综述：面向下一代能源系统的碳捕集、利用与封存（CCUS）：技术、整合策略与未来展望

《Next Energy》：Carbon capture, utilization, and storage (CCUS) for next-generation energy systems: Technologies, integration strategies, and future perspective

　　

二氧化碳（CO₂）排放仍源于工业与能源活动，构成环境关切。在各类减排技术中，碳捕集、利用与封存（CCUS）已被确认为控制主要工业及能源活动排放、促进清洁生产工艺的有效手段。本研究综述了碳捕集技术及其他替代技术的当前现状，重点阐述其原理与应用。研究人员还探讨了二氧化碳排放的运输与封存技术，尤其是可用于有效封存二氧化碳排放的地质封存技术。此外，本研究还分析了二氧化碳利用技术的潜力及其将二氧化碳转化为有用产品的应用前景。然而，随着二氧化碳捕集与封存技术的发展，CCUS的应用受到经济因素、基础设施及政策支持的影响。材料与优化技术的进一步进展对于提升可行性至关重要。CCUS可用于推动清洁能源生产技术。

本文对碳捕集、利用与封存（CCUS）在下一代能源系统中的技术、整合策略与未来前景进行了系统性综述。**1. 引言**部分指出，由于工业活动和化石燃料广泛使用，二氧化碳（CO₂）排放迅速增加，2023年全球排放量超过36 Gt，导致全球变暖、海洋酸化等环境问题。碳捕集与封存（CCS）技术被视为从电厂和工业设施大规模减排CO₂的有效途径，而CCUS则进一步将捕集的CO₂作为原料生产化工产品、燃料等。现有综述多关注孤立技术，缺乏与氢能、可再生能源、直接空气捕集（DAC）及Power-to-X（PtX）技术的系统级整合分析。本文旨在提供完整的CCUS价值链比较与整合评估，包括捕集技术、运输基础设施、地质封存机制、利用路径及其在可持续能源系统中的作用，并强调技术成熟度（TRL）与工业部署挑战。

**2. 碳捕集技术**部分详细介绍了主要捕集方法。**2.1 燃烧后碳捕集（PCC）**是最广泛研究的方法，利用胺基溶剂通过可逆反应从烟气中分离CO₂，捕获效率达85–90%，但溶剂再生需3.5–4.0 GJ/tCO₂能量，导致电厂净效率下降20–30%。改进包括混合胺体系、固体吸附剂（如金属有机框架MOFs）和膜分离，后者CO₂/N₂选择性可超50。**2.2 燃烧前碳捕集**通过气化和水煤气变换反应产生高浓度CO₂（15–40%）和氢（H₂），利用物理溶剂（如Selexol）或变压吸附（PSA）分离，能量损失较小（15–20%），但需对电厂进行重大改造。**2.3 富氧燃烧碳捕集**使用空分单元（ASU）提供纯氧，产生高浓度CO₂（>70%）和水蒸气，简化分离，但ASU能耗200–250 kWh/tO₂，且需处理杂质。**2.4 新兴碳捕集技术**包括直接空气捕集（DAC）、膜分离、固体吸附剂及化学链燃烧（CLC）。DAC可捕获大气中的分散CO₂（约420 ppm），但能耗高；CLC使用金属氧化物作为氧载体，内在分离CO₂，减少能量惩罚。表1比较了主要技术的捕获效率、能量惩罚、成本及TRL，其中PCC的TRL为8–9，而DAC和CLC分别为5–7和3–5。

**3. CO₂运输与地质封存**部分：**3.1 CO₂运输方法**包括管道和船舶。管道是陆上大规模运输最经济的方式，成本2–14 USD/tCO₂，需防腐蚀和泄漏监测；船舶适用于远距离或海上储存，但液化能耗较高。**3.2 地质封存**利用深部咸水层、枯竭油气藏和不可采煤层。深部咸水层通过结构捕集（40–50%）、残余捕集（20–30%）、溶解捕集（10–20%）和矿物捕集（5–10%）实现长期固定；枯竭油气藏可利用现有基础设施，并可通过CO₂驱油（EOR）增产。**3.3 封存安全与监测**强调防止泄漏、盖层完整性、诱发地震、井筒退化等风险，需采用地震成像、压力监测、地球化学分析等技术，并依靠国际框架进行长期监管。

**4. CO₂利用路径**部分：**4.1 化学转化**包括催化加氢制甲醇（200–300°C，50–100 bar，转化率>70%）、电化学还原制甲酸（法拉第效率达90%）、铜基电催化剂制多碳产物。**4.2 合成燃料**通过逆水煤气变换（RWGS）和费托合成生产柴油、航空燃料等，需与可再生氢结合。**4.3 矿物碳化**使CO₂与橄榄石、蛇纹石等矿物反应生成稳定的碳酸盐（CaCO₃、MgCO₃），可用于建筑材料，但反应动力学慢、能耗高。**4.4 生物利用**利用微藻固定CO₂（速率1.5–2.0 g CO₂ L^-1 day^-1）生产生物质、生物燃料及生化产品，或通过微生物发酵生产乙醇、有机酸。**4.5 技术成熟度（TRL）与部署潜力**显示甲醇合成、矿物碳化等为近期可部署技术（TRL 7–9），电化学还原、人工光合作用等为长期技术（TRL 2–5），主要受限于催化剂稳定性、能耗与规模化。

**5. 与清洁能源系统的整合**部分：**5.1 与氢能生产整合**：通过蒸汽甲烷重整（SMR）加CCUS生产蓝氢，可捕获90–95%的CO₂排放，每千克氢产生9–12 kg CO₂，蓝氢作为过渡方案，绿氢需可再生电力。**5.2 生物能源与碳捕集封存（BECCS）**可实现净负排放，潜力3–10 Gt CO₂/年，但需可持续生物质供应。**5.3 可再生动力直接空气捕集（DAC）**利用固体吸附剂或液体溶剂从大气中移除CO₂，成本较高，但可处理历史排放。**5.4 可再生能源耦合与Power-to-X（PtX）系统**将多余电力转化为氢、合成燃料等，储存间歇性能源，但受限于电解成本与效率。**5.5 实际部署挑战与区域基础设施规划**涉及源汇匹配、运输网络建设、氢成本、集群化模式等，需政策支持与公众接受。

**6. 挑战与未来展望**部分：**6.1 经济障碍**：CCUS系统高资本与运营成本，碳捕集成本40–80 USD/tCO₂，缺乏碳定价机制抑制投资。**6.2 基础设施挑战**：缺乏集成的CO₂管网、封存场地评估耗时长。**6.3 政策与监管问题**：需明确长期责任、监测标准与国际合作。**6.4 未来研究方向**：开发先进材料（MOFs、纳米吸附剂、离子液体、高选择膜）、低能耗再生、电化学还原、PtX、人工光合作用、数字监测（AI、机器学习）、工业集群与生命周期评估。**7. 结论**强调CCUS是工业与能源系统碳排放管理的关键策略，未来需在效率、规模化与经济性方面持续改进。