原文刊载于《中国科学院院刊》2024年第8期"资讯与观察"，本文为精简改编版
秦阿宁1 孙玉玲1,2*
1 中国科学院文献情报中心
2 中国科学院大学 图书情报与档案管理系
作为应对气候变化和实现碳中和必不可少的技术，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术研发和应用受到全球主要国家高度重视。文章梳理近年来美国、欧盟、英国、日本等主要国家和地区CCUS发展战略，并采用文献计量、文本聚类等方法对全球CCUS科技研发态势进行分析。研究发现，这些国家和地区将发展CCUS上升到国家战略高度，明确提出到2030年、2040年、2050年不同发展阶段的目标和重点攻关方向。CCUS技术领域的研究产出呈现快速增长趋势，研究主要集中在新一代低能耗与低成本CO2捕集技术、安全可靠的地质利用与封存技术以及CO2高效转化利用制高价值化学品/燃料等方向。
在碳中和目标下，碳捕集、利用与封存（CCUS）是化石能源低碳利用、工业流程低碳再造的一项关键技术支撑，其延伸的直接空气捕集（DAC）、生物质能碳捕集与封存（BECCS）技术则是实现大气中残余CO2去除的重要技术选择。美国、欧盟、英国、日本等国家和地区已将CCUS作为实现碳中和目标必不可少的一项减排技术，将其上升到国家战略高度，并发布了一系列战略规划、路线图和研发计划。本文将全面分析国际CCUS领域的重大战略部署及技术发展态势，以期为我国CCUS发展和技术研发提供参考。
1 主要国家和地区CCUS发展战略
美国持续资助CCUS研发和示范，不断推进CCUS技术多元化发展
自1997年以来，美国能源部（DOE）持续资助CCUS的研发和示范。2007年美国能源部制定了CCUS研发与示范计划，包括CO2捕集、运输与封存、转化利用三大领域。2021年美国能源部将其中的CO2捕集计划修改为点源碳捕集（PSC）计划，并增加CO2去除（CDR）计划，CDR计划旨在推动DAC、BECCS等碳去除技术发展，同时部署“负碳攻关计划”以推进碳去除领域关键技术创新，目标是到2050年，实现从大气中去除数十亿吨CO2，CO2捕集和封存成本低于100美元/吨。自此，美国CCUS研发重点进一步延伸到DAC、BECCS等碳去除技术，CCUS技术体系更加多元化。
美国CCUS研究领域和重点攻关方向包括：
1. 点源碳捕集技术：开发先进碳捕集溶剂（如贫水溶剂、相变溶剂、高性能功能化溶剂等），高选择性、高吸附性和抗氧化的低成本耐用吸附剂，低成本耐用的膜分离技术（聚合物膜、混合基质膜、亚环境温度膜等），混合系统（吸附-膜系统等），以及低温分离等其他创新技术；
2. CO2转化利用技术：开发将CO2转化制燃料、化学品、农产品、动物饲料和建筑材料等增值产品的新设备和工艺；
3. CO2运输与封存技术：开发先进安全可靠的CO2运输和封存技术；
4. DAC技术：开发能够提高CO2去除量并提高能效的工艺和捕集材料，包括先进溶剂、低成本耐用膜分离技术和电化学方法等；
5. BECCS：开发微藻的大规模培养、运输和加工技术，并减少对水和土地的需求，以及CO2去除量的监测与核查等。
欧盟及其成员国将CCUS上升到国家战略高度，多个大型基金资助CCUS研发与示范
2024年2月，欧盟委员会通过了《工业碳管理战略》，旨在扩大CCUS部署规模，并实现商业化，提出三大发展阶段：到2030年，每年至少封存5000万吨的CO2，以及建设由管道、船舶、铁路和公路组成的相关运输基础设施；到2040年，大多数地区的碳价值链具有经济可行性，CO2成为欧盟单一市场内封存或利用的可交易商品，所捕集的CO2中有1/3比例可以被利用；2040年后，工业碳管理应成为欧盟经济体系的一个组成部分。
