综述：CCUS源汇匹配的进展与展望：一项批判性回顾

本综述系统评述了碳捕集、利用与封存（CCUS）源汇匹配研究的最新进展，聚焦全球CO2排放源时空分布、地质封存潜力评估及运输优化三大维度，深入剖析技术-经济-政策系统协同瓶颈、数据精度与尺度失配等核心挑战，为加速CCUS全球部署和碳中和目标实现提供战略建议。

　　

1. 引言

温室气体排放将地球系统推向临界点，加剧气候危机。IPCC第六次评估报告强调，唯有立即深度减排才能避免灾难性气候影响。2024年全球化石燃料与工业CO₂排放达363亿吨，同比上升0.9%，全球地表温度较工业化前水平升高1.1°C。加速变暖引发冰川退缩、海平面上升和极端天气频发，威胁生态系统和社会经济安全。

碳捕集、利用与封存（CCUS）作为关键减排技术，通过源汇匹配将CO₂排放点（源）与地质封存场（汇）高效连接，实现从排放到封存的完整碳管理链条。其技术核心包括源端捕集（如氧燃料燃烧、燃烧后捕集）、安全运输（高压管网、船舶）及永久封存（油气藏、咸水层、玄武岩层）。气候模型表明，CCUS是实现《巴黎协定》1.5°C目标不可或缺的技术支柱。

全球CCUS项目已进入商业部署阶段，美国、中国、澳大利亚位列封存量前三，合计占比89.8%。挪威“Northern Lights”项目利用北海Sleipner区枯竭油气藏，开展全球首个工业级跨境CO₂封存；日本在苫小牧开展海底火山岩层封存示范；加拿大Boundary Dam电站通过燃烧后捕集技术显著降低碳捕集成本。

源汇匹配的系统性配置是CCUS大规模实施的关键，需协调工业CO₂源与地质汇的空间整合、容量对齐及动态反馈。现有研究多聚焦静态因素（如排放源集群分布、储层地质条件），缺乏跨区域多因子协同机制的综述。本研究通过建立三维“源-汇-匹配”分析框架，系统梳理全球源汇匹配进展，为优化碳管理方案提供理论支撑。

2. 排放源

2.1. 大气CO₂

温室效应是维持地球宜居温度的关键机制。CO₂分子碳氧双键振动频率与地球红外发射谱高度匹配，高效捕获地表热辐射能量。温室气体中CO₂占比76%（CH₄占16%，N₂O占6%，氟化气体占2%）。尽管CO₂单分子辐射强迫低于CH₄（100年全球变暖潜能值GWP：CO₂=1，CH₄=25），但其化学惰性导致大气停留时间达200年（CH₄为12年），加之排放量远超其他温室气体，确立了其主导地位。

2.2. CO₂排放

人为排放是当代气候变化的主因，使全球温度较工业化前升高1.0°C。实现1.5°C目标需2050年前达到净零排放，2100年前移除1000–1000亿吨CO₂。固定点源（如电厂）比移动源（如交通）更易实施捕集技术。据国际能源署（IEA）统计，2024年全球CO₂排放达378亿吨，大气浓度升至422.5 ppm，较2023年增长3 ppm。中国、美国、印度、欧盟和日本贡献全球62.1%的排放，其中中国自2005年起持续居首，2024年排放126亿吨，电热供应和工业制造是化石能源消费核心领域。

2.3. CO₂排放源

化石燃料消费主导全球CO₂排放（约70%），主要通过发电、交通及水泥钢铁制造等活动。能源部门贡献近33%的全球温室气体输出。区域排放模式显示，华东工业带、美国东海岸、西欧发达经济体和印度次大陆是全球碳排热点。当前经济技术条件下，分布式排放源的大规模碳捕集缺乏可行性，能源工业固定点源（燃煤/气电厂、化工厂、炼油厂、钢厂、水泥厂）成为加速商业CCS部署的主要候选对象。

