碳捕集、利用与封存（CCUS）确定性成本估算方法综述：一项系统性回顾

《Greenhouse Gases: Science and Technology》：Deterministic Cost Estimation Approaches for Carbon Capture, Utilization, and Storage: A Review

　　

碳捕集、利用与封存（CCUS）被视为连接传统高排放行业与未来绿色能源的纽带。本研究涵盖2003年至2026年初的文献，综述了用于碳捕集、运输、利用与封存各环节成本估算的方法与公式。研究重点在于CCUS系统中用于评估项目可行性的确定性经济评估指标，包括净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、最低可接受回报率（MARR）、成本效益分析（CBA）、盈亏平衡分析、敏感性分析、投资回收期以及技术经济分析（TEA）。本综述讨论了不同假设和情景如何改变评估结果，并使CCUS项目之间的比较变得困难。综述表明，确定性模型在项目早期筛选中具有实用价值，但当项目规模、区域条件、基础设施可用性及市场假设未得到明确界定时，其结果可能产生误导。尽管技术创新和共享基础设施能够降低成本，但大多数现有研究仍强调碳税和激励措施在改善CCUS项目可行性方面的关键作用。另一方面，研究结果指出，高昂的资本成本、政策不确定性、标准化经济评估框架的缺失以及清晰数据的缺乏，均阻碍了CCUS项目的发展。研究建议，采用确定性方法和具有明确输入数据的标准关键绩效指标（KPI）有助于改进CCUS项目的经济评估。然而，输入参数的不确定性仍可能降低评估的准确性，并可能由此产生对其他估算工具的需求。

**1 引言**

《巴黎气候协定》将全球升温控制在2°C以下的目标促使各国更愿意投资清洁能源研发，其中包括碳捕集、利用与封存（CCUS）。预计到2040年，天然气、煤炭和石油仍将在能源结构中占据主导地位，CCUS可作为高碳排放行业与可再生能源之间的桥梁。若无CCUS技术，实现气候目标的长期成本可能增加140%；据估算，到2100年需捕集并封存600–2000 Gt CO₂，而全球地质封存容量约为10,000–30,000 Gt，足以满足需求。截至2025年，全球CCUS产能约为每年5000万吨，较2017年增长了2000万吨，但仍远低于国际能源署（IEA）设定的2030年1024 Mtpa目标。美国拥有最多的CCUS项目，中国也在积极提升CCUS产能。

CCUS推广面临多重障碍：经济障碍方面，CCUS系统高昂的资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）是主要制约因素，碳市场和政策的不确定性也会影响预期收益；技术就绪度方面，燃烧后胺法捕集和管道运输等技术已达技术就绪度（TRL）9级，而生物能源碳捕集与封存（BECCS）、直接空气捕集（DAC）和矿化等技术仍处于早期开发阶段，随着技术成熟度提高，不确定性将降低，S曲线和学习曲线表明技术成本将随经验积累而下降；非技术挑战方面，政策不确定性、部分国家缺乏适宜地质储层、碳定价机制不完善以及CO₂封存经验有限等因素均可能降低投资意愿。能源供应和工业部门是最大的全球CO₂排放源，水泥、钢铁和化工等难以减排行业占工业相关CO₂排放总量的70%以上，应予以重点关注。

**2 CCUS的经济重要性**

**2.1 碳捕集与压缩**

CO₂捕集技术主要分为四类：燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧以及直接空气捕集（DAC）。捕集成本占全链条CCUS项目总费用的60%–80%，烟气参数（如CO₂浓度、成分、含水量和流量）因行业而异，从而影响捕集成本。钢铁厂烟气CO₂浓度范围为20%–44%，浓度越高，捕集越容易。大多数研究集中于燃煤电厂的CCUS，但工业源因CO₂浓度和压力较高，可能更具成本效益。CO₂捕集惩罚指因捕集设备运行导致的能效损失或额外能耗，燃烧后捕集在所有技术中捕集惩罚最高。成本估算方法主要有三种：自下而上法（基于设备、材料、劳动力和公用事业等基础成本要素）、回归法（利用已有数据间的回归关系）和规模放大法（基于参考成本按规模因子换算）。