法国于2024年7月发布《法国CCUS部署现状和前景》，提出了三个发展阶段：2025—2030年，部署2—4个CCUS中心，实现每年400万—800万吨CO2的捕集量；2030—2040年，每年实现1200万—2000万吨CO2捕集量；2040—2050年，每年实现3000万—5000万吨CO2捕集量。“地平线欧洲”“创新基金”“连接欧洲设施”等计划为促进CCUS发展提供了资金支持，资助重点包括：先进碳捕集技术（固体吸附剂、陶瓷和聚合物分离膜、钙循环、化学链燃烧等），CO2转化制燃料和化学品、水泥等工业示范，CO2封存场地开发等。
英国以CCUS集群建设方式发展CCUS技术
英国将建设CCUS产业集群作为推动CCUS快速发展和部署的重要手段。英国《净零战略》提出到2030年将投资10亿英镑与工业界合作建设4个CCUS产业集群。2023年12月，英国发布《CCUS：建立竞争性市场愿景》，旨在成为CCUS全球领导者，并提出CCUS三大发展阶段：2030年前，积极创建CCUS市场，到2030年每年捕集2000万—3000万吨CO2当量；2030—2035年积极建立商业竞争市场，实现市场转型；2035—2050年构建自给自足的CCUS市场。
英国CCUS和温室气体去除技术研发重点和创新需求：
1. 推进高效低成本的点源碳捕集技术研发，包括燃烧前捕集的先进重整技术、新型溶剂和吸附工艺的燃烧后捕集、低成本富氧燃烧技术，以及钙循环等其他先进低成本碳捕集技术；
2. 提高效率并减少能源需求的DAC技术；
3. 高效且具有经济性的生物质气化技术研发与示范、生物质供应链优化，以及通过BECCS与燃烧、气化、厌氧消化等其他技术的耦合以促进BECCS在发电、供热、可持续运输燃料或氢气生产领域的应用，同时充分评估这些方法对环境的影响；
4. 高效低成本CO2运输和封存的共享基础设施的建设；
5. 开展地质封存的建模、模拟、评估和监测技术与方法，开发枯竭油气储层封存技术和方法，使海上CO2封存成为可能；
6. 开发CO2转化制长寿命产品、合成燃料和化学品的CO2利用技术。
日本致力于打造具有竞争力的碳循环产业
日本《2050年实现碳中和的绿色增长战略》将碳循环产业列为实现碳中和目标的十四大产业之一，提出CO2转化制燃料和化学品、CO2矿化养护混凝土、高效低成本分离与捕集技术，以及DAC技术是未来的重点任务，并提出了明确发展目标：到2030年，低压CO2捕集的成本为2000日元/吨CO2、高压CO2捕集的成本为1000日元/吨CO2、基于藻类的CO2转化制生物燃料成本为100日元/升；到2050年，直接空气捕集的成本为2000日元/吨CO2、基于人工光合作用的CO2制化学品的成本为100日元/千克。为进一步加速碳循环技术发展并发挥实现碳中和的关键战略作用，日本于2021年修订了《碳循环利用技术路线图》，并陆续发布了“绿色创新基金”框架下的CO2转化利用制塑料、燃料、混凝土，以及CO2生物制造、CO2分离回收等5个专项研发与社会实施计划。这些专项研发计划的重点包括：用于CO2捕集的低能耗创新材料和技术开发与示范；CO2转化制运输用合成燃料、可持续航空燃料、甲烷及绿色液化石油气；CO2转化制聚氨酯、聚碳酸酯等功能性塑料；CO2生物转化利用技术；创新碳负性混凝土材料等。
2 碳捕集、利用与封存领域科技发展态势
全球CCUS技术研发格局
从全球发文趋势来看（图1），自2008年起，CCUS领域发文数量呈现快速增长趋势。2023年的发文量为13089篇，是2008年发文量（1671篇）的7.8倍。从SCI论文的研究主题来看，CCUS研究方向主要以CO2捕集为主，占比为52%，其次是CO2化学与生物利用（36%）、CO2地质利用与封存（10%），CO2输送领域论文占比（2%）较少。
图1 1909-2023年全球碳捕集、利用与封存技术相关论文发文数量及领域占比
CCUS技术研究热点与重要进展
基于近10年CCUS技术主题图谱（图2），共形成了九大关键词聚类，分别分布在：
1. 碳捕集技术领域，包括CO2吸收技术（聚类1）、CO2吸附相关技术（聚类2）、CO2膜分离技术（聚类3）以及化学链燃料（聚类4）；