3. 封存汇

3.1. CO₂地质封存场址筛选

3.1.1. 场址适宜性评估

场址适宜性评估是CO₂地质封存（CGS）项目的前提，需融合地球科学、工程力学和环境科学的跨学科方法建立分层评价框架。碳封存领导论坛（CSLF）将适宜性评估分为五个层级：国家尺度（聚焦管辖领土内盆地）、盆地尺度（量化特定沉积盆地储量）、区域尺度（盆地内地理连续带）、局部尺度（工程前候选储层筛选）和场址尺度（特定封存单元多维评价）。评估体系具尺度依赖性：国家和盆地尺度评估以政府主导，宏观潜力评价；局部和场址尺度由企业实施，依赖高分辨率三维地质建模和多相流耦合模拟技术；区域尺度采用公私数据共享机制优化空间布局。

3.1.2. 场址筛选指标

场址筛选需整合地质稳定性、工程可行性、环境风险可控性和社会经济相容性。全球筛选标准虽因地而异，但普遍遵循以地质完整性为基础、工程适应性为支撑、风险预警为保障、社会经济接受为边界的综合评价框架。关键参数包括地球物理属性（盖层完整性、储层构型、渗透率比、孔隙结构）、工程参数（注入速率、体积、井筒完整性）及风险与社会经济因素（地震风险、泄漏概率、公众认知、法规政策）。智能评估工具通过多参数协同优化显著提升初步选址科学性。

3.2. CO₂地质封存容量评估

地质封存容量评估需综合考虑岩石物理化学性质、构造圈闭完整性及长期封闭安全性。全球不可采煤層、枯竭油气藏和深部咸水层是主要CO₂封存介质，依赖四大封存机制：构造圈闭（物理遮挡）、残余圈闭（毛细管滞留）、溶解圈闭（CO₂溶于水）和矿物圈闭（碳酸盐矿化）。咸水层协同利用所有四种机制，油气藏主要依赖构造和残余圈闭，煤層则以CO₂吸附为主导。

容量计算方法因储层介质而异，主要包括物质平衡法、体积法、面积法、溶解机制法和溶解度法。中国CCUS2021年度报告估计，全球陆上地质CO₂封存容量6–42万亿吨，海上潜力2–13万亿吨，深部咸水层贡献全球98%的封存容量。中国总潜力约1.21–4.13万亿吨，四大盆地（松辽、渤海湾、鄂尔多斯、准噶尔）通过CO₂-EOR可实现51亿吨封存；鄂尔多斯、四川渤海湾和塔里木盆地气藏容量153和90亿吨；咸水层封存约242万亿吨，松辽（6945亿吨）、塔里木（5528亿吨）和渤海湾（4906亿吨）占比50%。

3.3. CO₂地质汇

CO₂地质汇指通过自然过程或工程干预将大气CO₂主动注入地下的技术系统，核心路径包括矿物碳化、岩溶碳汇效应和海洋溶解吸收。深地质封存是最具规模化的减排途径，将超临界CO₂（>31.1°C, >7.8MPa）永久封存于800米以深咸水层、枯竭储层或深层地层。

全球CGS和利用技术呈梯级发展：CO₂地浸采铀（CO₂-ILU）已商业化应用；CO₂-EOR进入商业实施阶段，通过超临界CO₂注入降低原油粘度、膨胀油相体积，提高采收率8–15%，同时实现构造和溶解圈闭；CO₂-增强咸水采收（CO₂-ESWR）处于工业示范阶段，利用CO₂驱替咸水生产工业用水，通过残余圈闭和矿物碳化实现永久封存；CO₂-EGR和CO₂-增强煤层气（CO₂-ECBM）处于 pilot 测试阶段；CO₂-增强页岩气采收（CO₂-ESGR）和CO₂-增强地热系统（CO₂-EGS）仍处基础研究阶段。

大规模地质碳汇部署需解决“源汇失配”挑战。全球排放源与封存场空间失衡显著：中国咸水封存集中于西部，而主要排放源在东部沿海；欧美通过北海碳枢纽实现跨境匹配，东南亚缺乏协作网络。当前研究需整合管网优化、地质风险评估和政策协调，开发跨尺度“源-汇-管道”动态匹配模型。