**2.2 碳压缩与运输**

CO₂运输成本约占CCUS项目总成本的25%。压缩成本通常随流量增大而降低，但当流量超过压缩机运行容量后，需增加压缩级数，导致投资和运行成本突增。三项主要运输方式为管道、船舶以及卡车或铁路。管道初始投资高而运营成本低，适合长期大规模运输；船舶更灵活且初始成本较低，适合早期项目；当距离超过800–1000 km时，船运比管道更具成本效益。在超临界相条件下运输CO₂更稳定，但杂质会改变相态行为，增加压缩能耗和运输成本。将多个排放源的CO₂整合至共享运输系统可降低管道成本约25%，但需要建立统一的CO₂流标准条件。现有研究表明，管道运输成本估算通常采用基于管径、距离和流量的简化公式，而实际运行条件更为复杂，技术参数（如压降、压缩站间距、管材和相态行为）应在更精确的模型中加以考虑。

**2.3 碳封存与利用**

CO₂封存可选择枯竭油气藏、深部盐水层或不可采煤层。枯竭油气田（DOGF）封存潜力可观且具有丰富的勘探和生产井数据，但仍需长期监测以确保安全性；盐水层潜力更大，但面临监测和长期安全方面的挑战；海洋封存面临泄露和酸化问题及法律和公众接受度限制；矿物碳化虽可实现永久封存，但成本过高且受限于适宜地质条件。在利用途径中，提高石油采收率（EOR）因商业成熟度和经济回报较高而成为重点。陆上封存始终比海上封存更经济，枯竭油气田因可利用现有井进行CO₂注入而成本低于盐水层。CCUS-EOR项目在成熟油田中可实现碳封存与原油增产的双赢，初始投资回收延迟问题使其对早期财政支持有较强依赖。封存成本因储层地质特征而异，表明每个场地需独立评估。

**2.4 综合CCUS项目**

综合CCUS系统将捕集、运输、利用和封存整合为一条完整链条，其成功往往取决于政策激励、管道和封存设施的就绪程度以及CO₂长期利用或封存的稳定市场。共享基础设施可降低全链条成本，但需评估相应的技术问题。首套（FOAK）CCUS项目因学习效应而比第N套（NOAK）项目成本更高。在炼油领域，第二代溶剂有潜力提高能效，但高昂的材料成本制约了大规模部署。综合CCUS-EOR项目可同时实现净CO₂减排和本地石油增产的双重效益。地理和行业因素对CCUS经济可行性至关重要，加拿大虽具有良好的CCUS-EOR潜力，但因捕集源与利用封存场地的距离而发展受限；在水泥等高排放行业，仅依靠利用途径不足以实现减排目标，需将碳捕集与利用（CCU）与碳捕集与封存（CCS）相结合。

**3 确定性经济评估**

**3.1 现值分析**

净现值（NPV）是最常用的CCUS经济可行性评估工具，通过将未来现金流入与流出按折现率折算为现值之差来判断项目可行性，正NPV表示项目可行。NPV可用于项目比较和投资决策，但直接比较不同项目的NPV需谨慎，因为折现率和项目寿命期的假设差异较大。仅依赖NPV可能导致误导性决策——较大规模项目可能因规模效应而呈现更高的NPV。标准化指标有助于跨技术和跨条件比较：平准化度电成本（LCOE）反映电厂增加CCUS后电力成本的增幅；平准化CO₂捕集成本（LCOC）衡量每吨CO₂捕集的单位成本，始终低于CO₂避免成本，因为捕集过程自身能耗导致实际避免排放量小于捕集量；CO₂避免成本表示单位净减排量的系统级附加成本，适用于改造分析和情景比较，但对参考案例的选择高度敏感，且往往侧重于捕集环节。

