当前全球气候问题日益严峻，减排行动刻不容缓。根据国际能源署公布的数据，截至2023年全球平均地表温度已经比工业化前水平高出约1.2°C，引发了热浪和其他极端天气事件，而温室气体排放尚未达到峰值，2022年全球温室气体排放量再创新高，达到574亿吨二氧化碳（CO2）当量。“碳”就是石油、煤炭、木材等由碳元素构成的自然资源。“碳”耗用得多，导致地球暖化的元凶“二氧化碳”也制造得多。随着人类的活动，全球变暖也在影响着人们的生活方式，带来越来越多的问题。2002年，南极洲一块面积为3250平方公里的冰架脱落，并且在35天内融化消失；并且根据美国宇航局的最新数据显示，格陵兰岛平均每年要融化掉221立方公里的冰原，是1996年融冰量的两倍 。
为了全面应对全球气候变暖问题，联合国多次召开气候变化大会。2015年《巴黎协定》设定了本世纪后半叶实现净零排放的目标。2020年9月22日，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。12月24日，中国第一家从事碳中和基础研究的机构“中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心”在北京正式挂牌成立。
何为“碳中和”？一般是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的CO2或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。这就意味着一方面要以碳减排为主要方式，通过能源结构优化和能源效率提升、产业结构优化从高速度增长转向高质量发展，通过消费结构优化从高碳消费转向低碳消费实现碳减排。另一方面要增碳汇，通过森林、湿地、农地、海洋生态系统的生态修复和环境治理提升生态系统碳汇能力；通过碳捕捉、碳封存、碳填埋、碳利用等工程技术手段实现工程系统增汇。CCUS被认为是实现碳中和的“最后一公里”，因为即使做到完全不排放，为了减碳，也需要把之前排放的CO2捕捉回来。
我国如何实现“碳中和”？实现“碳中和”必需做好“减法”和“加法”，一方面是减少CO2等温室气体的排放，另外一方面是增加碳汇、发展碳捕集和封存和利用技术等，最终实现排放量和吸收量的平衡，达到碳中和。
一、CO2的主要来源
（一）电力行业
我国虽在提高能效和发展清洁能源方面的进展已经居于世界前列，政府在调整产业结构、优化能源结构、节能提高能效、控制非能源活动温室气体排放、增加碳汇等方面采取一系列行动，已取得了积极成效。2017年碳强度比2005年下降约46%，已经提前完成了到2020年碳强度下降40%-45%的目标。但我国碳排放全球居首，远高于美欧日等发达经济体。而且作为经济高速发展的大国，以煤为基础的能源结构短、中期内难以改变。既要保证煤电在能源供应中的兜底作用，又要尽可能降低碳排放造成的环境影响。CCUS被视作关键的技术手段之一，也是我国实现“双碳”目标所必须采用的关键技术。如2021年年初刚建成受电的由国家能源集团投资的国华锦界电厂15万吨/年的碳捕集与封存的全流程示范项目，目标是使煤炭发电达到二氧化碳和污染物的近零排放，并提高“绿色煤电”系统的技术经济性，为商业化做技术准备。
（二）钢铁行业
由于钢铁制造过程高能耗且高排放，全球范围内的钢铁行业减少碳足迹的压力与日俱增。钢铁行业目前是化石燃料(主要是煤炭)最大的消费者，煤炭既是制造焦炭的原料，又是产热的能源，是铁矿石炼钢过程中必不可少的成分。钢铁行业的CO2排放量占全球每年CO2直接排放量的7％，能源消耗占全球能源需求总量的8％。中国占世界54%的钢铁产量，钢铁碳排放占世界的65%，减排压力巨大。
（三）水泥行业
水泥在生产过程中，一般会产生大量的CO2。无论是水泥材料本身，还是烧窑过程中的燃料，都是CO2的重要来源。因为这个原因，水泥也被称之为“碳污染重源”。根据科学家的检测，在全球碳排放过程中，有8%的CO2是来自于水泥。如果这种情况得不到改善的话，到时候地球的温室效应会更加严重。
水泥是国民经济重要基础产业。目前我国有1000多家水泥企业、1500条水泥生产线。未来，水泥行业要打造成绿色产业，为实现‘双碳’目标、建设美丽中国作出更大贡献。水泥行业低碳转型发展，科技创新是引擎。CCUS技术是高碳排放行业实现碳中和的托底技术，发展CCUS技术是水泥行业实现碳中和的必要途径。