4. 源汇匹配

4.1. 运输方式

CO₂运输方式选择直接影响项目经济性和风险 profile，主要模式包括管道、船舶和槽车。管道运输主导大规模长距离场景，具显著规模经济效应。中德至挪威跨海运输情景分析显示，运输成本占比随年捕集量增加从22%降至10%；船舶运输在小规模场景更经济。中国多部门共享管道模型表明，2050年需1.9万公里主干管道支持1.74亿吨/年碳捕集，50%复用现有油气走廊。海上运输为中小规模项目提供独特优势，挪威Brevik水泥厂采用双级缓冲存储策略实现最低运输成本33.8欧元/吨。槽车运输作为补充方案，适用于临时部署或试点项目。

当前CCUS运输系统面临多维技术瓶颈：风险评估数据基础弱，管道腐蚀模型不确定性高；多式协调机制缺失；地质适应性不足，复杂储层管网易受地下非均质性影响；政策框架滞后，国际航运依赖跨境碳关税和存储责任分配规则。未来发展应聚焦智能管网网络、跨模态集成数字化双胞胎和国际碳运输政策构建。

4.2. 源汇匹配方法

源汇匹配是CCUS系统设计的核心过程，优化CO₂排放源与封存 reservoir 的空间、尺度和动态连通性。国际主流方法主要包括数学规划、GIS空间分析和智能优化算法。数学规划中，混合整数线性规划（MILP）通过同时处理离散决策（如管道建设）和连续变量（如流量分配）作为基础工具；多目标混合整数非线性规划（MINLP）结合随机规划有效管理不确定性。GIS空间分析支持快速宏观筛选，如中科院ITEAM-CCUS方法通过国家级存储潜力数据集和成本矩阵生成平准化成本最优源汇对序列。智能算法（如模糊决策理论、图网络优化、遗传算法）为高维非线性系统提供 robust 建模求解能力。

当前方法呈现“时空约束”三元融合新范式：时间上，SimCCS TIME等模型推动静态规划向多期动态优化演进；空间上，深度GIS-数学规划集成提升管道工程精度；约束维度，随机规划处理地质变异性，中性集理论量化存储风险偏好。然而，超大规模网络优化面临计算瓶颈，高保真地质约束模拟急需机器学习代理加速，跨区域协调机制仍需探索。未来创新需集成量子算法、数字孪生等前沿技术，支撑全球碳中和目标下规模化CCUS集群精准部署。

4.3. 多尺度模型

4.3.1. 全球尺度

全球CCUS源汇匹配研究逐步揭示跨国碳减排网络可行性。集成85国3093个排放集群和432个封存场数据提出的首套全球系统匹配方案，可实现920亿吨CO₂减排，其中64%通过深部 aquifer 封存，36%用于CO₂-EOR。空间分析显示约80%源汇对在300公里内匹配，主要集中在美中欧俄印。经济评估表明总成本仅占全球累计GDP的0.12%，凸显可扩展潜力。欧盟GeoCapacity项目评估中东欧六国封存潜力，揭示排放强度与封存适宜性间显著不平衡。创新技术耦合方案（如CO₂溶解存储与地热采收结合）经法德美验证，可降低单位减排成本。

核心挑战聚焦跨区域基础设施协调和地缘政治对齐：跨国管道需克服技术标准差异、成本分摊机制缺失和碎片化监管框架；长距离运输经济性尤其关键，需船舶铁路等多式联运作为管道网络补充。未来进阶应优先建立国际存储资源分配、制定跨境碳信用互认规则、创建标准化全链风险治理，推动全球碳治理从碎片化部署向网络化协作转型。