**3.2 内部收益率（IRR）与最低可接受回报率（MARR）**

IRR是使NPV等于零的折现率，用于比较项目盈利能力；MARR是企业管理层愿意推进项目的最低回报率，IRR≥MARR时项目具有吸引力。综述研究显示CCUS项目IRR约在10%–15%之间，CCUS-EOR项目IRR可达32%。IRR的主要优势在于评估简便，但其再投资假设在CCUS项目中可能过于乐观——当项目产生大量中期现金流时，假定这些现金流能以同等高回报率再投资可能导致结果偏差。仅凭IRR和MARR进行判断可能产生误导，情景分析有助于提供更全面的评估。

**3.3 成本效益分析（CBA）**

CBA通过计算效益现值与成本现值的比率（B/C）来评估项目，B/C>1表示项目可行。CBA能够考量社会影响，如碳的社会成本（SCC），但SCC对折现率等输入假设高度敏感。CBA在CCUS项目分析中的应用相较于技术经济分析（TEA）较为有限，部分因为CBA不考虑技术过程参数。成本效益分析则用于效益难以货币化的情况，通过比较不同方案的成本而非效益来识别最佳方案。将气候风险降低、能源安全和长期社会效益转化为货币价值存在困难，因此CBA不宜作为直接决策参数。此外，CBA可能引发利益相关方之间的利益冲突，因为捕集、运输和封存各环节的成本和效益分配不均。

**3.4 盈亏平衡分析**

盈亏平衡分析用于确定成本等于收入或完全回收费用所需的产量水平。在CCUS项目中，可评估项目仍具盈利能力的最高CO₂价格，或在CCUS-EOR项目中确定最低原油价格。盈亏平衡成本因地理区域、行业、基础设施和模型假设而异：西班牙CCS网络在不同区域的盈亏平衡成本差异显著，比利时水泥行业的盈亏平衡成本高于西北欧炼油项目。该方法存在局限性，如过度简化项目条件且未考虑基础设施实施的难度；CCUS项目的运营成本预计在项目期内上升，盈亏平衡分析可能低估这些成本。经济分析应在全链条CCUS系统层面进行，而非孤立评估各环节。

**3.5 敏感性分析**

敏感性分析通过在保持其他参数不变的情况下改变单一因素来观察其对结果的影响，可帮助检测高风险参数并识别最优运行条件，但其主要局限在于未考虑系统参数间的交互作用。例如当CO₂流量变化时，增压站数量、压降和管径也可能相应变化，但敏感性分析可能无法捕捉这些复杂的系统交互。此外，该方法不能预测每个重要参数的概率。在基础设施尚未建成的项目中，CAPEX对经济可行性影响显著；而在基础设施成熟且具有CO₂循环利用的项目中，OPEX相关成本对经济可行性的影响更大。

**3.6 投资回收期**

投资回收期（PBP）表示回收初始投资所需的时间，较短的PBP因资本回收更快和财务风险更低而更具吸引力，对钢铁和水泥等高风险行业尤为重要。资本回收期差异显著，范围从EOR项目的4年到海上CCUS的16年以上。CCUS-EOR或陆上CCUS项目通常投资回收更快，而海上和大规模基础设施项目则需更长时间。PBP的解释可能产生误导，因为该方法不考虑回收期后的现金流；较长的PBP并不必然意味着项目较弱，某些海上CCS项目虽PBP较长，但其环境封存效益更大。

**3.7 技术经济分析**

技术经济分析（TEA）能够结合技术效率、能量惩罚和运行要求进行经济分析，是研究者最常用的方法，广泛应用于电力、水泥、钢铁、化工与炼油、油气、BECCS等行业。TEA适用于技术比较、关键成本驱动因素识别和可行性研究，对低TRL技术尤为有用，可帮助识别值得投资的技术。TEA研究表明CCUS项目的经济性高度依赖行业类型、区域条件、运输设计、EOR可得性、捕集技术、规模和系统边界假设。水泥行业捕集成本较高，钢铁行业居中，天然气处理行业较低，后者因CO₂气流更纯净且通常邻近油田和管道基础设施而具有成本优势。开展TEA的研究人员应清晰报告其假设和方法，在低TRL技术中可用数据有限且不确定性高，可能降低TEA结果的可靠性。