二、CO2的捕集
CO2的捕集主要有三种技术路径：１、燃烧前捕集技术，通过燃烧前将碳从燃料中脱除。其技术特点是CO2浓度高，较易分离，但过程复杂，成本较高；２、燃烧后捕集技术，从燃烧生成的烟气中分离CO2。其技术特点是过程简单，但CO2浓度低，捕集能耗较高；３、富氧燃烧技术，又称氧气、CO2燃烧技术或空气分离、烟气再循环技术。其技术特点是CO2浓度高，容易分离，但制氧气成本高昂，且CO2压力较小，捕集步骤较多。对于发电厂、钢铁厂、化工厂等排放出来的CO2，燃烧后捕集具有较高的适用性和捕集率，是目前最成熟的捕集技术，国内外的技术差距较小，应用最为广泛的。
三、CO2的利用与封存
（一）将CO2注入油藏中进行驱油，提高油田采收率
强化采油技术是一系列提高油气采收率的技术，其中一种是在加压情况下向井中注入CO2。在700米以上的深度，CO2变成超临界状态，并作为一种很好的溶剂，从岩层中释放石油和天然气，将它们冲到井口。CO2也可以与水一起注入。强化采油技术首次尝试于1972年，是成熟油气井的常用技术。注入CO2可以作为二次驱油机制，将油气储层中的剩余油气驱出。注入CO2是目前最受欢迎的一种强化采油方法，人们对CO2强化采油技术的兴趣在于，一旦油田枯竭，70-80%CO2会留在储层中，封存数百年或数千年。地质利用二氧化碳—提高石油采收率（CO2-EOR）技术既能封存大量的CO2，又能增产石油，兼顾经济与环境效益，短期内具有较高的可行性。
图1：强化采油技术
我国约130亿吨原油地质储量适合使用CO2-EOR技术，可提高原油采收率7-15%，预计可增加采储量19.2亿吨，同时封存CO2约47－55亿吨。截至2020年底，我国已投运或建设中的CCUS示范项目主要在石油、煤化工、电力行业，重点开发CO2-EOR项目。
2022年8月，中国首个百万吨级二氧化碳捕集、利用及封存项目——齐鲁石化-胜利油田CCUS示范工程正式投产，每年可减排CO2100万吨，相当于植树近900万棵。该项目将工业尾气中的CO2捕集起来，然后注入地下油层，“驱赶”出原油。据称，按照1吨CO2可驱出0.25吨原油计算，年增产原油20余万吨。 更重要的是，中国大型的煤化工产业比较集中，具有低成本捕集CO2的可能。而其中许多煤炭密集型工厂恰恰位于适宜采用CO2-EOR技术的油田附近。CO2-EOR技术既能够封存CO2储存，又能够增产石油，从而为碳捕集与封存项目提供经济收益。
（二）将CO2融入混凝土，永久嵌入其中
将CO2融入混凝土，能大量消耗CO2，最有潜力成为一个巨大的CO2市场。将捕集的CO2注入新鲜混凝土中，使其矿化，形成纳米矿物，并永久嵌入其中。注入CO2可以提高混凝土的抗压强度，并改善性能。利用废弃CO2制造低碳混凝土，不仅能减少水泥使用量，还能使混凝土的CO2排放减少约每立方17-20公斤，大大减少了混凝土结构的碳排放。
2018年我国商品混凝土产量为25.46亿立方米，2019年我国商品混凝土产量为25.5亿立方米。目前，我国正处于新型工业化、信息化、城镇化和农业现代化建设的关键时期，随着我国“西部大开发战略”、“中部崛起战略”、“东北老工业基地振兴战略”、“一带一路”、“长江经济带”和“京津冀协同发展”等区域经济战略的深入实施，PPP模式等创新投融资体制的完善，我国固定资产投资虽然增速放缓，但仍将持续保持稳定增长态势，在终端需求的带动下，混凝土行业继续保持稳步增长。在过去的10年中，通过研发、建设试点项目以及广泛的国际合作，中国在CCS各个环节开展了能力建设，从而为建设大型碳捕集与封存示范项目做好了准备。
（三）将CO2合成甲醇，循环利用
甲醇是一种清洁燃烧的燃料，可大大减少硫氧化物、氮氧化物和颗粒物的排放。可再生甲醇能够从各种可再生原料生产——包括城市固体废物、农业残余物以及用绿色氢气捕获的CO2。从全生命周期的角度进行评估，绿色甲醇可减少高达95%的温室气体排放，减少高达80%的氮氧化物排放，并消除硫氧化物和颗粒物排放。