4.3.2. 国家尺度

国家尺度CCUS源汇匹配研究呈现显著区域分异特征。中国为实现深度脱碳，煤电厂改造被证明为核心路径。2°C目标下165家电厂175GW装机需CCS改造，封存场平均半径115公里，总投资需1.212万亿美元，23%减排量可通过EOR技术产生377亿美元收益。中国主要沉积盆地具巨大存储潜力，五大盆地列为优先部署区，可支持12.04–16.20亿吨/年封存，但运输距离显著约束存储效率。长期预测表明，中国需在2050年前通过CCUS实现6–14亿吨减排，技术成本从2030年310–770元/吨降至2060年140–410元/吨，源汇匹配潜力完全能满足碳中和需求。

新兴经济体通过创新模式克服地理限制：印度探索跨境运输解决方案，评估航运CO₂至中东油田用于EOR的经济可行性；其钢铁行业规划六个集群项目，匹配15家钢厂与封存 reservoir，实现1.08亿吨/年减排；西班牙采用枢纽-集群模式连接21%全国工业排放；东南亚国家依赖集群部署优化成本效益，越南源汇匹配分析表明建立四个CCUS枢纽可实现1420万吨/年封存，覆盖64%固定排放源。欧美拉美国家专注区域协作：克罗地亚识别三大碳捕集集群；哥伦比亚源汇匹配研究确定五个CCS-EOR项目可封存1.42亿吨CO₂，解决石油行业25%长期减排目标。

4.3.3. 区域尺度

区域尺度源汇匹配研究凸显情境化技术路径创新。中国东北部采用多目标MILP模型优化20年供应链部署，最小化总成本和全球变暖潜能；实时期权模型显示该区具全国最低盈亏平衡碳价（2024年104元/吨）；政策激励可使水泥厂CCUS采纳率从13%升至46%。黄河流域通过CCS-EWR集成技术实现资源协同：236家煤电厂匹配方案显示年捕集7.39亿吨CO₂同时供应131.4亿吨淡水，减排成本控制在180元/吨以下。沿海地区利用 adjacent 海盆624亿吨 offshore 存储容量，90%排放源距汇350公里内，惠州油田作为指定示范场址。浙江省开发动态储层评估和多井优化框架，证实154个固定排放源4.59亿吨减排经济可行性，最优CCUS网络成本51.22美元/吨。河北省应用混合熵权-AHP评价模型，确立工程地质和储层特征为关键选址因子，最终识别京11油井与廊坊热电厂为最优存储方案。广东省碳捕集供应链呈沿海至内陆扩散 pattern，单位减排成本随减排率提高从237.81升至253.51元/吨，碳价220元/吨可实现整体盈利。台湾地区通过GIS识别六个碳矿化集群，提供年300万吨存储潜力，为电力和重工业商业化协同解决方案。

国际案例深化地质资源与产业布局协同机制：加拿大艾伯塔省匹配157家工业设施与83470个油气田存储容量，提出首条埃德蒙顿周边200公里CCS走廊，可削减全省38%工业排放；印度西海岸研究揭示马哈拉施特拉邦和古吉拉特邦年排放3.36亿吨，附近盆地存储潜力1410亿吨（97.4%在咸水层）；墨西哥湾开发多维决策框架集成地质特征、物流网络和风险因素，系统评估2559个外大陆架场址后，将路易斯安那海岸确定为EOR存储最优区。

4.3.4. 工业尺度

工业尺度CCUS源汇匹配研究揭示重点工业部门差异化脱碳路径。煤炭发电、水泥、钢铁、炼油、垃圾焚烧和集成工业的系统综述凸显技术经济评估和基础设施要求。中国研究将煤电厂作为关键减排目标，揭示70%以上厂碳捕集后实现与天然气厂成本竞争，22–58%具陆上风电经济性；584家电厂2020–2060年间减排潜力54.6–384.8亿吨，300公里为最优运输距离阈值；创新技术协同如CCS-EWR可实现年减排13.2亿吨同时供应384.8亿吨淡水，碳价400元/吨覆盖70.7%机组。水泥行业面临成本与规模平衡挑战：实现20%–60%减排需改造229–627家水泥厂，经济成本7940–26950亿元；筛选603家可行水泥厂，2030–2060年间预计减排18.5亿吨，东北西北为优先实施区。钢铁行业凸显空间失配冲突：111家BF-BOF钢厂年减排潜力4.2亿吨，但东部排放源与西部封存场分离使运输成本随捕集目标（30%/60%/90%）升至83–118美元/吨，当前碳价仅支持14个项目立即投资。

