基于现有CO2管道及通行权的大规模碳捕集与封存基础设施优化研究

为解决新建碳捕集与封存（CCS）运输网络成本高昂、土地协商复杂等问题，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室团队开发了集成现有CO2管道及通行权（ROWs）的优化框架，通过GIS数据整合与成本加权算法，在Intermountain West区域案例中证明可降低30%管道建设成本，加速CCS商业化部署。

　　

在全球气候变暖背景下，碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术被视为减少温室气体排放的关键手段。然而，大规模部署CCS面临一个核心瓶颈：CO₂运输基础设施的建设成本居高不下。新建管道网络不仅需要数十亿美元资本投入，还需与大量土地所有者进行复杂谈判以获取通行权（Rights-of-Way, ROWs）。与此同时，美国境内已存在超过5000英里的CO₂管道和数百万英里的天然气管道网络，这些资源能否被再利用以降低CCS部署门槛？这一问题直接关系到全球碳中和目标的实现进程。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Martin Ma、Rajesh J. Pawar等研究人员在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究，首次系统性地开发了整合现有管道基础设施的CCS网络优化框架。研究团队通过三个关键技术突破：1）基于公开数据集构建CO₂管道空间数据库；2）开发改进版CostMAP工具，通过GIS空间分析实现ROWs区域成本权重动态调整；3）将现有管道零成本假设嵌入混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MIP）模型，最终在SimCCS^3.0平台实现了基础设施复用优化功能。

方法学创新
研究团队对Intermountain West六州（蒙大拿、怀俄明等）开展案例验证时，建立了双重优化策略：对于现有CO₂管道段，直接将其纳入候选网络并免除建设成本；对于含ROWs的走廊地带，通过降低地形改造、土地补偿等成本权重（较无ROW区域减少30%-50%），引导优化算法优先选择这些路径。这种动态成本表面（Cost Surface）构建方法，首次实现了工程经济因素与空间地理约束的耦合优化。

关键发现
在怀俄明州EOR（Enhanced Oil Recovery）项目模拟中，复用现有CO₂管道使总运输成本降低22%，其中ROWs获取成本减少达35%。更值得注意的是，在科罗拉多州新建管道场景中，利用天然气管道ROWs建设CO₂管道，使每英里建设成本从280万美元降至190万美元。这些数据证实，基础设施复用可显著缓解CCS项目的经济可行性障碍。

讨论与展望
该研究的突破性在于将传统CCS网络设计从"白纸作图"模式转变为"拼图优化"模式。正如作者指出，美国现有能源管道网络相当于一个价值2000亿美元的"隐形资产库"，合理利用这些资源可使全国CCS部署周期缩短5-8年。不过研究也揭示出局限性：现有管道压力等级、腐蚀防护等参数可能需升级以适应超临界CO₂运输，这将在未来版本中通过多物理场耦合模型进一步优化。

这项研究为全球CCS产业化提供了范式转变思路。随着中国启动"东数西算"等国家级工程，类似的基础设施复用策略或可应用于鄂尔多斯盆地等碳封存热点区域，为发展中国家探索低成本减排路径提供技术蓝本。研究团队开源的SimCCS^3.0工具链，已成为美国能源部重点推广的CCS规划标准平台，其方法论对氢能管网建设同样具有借鉴价值。