综述：国家二氧化碳运输网络部署的战略与技术挑战

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Strategic and technical challenges in the deployment of a national CO2 transport network

　　

向碳中和经济转型需要构建稳健的二氧化碳（CO2）运输基础设施，尤其是将碳捕集、利用与封存（Carbon Capture, Utilization, and Storage, CCUS）作为应对气候变化的战略举措。研究人员旨在探讨部署国家CO2运输网络所面临的相关战略与技术挑战，重点关注国家层面的系统性视角。采用的研究方法涵盖欧盟及国家层面的监管框架分析、CO2的理化性质解析、质量与纯度要求界定，以及致密相管道的设计准则制定，同时讨论了杂质、腐蚀、水合物形成与相稳定性对系统的影响，并对碳捕集、地质封存及CCUS作为载体技术进行了特征分析。研究结论表明，标准化致密相运输模式，辅以协调统一的监管机制与战略性投资，对于保障未来CO2网络的安全性、效率与互操作性至关重要。

1. 1.
   引言
   全球能源体系长期依赖化石能源，尽管可再生能源占比逐步提升，但传统能源消费总量仍持续增长，导致温室气体排放居高不下。数据显示，1980年至2025年3月，对流层CO₂浓度从338 ppm升至428 ppm，增幅达26%。国际社会通过《巴黎协定》确立温控目标，即较工业化前升温控制在2°C以内，力争1.5°C，而2024年全球平均气温已较工业化前高出1.62±0.06°C，凸显能源转型紧迫性。欧盟通过《欧洲绿色协议》提出2050年气候中和目标，配套“减碳55%（Fit for 55）”一揽子政策；葡萄牙则出台《2050碳中和路线图（RNC 2050）》与《2021-2030国家能源与气候计划（PNEC 2030）》，并将中和目标提前至2045年，为国家CO₂运输网络建设提供了政策基础。
2. 2.
   政策与监管框架
   2.1 欧洲层面
   欧盟CO₂封存活动的核心监管依据为《2009/31/EC指令》（CCS指令），建立了地质封存全生命周期许可制度，并将其纳入欧盟碳排放交易体系（EU ETS），明确合规封存的CO₂不计入排放核算。后续《欧洲气候法》将2050年气候中和目标立法化，《可再生能源指令（RED II）》与“减碳55%”一揽子政策进一步强化了CCUS的定位。《跨欧洲能源网络（TEN-E）条例》修订后，将CO₂运输网络列为优先发展领域，支持跨境“共同利益项目（PCIs）”。2023年实施的碳边境调节机制（CBAM）覆盖钢铁、水泥等高排放行业，倒逼企业通过CCUS实现脱碳。2024年《工业碳管理（ICM）战略》提出2050年需每年捕集、封存或利用约450兆吨（Mt）CO₂，同年《净零工业法案》设定2030年欧盟内部CO₂存储服务年产能不低于50 Mt的目标。资金支持方面，欧盟创新基金（Innovation Fund）与“连接欧洲设施-能源（CEF-E）”为CCUS项目提供融资支持，降低投资风险。

2.2 葡萄牙层面

葡萄牙通过第60/2012号法令转化欧盟CCS指令，评估地质封存潜力。RNC 2050将CCUS与生物能碳捕集与封存（BECCS）列为关键技术，PNEC 2030更新版进一步强化碳移除（CDR）相关内容，但存在CCUS与CDR概念混淆的问题。当前葡萄牙尚未出台专用CO₂管道设计、施工与运维法规，主要参考ISO 13623、ISO 27913:2024、ASME B31.4及DNV-GL-RP-F104等国际标准。政策情景分析显示，即便基于现有政策，葡萄牙2030年可实现较2005年减排约50%，2040年达67%（不含土地利用、土地利用变化与林业LULUCF），其中CCUS预计2030年后逐步贡献减排量。