**4 碳政策与经济效率**

碳税通过惩罚排放、激励措施通过奖励减排、碳市场通过赋予碳货币价值允许企业交易碳排放权来影响碳定价。若无碳税、补贴或碳市场等政策支持机制，CCUS项目将不可行。碳税被评估为比直接补贴更有效，当碳税达到一定水平时，CCUS的应用将显著增加。美国联邦45Q税收抵免是北美主要税收政策之一，为EOR提供每吨CO₂ 30美元、为封存提供每吨50美元的抵免。Horizon Europe为欧洲CCUS项目提供大规模研发资助。在发展中国家，CCUS税收和激励政策仍然有限，但中国和印度已开始将CCUS纳入其能源和气候规划。研究表明，仅靠补贴不足以维持CCUS项目的可行性，至少需要33%的资本成本补贴与碳定价相结合。

**5 讨论与结论**

**5.1 研究空白与建议**

捕集阶段占据CCUS链中最大成本份额，迫切需要经济高效的捕集材料。低TRL捕集技术的成本估算面临挑战，建议采用概率方法。碳捕集研究中常优化单一的CO₂捕集效率，建议对捕集效率、能耗、溶剂再生、CAPEX和OPEX进行多目标优化。CO₂运输经济分析中常采用简化假设，影响模型的准确性和通用性；未来应考虑动态基础设施规划、非稳态运行条件以及杂质的综合效应，并建立CO₂质量基准标准以增强可比性。封存可行性研究中许多模型采用简化假设理想化了实际储层复杂性，部分研究可能低估了成本；欠开发油田需要更多经济评估和数据采集方面的关注。NPV受限于折现率估计和未来现金流预测的不确定性；IRR无法考虑项目规模，高IRR不能保证高风险CCUS项目的成功，未来应将其作为情景依赖指标进行多情景重新计算。CBA不应单独用于决策，建议结合多指标分析。盈亏平衡分析在长期项目中的准确性较低，未来应结合情景分析或敏感性分析改进建模。敏感性分析应采用全局方法以模拟参数间的非线性关系，并利用现场运行数据进行模型验证。PBP可能低估战略性CCUS基础设施和低TRL项目的价值，建议与其他指标联合使用。TEA研究因假设、计算方法和系统边界各异而难以比较，需要建立标准框架；建议利用中试或实验数据验证模型，并将可再生能源与CCUS项目整合以进一步减排。

**6 结论**

本综述讨论了CCUS系统捕集、运输、封存和利用各阶段的主要经济因素。CCUS项目推广的主要障碍在于高昂成本，但更深层的局限在于成本估算方法本身。捕集阶段应使用多目标参数评估技术；运输阶段诸多模型采用理想化稳态假设并简化杂质影响；封存阶段对储层行为、注入能力和长期监测的简化假设可能低估成本。不同研究的假设差异使项目间直接比较具有误导性，限制了经济模型的普适性。区域差异和规模效应显著影响经济可行性。确定性分析可能在纸面上显示项目可行，但市场条件和假设的变化可使其变为不可行，建立假设评估的基准指南并引入真实项目数据以替代假设至关重要。NPV和IRR单独使用时可能产生误导；CBA中环境和非货币参数转化为效益价值具有挑战性；盈亏平衡分析依赖平均成本而忽视未来现金流的动态变化；PBP忽略回收期后的现金流；敏感性分析可能未考虑技术经济参数间的交互作用；低TRL与成熟项目TEA结果的直接比较可能产生误导。因此，建议综合运用多种指标并辅以敏感性分析。总体而言，确定性方法不能完全反映CCUS项目中的不确定性和风险，更适合初步筛选，应将情景分析与确定性方法结合以更好识别关键经济参数，概率模型在高不确定性的低TRL技术中可能具有更高精度。