跨部门协作与新兴领域拓展扩大应用场景：中国煤电、钢铁、水泥部门集成建模表明，2045年前部署658家电厂、101家钢厂、357家水泥厂碳捕集可实现年减排14.44亿吨，需投资312.47亿美元，济南沈阳为集群核心；陆海集成方案通过80700公里共享管道连接1186个排放源至329个封存场，量化煤电（1.75亿吨/年）、钢铁（7700万吨）、水泥（5600万吨）、煤化工（2300万吨）部门存储潜力。印度聚焦炼油 sector，识别四套源汇匹配方案并分析首次EOR实施障碍；加拿大油砂 sector 设计连接10个排放源的枢纽网络，可封存1.9亿吨CO₂但需40亿加元投资。新兴领域如垃圾发电年排放3.185亿吨，集中于东部沿海；996家电厂可800公里内匹配封存场，147家电厂减排成本低至91.1元/吨，但碳水协同管理冲突需解决。

5. 挑战与展望

CCUS源汇匹配大规模发展仍面临四个相互关联的系统性约束：技术-经济-政策系统内多层次脱节；碳源汇数据精度不足与尺度失配；运输网络优化方法僵化与集群协作不足；智能算法与物理机制脱节及动态演化表征缺失。

技术-经济-政策协同瓶颈表现为成本估算过度简化、政策激励缺乏针对性、跨部门耦合经济障碍。未来路径包括开发集成集群效应和技术学习曲线的动态成本模型；设计差异化政策工具（如基于运输距离的碳税退税）；建立跨部门利益共享机制。

数据精度与尺度失配制约匹配准确性，表现为过程级和网格级排放数据缺乏，封存评估尺度精度差异。未来需建立多尺度数据融合平台；开发概率性碳汇评估模型；应用机器学习算法升级场址特定数据。

运输与匹配机制局限性表现为方法刚性难以适应复杂动态场景，集群尺度多式协调不足。未来突破包括开发柔性优化框架；构建“封存-利用”耦合集群模型；利用数字孪生技术集成地质、气象和运营数据。

智能算法与数据驱动方法虽展现处理高维非线性系统优势，仍面临地质数据异质性限制模型泛化能力、物理机制与数据模型脱节降低预测可靠性、现有模型缺乏动态演化表征能力三大瓶颈。未来突破途径包括将地质力学本构方程作为物理约束嵌入深度神经网络；基于数字孪生集成短期调度与长期演化模型；结合先进算法与边缘计算设计并行引擎。最终推动源汇匹配从“静态样式优化”向“动态系统协作”转变，支撑CCUS全球集群化部署。

6. 总结与未来工作建议

本综述聚焦CCUS技术在应对全球气候危机中的关键作用，系统回顾源汇匹配最新进展。通过建立融合全球排放源时空分布、地质封存容量评估和管网优化的三维“源-汇-匹配”分析框架，揭示空间源汇失配和运输成本主导等关键挑战，强调优化匹配机制对降低减排成本和实现《巴黎协定》1.5°C目标不可替代性。未来工作建议包括：开发集成实时排放监测、储层压力响应和碳市场动态的多目标动态规划算法；拓展分布式排放源捕集技术；引入GIS社会空间分析开发三维风险评估体系；设计跨国碳信用分配和责任分担框架；开发机器学习驱动智能优化框架；整合测井地震数据建立高精度智能场址筛选方法；探索CCUS与CCU、可再生能源、氢管网集成规划模型；建立跨全球至企业尺度的多维评价与可视化解释框架；开发源汇节点级动态碳足迹核算模型；基于GIS大数据建立统一时空参考数据集成平台。