2. 化学与生物利用技术领域，包括CO2加氢反应（聚类5）、CO2电/光催化还原（聚类6）、与环氧化合物的环加成反应技术（聚类7）；
3. 地质利用与封存（聚类8）；
4. BECCS与DAC等碳去除（聚类9）。
本节重点分析这四大技术领域的研发热点和进展，以期揭示CCUS领域技术布局和发展趋势。
图2 碳捕集、利用与封存技术领域关键词聚类图谱
CO2捕集
如何降低CO2捕集成本和能耗是目前面临的主要科学问题。目前CO2捕集技术正从基于单一胺的化学吸收技术、燃烧前物理吸收技术等第一代碳捕集技术向新型吸收溶剂、吸附技术、膜分离、化学链燃烧、电化学等新一代碳捕集技术过渡。
新型吸附剂、吸收溶剂及膜分离等第二代碳捕集技术是目前研究的重点。吸附剂的研究热点是开发先进结构化吸附剂，如金属有机框架、共价有机框架、掺杂多孔碳、三嗪基骨架材料、纳米多孔碳等。吸收溶剂的研究热点是研制高效绿色、耐用、低成本的溶剂，如离子溶液、胺基吸收剂、乙醇胺、相变溶剂、深共晶溶剂、吸收剂解析与降解等。新型颠覆性的膜分离技术的研究重点是开发高渗透率的膜材料，如混合基质膜、聚合物膜、沸石咪唑骨架材料膜、聚酰胺膜、中空纤维膜、双相膜等。美国能源部指出，从工业源中捕集CO2成本需要降至30美元/吨左右，CCUS才具有商业可行性。化学链燃烧、电化学等第三代碳捕集创新技术开始崭露头角。其中化学链燃烧技术被认为是最具应用前景的碳捕集技术之一，具有高能源转化效率、低CO2捕集成本和污染物协同控制等优点。但化学链燃烧温度高，载氧体高温烧结严重，成为了限制化学链技术发展和应用的瓶颈。目前化学链燃烧的研究热点包括金属氧化物（镍基、铜基、铁基）载氧体、钙基载氧体等。
CO2捕集技术已在多个高排放行业得到应用，但不同行业技术成熟度有所不同。燃煤电厂、天然气电厂、煤气化电厂等能源系统耦合CCUS技术成熟度较高，均达到技术成熟度（TRL 9）级，特别是基于化学溶剂法的碳捕集技术，目前已广泛应用于电力部门的天然气脱硫和燃烧后捕集过程。根据IPCC第六次评估（AR6）第3工作组报告，钢铁、水泥等行业耦合CCUS技术成熟度因工艺不同有所差异。例如，合成气、直接还原铁、电炉耦合CCUS技术的成熟度最高（TRL 9级），目前已可用；而水泥过程加热和CaCO3煅烧耦合CCUS的生产技术成熟度为TRL 5—TRL 7级，预计在2025年可用。因此，目前传统重工业应用CCUS尚存在挑战。
CO2地质利用与封存
CO2地质利用与封存技术不仅能实现CO2大规模减排，并且能够提高石油、天然气等资源开采量。CO2地质利用与封存技术目前研究热点包括CO2强化石油开采、强化气体开采（页岩气、天然气、煤层气等）、CO2采热技术、CO2注入与封存技术及监测等。CO2地质封存的安全性及其泄漏风险是公众对CCUS项目最大的担忧，因此长期可靠的监测手段、CO2-水-岩石相互作用是CO2地质封存技术研究的重点。CO2强化采油已在美国、加拿大等发达国家实现广泛商业化应用。驱替煤层气开采、强化深部咸水开采与封存、强化天然气开发等处于工业示范或试点阶段。
CO2化学与生物利用
由于CO2具有极高的惰性和高C—C耦合壁垒，在CO2利用效率和还原选择性控制上仍具有挑战性，因此目前研究重点集中在如何提高产物的转化效率和选择性上。CO2电催化、光催化、生物转化利用，以及上述技术的耦合是CO2转化利用的关键技术途径，目前研究热点包括基于热化学、电化学、光/光电化学转化机理研究，建立高效催化剂的可控合成方法和构效关系，并通过对不同反应体系中反应器的合理设计和结构优化，增强反应传质过程和减少能量损失，从而提高CO2催化转化效率和选择性。
当前，CO2化学与生物利用大部分处于工业示范阶段，也有一些生物利用处于实验室阶段。其中CO2化学转化制尿素、合成气、甲醇、碳酸酯、可降解聚合物、聚氨酯等技术已处于工业示范阶段。而CO2化学转化制液体燃料、烯烃则处于中试示范阶段。CO2生物转化利用已从生物乙醇简单化学品发展至复杂的生物大分子，如生物柴油、蛋白质、戊酸、虾青素、淀粉、葡萄糖等，其中微藻固定CO2转化制生物燃料和化学品技术、微生物固定CO2合成苹果酸处于工业示范阶段，而其他生物利用则多处于实验阶段。钢渣和磷石膏的CO2矿化技术已接近商业化应用，预制混凝土CO2固化和在混凝土中使用碳化骨料正处于部署的后期阶段。
