湿式冷却塔（WCT）最高。以胺法捕集为例，加装CCUS后电厂耗水翻倍，而采用空气冷却冷凝器（ACC）可减少40%-80%耗水，但成本增加3倍。预燃烧、后燃烧和富氧燃烧技术的耗水范围分别为0.9-2.0 L/kWh、1.84-5.04 L/kWh和2.97-3.01 L/kWh。BECCS的水足迹最高（333-575 m3/t CO₂），主要源于生物能源作物种植的耗水。

土地与地下资源利用

CCUS促进地下空间利用，如CO₂强化铀浸出（CO₂-EUL）可减少铀矿开采中的水土污染，提高浸出效率。CO₂增强地热系统（CO₂-EGS）虽成本高于传统地热，但能节约水资源并直接减排CO₂。CO₂驱动深部咸水开采技术可缓解储层压力风险，并通过脱盐处理实现水资源再利用。但BECCS的大规模部署可能占用农业林地，引发生态系统失衡，需平衡土地用途与生态多样性。

CCUS技术的风险

CCUS面临物理风险（如CO₂泄漏、海洋酸化）和供应链风险（关键材料缺乏、基础设施不足）。泄漏风险按严重程度排序为：排放源＞化学品使用＞捕集＞运输＞生物/地质模块。冬季事故风险最高，秋季最低。

捕集与运输风险

化学吸收法可能释放挥发性胺类、亚硝胺等污染物，低浓度吸收剂（如＜5%氨水）可减少逃逸排放。设备腐蚀（如湿酸性气体对碳钢的侵蚀）需通过材料选择规避。管道运输中超临界CO₂泄漏主要影响沿线区域，船舶运输可能因低温CO₂形成冰水混合物导致发动机故障。实时监测需结合温度与气体浓度在线技术。

封存与利用风险

地下封存存在泄漏途径（如断层泄漏），可能引发海洋酸化、土壤酸化或加剧温室效应。化学利用中甲醇储罐泄漏影响半径达337米，一氧化碳泄漏影响达2公里。监测技术分为地下监测（压力监测、电磁监测、微生物生态系统变化）和地表监测（红外分析、激光雷达、碳稳定同位素追踪）。碳稳定同位素法精度高但成本昂贵，难以实时化。

供应链风险需量化评估，但概率不确定性使计算复杂。专家评估法和期望货币值法可用于风险分析，但无法绝对保障安全性。

未来发展路径与挑战

技术创新聚焦提高捕集率、降低成本和风险。第一代捕集技术（化学吸收、膜分离）正优化为第二代（2025年商业化），能耗降低30%；第三代技术能耗降幅超50%。新型吸附材料（金属有机框架MOFs、多孔有机聚合物POPs）和吸收剂持续研发。

运输领域需发展高压、大管径、长距离管道技术，建设国家级CO₂输送网络，并开发大容量运输船。封存利用方面，CO₂-EOR需向强化天然气采收（EGR/ESGR）和咸水驱动资源开采（CO₂-DRBR）拓展。化学与生物转化技术（如CO₂制甲醇、合成航空燃料SAF、微生物产生物柴油）是重点方向。

环境监测需实现全周期覆盖：初期通过示踪剂模拟CO₂运移，后期采用三维连续监测，封存后定期检测关键指标。多元化应用将扩展至发电、工业、农业等领域。

主要挑战在于成本与经济性：捕集、运输、封存的高成本需通过技术突破降低；基础设施（如管网、封存场地）的缺失和安全性问题亟待解决。推进CCUS需持续研发、政策支持与公众参与，以实现温室气体减排和可持续发展目标。