自2011年以来，国际碳回收组织在冰岛运营了第一个利用当地可用地热能源的当代商业CO2到甲醇的回收工厂。该商业示范工厂基于地热CO2的转化以及当地现成的地热能源（热水和蒸汽），利用地热发电产生的电力将水电解并生产氢气。这个过程所生产的甲醇可与汽油混合使用，也可用于生物柴油的生产以及废水脱硝。由于燃料中的CO2来自大气中，燃烧后又排放回到大气中，在这一过程中没有新的CO2排放，因此欧盟将其列为清洁能源。
将废弃的CO2转化为有价值产品的潜力可以吸引对技术创新的新投资，通过支持国家的循环经济来解决污染问题。这些投资将对提高生计和提供经济机会大有裨益。CO2制甲醇有利于减少碳足迹、实现能源独立和可持续性。甲醇在满足日益增长的能源需求和实现更平稳的能源转型方面拥有巨大潜力。也将为国家在追求低碳经济的过程中创造巨大的经济效益。
（四）将CO2制成可降解聚合物
可降解聚合物是当今世界瞩目的研究开发热点。可降解聚合物属完全生物降解塑料类，可在自然环境中完全降解，能用于一次性包装材料、餐具、保鲜材料、一次性医用材料、地膜等方面。此技术不仅将工业废气中捕集的CO2制成了对环境友好的可降解塑料，而且避免了传统塑料产品对环境的二次污染。它的发展，不但扩大了塑料的功能，而且在一定程度上对日益枯竭的石油资源是一个补充。
（五）将CO2用于生物质合成
此方法对CO2的浓度要求较高、实施成本较高，但单吨CO2产出效益也相对较高。2021年9月，中国科学院天津工业生物技术研究所首次在实验室实现了从CO2到淀粉的人工全合成。不到两年时间，天津工业生物所又传来好消息，在CO2合成淀粉的基础上，该所实现了从CO2到糖的精准全合成，摆脱了自然合成途径，为利用CO2创造多样的糖世界提供了可能。这一成果所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域，将缓解人口日益增长对糖需求的压力。合成的葡萄糖等糖分子还可以作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，满足人类其他物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给。
图2：CCUS流程图
在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》中，利用被我国列为重点攻关任务。二十大报告中强调，要以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴，实现绿色发展，人与自然和谐共生。CCUS技术从捕捉到封存和利用，改善生态环境，最大程度降低人类活动排碳，减少对自然环境的影响。未来碳减排需求规模化增长，CCUS技术也将大幅商业化、规模化。《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图》明确了我国CCUS技术至2030、2035、2040及2050年的阶段性目标和总体发展愿景：到2030年，现有技术开始进入商业化应用阶段并具备产业化能力。到2035年，部分新兴技术实现大规模运行。到2040年，CCUS系统集成与风险管控技术得到突破，初步建立CCUS集群。到2050年，CCUS技术实现广泛部署，建成多个CCUS集群。
和所有新兴技术一样，CCUS技术的示范和推广需要大量、及时而且稳定的政策支持，例如，建立商业机制如CCUS专项补贴、碳税和安全法规等其他支持机制为CCUS的部署营造良好的环境；同时可通过碳市场调节对于企业排放配额的分配和交易，对于CCUS项目的实际减排量计入信用在碳市场上交易等。征收碳税有助于将减排成本转移至制造环节，从而为上游减碳提供激励。最后，建立跨行业、跨国界合作的CCUS生态圈，使政策制定者与企业开展有效对话；联合各方，集中资源，实现协同增效。可以积极与欧洲及美国相关部门和企业开展合作交流，共同促进CCUS的成本降低以及碳中和目标的实现。企业则需要在政策框架下密切关注CCUS相关政策动向与技术进展，积极探索CO2利用的新商业模式，在碳中和转型大势中先人一步抓住机会。对于有一定资金基础的大型电力、油气企业，应积极与高校和科研单位开展CCUS试点，为我国CCUS技术标准体系建设打下坚实的基础。
参考文献：
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[3]碳中和目标下的CCUS[J]. 于泽伟. 能源. 2020(12)