DAC和BECCS技术
DAC、BECCS等新型碳去除（CDR）技术将在实现碳中和目标后期发挥重要作用。IPCC第六次评估第三工作组报告指出，21世纪中叶后必须高度重视DAC、BECCS等新型碳去除技术，未来10年这些技术的早期发展将对其以后的规模化发展速度和水平至关重要。
DAC目前研究重点包括金属有机框架材料、固态胺、沸石等固态技术，以及碱性氢氧化物溶液、胺溶液等液态技术，新兴技术包括变电吸附和膜法DAC技术。DAC技术面临的最大挑战是能耗较高。直接空气捕集与封存技术成熟度不高，约为TRL 6。虽然技术成熟不高，但DAC规模不断扩大，目前全球已有18个DAC设施正在运行，另有11个处于开发中的设施。若所有这些计划中的项目都得以实施，到2030年，DAC的捕集能力将达到约550万吨CO2，是目前捕集能力的700多倍。
BECCS研究重点主要包括基于生物质燃烧发电的BECCS技术、基于生物质高效转化利用（如乙醇、合成气、生物油等）的BECCS技术等。BECCS大规模部署的主要限制因素是土地和生物资源等，一些BECCS路线已商业化，如第一代生物乙醇生产中的CO2捕集是最成熟的BECCS路线，但大部分仍处于示范或试点阶段，如生物质燃烧厂的CO2捕集处于商业示范阶段，用于合成气应用的生物质大规模气化仍处于试验验证阶段。
3 结语与未来展望
近年来CCUS发展受到了前所未有的重视。从主要国家和地区CCUS发展战略看，推动CCUS发展以助力碳中和目标实现已在全球主要国家达成广泛共识，极大推动了CCUS科技进步和商业部署。虽然全球CCS项目数量再创新高，捕集能力不断提升，但这与国际能源署（IEA）2050年全球能源系统净零排放情景下的减排量仍有较大差距，因此在碳中和背景下，需要进一步加大CCUS商业化进程。这不仅需要加速领域的科技突破，还需要各国不断完善监管、财税等方面的政策措施，以及建立国际通用的新兴CCUS技术的核算方法学。
未来在科技研发方面可考虑分步走的战略。近期可聚焦第二代低成本、低能耗CO2捕集技术研发与示范，实现CO2捕集在碳密集型行业的规模化应用；发展安全可靠的地质利用封存技术、CO2化学与生物利用转化机理研究，以及关键技术研发。中远期可聚焦面向2030年及以后的第三代低成本低能耗CO2捕集技术研发与示范；开发CO2高效定向转化合成化学品、燃料、食品等规模化应用新工艺；积极部署直接空气捕集等碳去除技术研发与示范。
1、CO2捕集领域
研发高吸收性、低污染和低能耗再生溶剂，高吸附容量和高选择性的吸附材料，以及高渗透性和选择性的新型膜分离技术等。此外，增压富氧燃烧、化学链燃烧、钙循环、酶法碳捕集、混合捕集系统、电化学碳捕集等其他创新技术也是未来值得关注的研究方向。
2、CO2地质利用与封存领域
开展强化对CO2封存地球化学-地质力学过程的预测性理解、创建CO2长期安全封存预测模型、CO2—水—岩相互作用、结合人工智能和机器学习的碳封存智能监测系统（IMS）等技术研究。
3、CO2化学与生物利用领域
通过CO2高效活化机理研究，开发高转化率和高选择性的CO2转化利用新型催化剂、温和条件下活化转化途径、多路径耦合的合成转化新途径等技术研究。
秦阿宁 中国科学院文献情报中心助理研究员。主要研究领域：生态文明与绿色低碳科技战略情报研究、文献计量学等。
孙玉玲 中国科学院文献情报中心研究员。主要研究方向：生态文明与绿色低碳科技战略咨询、科技政策、科学计量学等。
文章源自：秦阿宁, 孙玉玲 . 国际碳捕集、利用与封存发展战略与科技态势分析 . 中国科学院院刊, 2024, 39(8): 1486-1496. DOI:
0.16418/j.issn.1000-3045.20230728001