1. 3.
   CO₂生命周期战略洞察
   CO₂按来源分为生物源与非生物源：生物源CO₂来自生物质燃烧、分解或消化，属于短周期自然碳循环，若可持续管理可实现碳中性，被欧盟RED III等政策列为低碳能源支持对象；非生物源CO₂来自化石燃料燃烧，向大气新增碳输入，打破自然碳平衡。CO₂可作为原料用于生产燃料、化学品与材料，支撑循环经济。未来碳需求仍将存在于化工、航空、航运等领域，需从化石碳转向可持续碳源，包括生物质、回收利用与捕集CO₂（优先选择生物源或大气源）。CCUS技术成熟度差异显著：CO₂制甲醇已达技术 readiness level（TRL）9级，烯烃与芳烃合成仍处于早期阶段；捕集技术中变压吸附（PSA）、真空变压吸附（VSA）为成熟技术（TRL 9），酶催化吸收处于商业示范阶段（TRL 7-8），电化学介导吸附等新兴技术尚处实验室阶段（TRL 2-3）。需注意生物质并非绝对碳中性，其全生命周期（含运输、土地利用变化）可能产生额外排放，且CCUS技术仍面临成本高、规模化受限等挑战。
2. 4.
   CO₂运输的技术维度
   4.1 CO₂性质
   纯CO₂临界点为31.1°C、73.8 bar，三相点为-56.6°C、5.18 bar。致密相（DP）指压力高于临界压力且在熔融线以下的区域，兼具高密度与低黏度特性，是长距离运输的最优相态。CO₂被DNV分类为C类流体，常温常压下无毒性与易燃性。

4.2 CO₂质量

实际捕集的CO₂含杂质，分为两类：危险杂质（SO_x、NO_x、H₂S）需严格限制在ppm级，以避免腐蚀与健康风险；非冷凝杂质（N₂、O₂、Ar、CH₄、H₂）通常允许总体积分数≤4%，以平衡运输效率与纯化成本。美国能源部国家能源技术实验室（NETL）建议H₂O含量≤500 ppmv，H₂S≤0.01 vol%，CO≤35 ppmv，O₂≤0.001 vol%，NO_x≤100 ppmv，SO_x≤100 ppmv。杂质会改变CO₂相包络，降低密度与压缩因子，提升腐蚀与水合物形成风险；致密相因对水的溶解度更高，可降低游离水导致的腐蚀概率，但仍需控制杂质含量以维持单相流稳定性。

4.3 CO₂管道设计

CO₂管道无法直接使用现有天然气管网（仅适用于气相运输），致密相运输需更高压力等级与断裂韧性。管材优先选用X60/X65碳钢（干燥环境），湿环境需采用耐腐蚀合金。需重点防控延性断裂扩展（RDF），常用巴特尔双曲线法（BTCM）设计，但需针对高强钢进行修正。设计壁厚需同时满足承压与断裂控制要求，杂质会增加壁厚需求。ISO 27913:2024为CO₂管道提供了通用标准，欧洲正通过CEN/TC 474等机构完善区域规范。

4.4 CO₂运输条件

致密相运输典型工况为80–150 bar、0–40°C、流速2–3 m/s，同等管径下输运能力是气相的7倍，压力损失补偿能耗仅为气相的1/10，适用于长距离、大流量场景，但需防范焦耳-汤姆逊效应导致的干冰堵塞与RDF风险。气相运输工况为20–33 bar、0–50°C、流速~5 m/s，适用于短距离、小流量，需严格控制露点以避免杂质引发的两相流与腐蚀。

4.5 CO₂运输基础设施

葡萄牙可依托现有1375 km天然气管道走廊并行建设CO₂管道，减少环境影响与建设成本，提升基础设施兼容性。

4.6 技术维度总结

CO₂运输需统筹理化性质、质量控制、管道设计与运输条件四大维度：操作压力需高于临界压力以保障稳定输运；质量管控是安全与效率的核心；需新建专用管道并强化断裂控制；致密相为大规模长距离运输的最优选择。当前仍存在标准不统一、杂质影响量化不足等技术缺口，需进一步协调监管与研发投入。