基于Python的源-汇匹配与集群优化：哈萨克斯坦碳捕集与封存(CCS)基础设施成本效益与减排潜力分析

本研究针对哈萨克斯坦高碳排放工业的脱碳挑战，开发了一种基于混合整数线性规划(MILP)的Python优化工具，用于碳捕集与封存(CCS)基础设施的源-汇匹配和集群形成。研究通过最小化捕获、运输和存储总成本，结合环境影响评估，发现100 km聚类半径可实现最低成本（全重定向约233亿美元），同时CO2净减排量最高（140.55 MtCO2）。结果强调了共享基础设施和政策干预对加速低碳转型的关键作用，为发展中国家CCS部署提供了开源、可扩展的决策支持框架。

　　

随着全球气候变化加剧，碳捕集与封存（CCS）技术已成为实现《巴黎协定》1.5°C目标的关键路径，尤其在难以减排的工业部门（如水泥、钢铁和化工）中发挥着重要作用。然而，全球CCS部署进展缓慢，年捕获量仅4500万吨CO₂，远低于2050年所需的76亿吨。哈萨克斯坦作为化石燃料依赖型经济体，煤炭供应占其初级能源的80%，工业集群导致高排放，但其地理潜力为跨境CCS合作提供了机遇。过去，哈萨克斯坦的CCS基础设施设计依赖手动和主观方法，限制了成本效益和可扩展性。因此，开发系统化、优化驱动的工具对于释放CCS潜力至关重要。

为应对这些挑战，研究人员在《Journal of Cleaner Production》上发表了一项研究，旨在通过Python-based混合整数线性规划（MILP）模型，优化CCS基础设施规划，重点关注源-汇匹配和成本有效的发射器集群形成。该研究通过最小化捕获、运输和存储的总成本，同时考虑环境影响，识别最优CCS枢纽配置。研究结果表明，100 km聚类半径可实现最低成本场景，全重定向成本约233亿美元，部分重定向为240.2亿美元，且CO₂净减排量最高（分别达140.55和142.73 MtCO₂）。240–300 km聚类半径则提供了更平衡的权衡，成本稳定在约345.7亿美元，同时减少排放。分析还显示，捕获成本占总CCS费用的最大部分（100 km时占50.47%），而运输成本随聚类半径增加，从45.61%升至180 km时的61.01%。利用现有管道基础设施显著提高了成本效率，尤其在较短聚类半径下。这些发现突出了整合成本效益高的CCS枢纽网络和政策干预（包括监管框架、财务激励和国际合作）的重要性，以加速哈萨克斯坦向低碳经济转型。

为开展研究，作者主要应用了几项关键技术方法：首先，采用混合整数线性规划（MILP）进行优化建模，以最小化总成本和环境影响；其次，利用密度基于空间聚类应用噪声（DBSCAN）算法进行发射器集群形成，参数包括最大地理距离（eps）和最小样本数（min_samples）；第三，集成经济模型，涵盖捕获成本（基于捕获率因子和单位成本）、运输成本（管道和增压设施资本成本，使用McCoy和Rubin的工程经济模型）和存储成本（钻井、注入设备和压缩机成本）；第四，环境模型评估净CO₂减排，考虑捕获、运输和存储排放；第五，蒙特卡洛模拟用于不确定性分析，处理参数如资本回收因子和管道容量因素。数据来源包括哈萨克斯坦的工业排放源（如39座煤电厂、19座天然气电厂）和地质存储站点（如Precaspian盆地），通过USDOE方法评估存储容量。

研究结果部分通过多个子标题展示了详细发现：

• •

  源-汇匹配场景分析：通过全重定向和部分重定向策略管理源-汇不匹配，全重定向将所有排放从满存储站点转移到最近可用汇，简化物流但增加管道成本；部分重irection允许分配排放到多个汇，提高灵活性但可能提升运输成本。DBSCAN聚类结合最小生成树优化了集群内管道距离，平衡了灵活性和计算效率。

• •

  模型框架：经济模型显示捕获成本占主导，运输成本随距离增加；环境模型显示捕获排放贡献99.95%系统排放，运输和注入排放可忽略。开源Python工具CCS-NetOptimizer提供了可访问的优化平台。

• •

  成本组件分析：在100 km半径下，捕获成本占50.47%，运输成本占45.61%；到180 km，运输成本升至61.01%。利用现有管道降低运输成本，例如在100 km时从1100万美元降至1000万美元。蒙特卡洛模拟显示，运输成本不确定性随半径扩大，100 km时置信区间为±20%，400 km时扩至±40%。

• •

  环境影响分析：CO₂减排量在200 km半径后 plateau，因额外管道能源抵消增量捕获。存储站点选择（如Chu-Sarysu盆地的T15和T17）影响注入能量和排放，深層低孔隙度地层增加能耗。

• •

  讨论基础设施实现：哈萨克斯坦需政府支持、法规改革（如修订Subsoil Code）、财务机制（碳信用、税收激励）和国际合作（如对齐ISO/TC 265）来推动CCS部署， pilot项目可验证可行性并增强公众接受度。

研究结论强调，CCS枢纽优化通过源-汇匹配和聚类策略，在哈萨克斯坦实现了成本降低和环境可持续性提升。短聚类半径（100 km）提供最低成本解决方案，而中半径（240–300 km）平衡成本与减排。集成现有管道增强效率，政策干预如碳定价和监管框架至关重要。未来研究应聚焦动态聚类、实时存储评估和技术进步，以扩展CCS在全球的应用，支持低碳经济转型。这项工作不仅为哈萨克斯坦提供了实践蓝图，也为其他发展中国家提供了可复制的开源工具，凸显了CCS在应对气候变化中的核心角色。