CCS技術(shù)簡介及其主要封存方式
CCS是指將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)排放源分離輸送至封存地點，將其長期與大氣隔絕的過程。主要包括3個階段和4種路線，3個階段是指二氧化碳的捕集、運輸和封存，4種路線包括CCS的可行性研究、前端工程設(shè)計、示范工程及商業(yè)規(guī)模。封存空間的選擇是CCS大規(guī)模應(yīng)用的前提。根據(jù)國際能源署(International Energy Agency，IEA)發(fā)布的《能源技術(shù)展望2020》報告，在可持續(xù)發(fā)展情景下，二氧化碳捕集量將逐年升高，封存量也隨之升高，預(yù)計到2070年，6.7Gt化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳將被捕集，6.6Gt二氧化碳將被封存于地下，封存比例為98.5%。
適合二氧化碳封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)既存在于陸地，也存在于海底。根據(jù)IPCC發(fā)布的《二氧化碳捕集和封存》特別報告，CCS封存技術(shù)可概括為地質(zhì)封存和海洋封存。二氧化碳海底地質(zhì)封存屬于地質(zhì)封存的類型之一。海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)因遠(yuǎn)離蓄水層，且具有巖石蓋層和表層海水的壓力及阻隔，局部風(fēng)險降低。相較于陸地封存，二氧化碳海底地質(zhì)封存具有封存潛力大、不占用陸地資源、對人類健康和安全影響較小等優(yōu)勢。二氧化碳海底地質(zhì)封存主要有3種方式，第一種方式是在油氣開發(fā)的晚期開展二氧化碳強(qiáng)化采油/二氧化碳驅(qū)油(CO2-enhanced oil recovery，CO2-EOR)，第2種方式是在油氣田枯竭之后開展純粹的二氧化碳封存。這2種方式都要利用油氣開發(fā)后遺留的空間來封存二氧化碳。第3種方式是利用油氣田的設(shè)備將二氧化碳封存到油氣田附近的咸水層中。目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的是利用油氣田開采空間實施封存。
中國發(fā)展二氧化碳海底地質(zhì)封存的主要優(yōu)勢
根據(jù)IEA分析，二氧化碳封存場所的選址可能成為未來推進(jìn)CCS的重要制約因素。從地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、沿海產(chǎn)業(yè)布局等方面看，中國具有顯著的發(fā)展二氧化碳海底地質(zhì)封存的優(yōu)勢。
01近岸海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)適宜大規(guī)模封存
全球陸上二氧化碳理論封存容量為6萬億~42萬億t，海底理論封存容量為2萬億~13萬億t。中國地質(zhì)封存潛力約為1.21萬億~4.13萬億t，封存潛力較大。原國家海洋局于2008年啟動“中國二氧化碳海底封存能力評估與風(fēng)險控制技術(shù)預(yù)研究”公益性項目，對中國近海11個大型沉積盆地封存容量及適宜性進(jìn)行了初步評估，結(jié)果表明，中國近海沉積盆地的封存總?cè)萘考s為2.5萬億t，其中，珠江口盆地、東海陸架盆地、渤海盆地具有良好的封存適宜性。
02重點減排地區(qū)和行業(yè)密集分布在沿海
中國工業(yè)發(fā)達(dá)城市多聚集在東部沿海地區(qū)，根據(jù)中國二氧化碳排放分布情況，東北工業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)、京津冀經(jīng)濟(jì)區(qū)、長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)、珠江三角洲地區(qū)等是二氧化碳排放空間格局的重點地區(qū)，基于重點區(qū)域開展封存工作將大大提升減排效果。封存潛力較大且具有較好封存適宜性的盆地恰好位于這些重點區(qū)域的臨近海域，如南黃海盆地、珠江口盆地、東海陸架盆地、渤海盆地，體現(xiàn)出中國開展二氧化碳海底地質(zhì)封存研究的地理優(yōu)勢。此外，中國沿海地區(qū)碳排放具有高度的產(chǎn)業(yè)集中性，以火力發(fā)電為例，僅沿海市縣火力發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳就約占全國碳排放的10%，利用海底地質(zhì)條件在火電廠加裝CCS設(shè)施可為電力行業(yè)綠色發(fā)展發(fā)揮重要作用。
03海上油氣勘探開發(fā)為封存提供了良好基礎(chǔ)
二氧化碳海底地質(zhì)封存的建設(shè)和運行成本較高，降低成本的一個有效途徑是利用現(xiàn)有的油氣勘探的資料和設(shè)備用于二氧化碳封存的選址和工程設(shè)計。如果將現(xiàn)有的平臺、鉆井、管線等設(shè)備經(jīng)適當(dāng)改造后應(yīng)用于二氧化碳運輸和封存，則離岸封存的基建成本不僅會顯著降低，而且建設(shè)工期也會縮短。因此，開展二氧化碳海底地質(zhì)封存示范工程選擇封存場地時，可優(yōu)先考慮利用現(xiàn)有的油氣田。中國大陸海岸線長度約為1.8萬km，海域總面積約為473萬km2，近海石油地質(zhì)資源和天然氣地質(zhì)資源豐富，近海石油地質(zhì)資源量為1.074×1010t，天然氣地質(zhì)資源量為8.1×1012m3。近岸海域海上開發(fā)及在建的油氣田眾多，截至2013年，中國已投入海上開發(fā)油氣田90個。渤海油田是國家重要的能源基地，現(xiàn)有在生產(chǎn)油氣田42個，可為二氧化碳海底地質(zhì)封存提供大量的場所。
國內(nèi)外二氧化碳海底地質(zhì)封存技術(shù)發(fā)展與實踐
01國外典型案例
挪威、英國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家及地區(qū)已將CCS視為積極應(yīng)對氣候變化的有效措施并開展大量相關(guān)示范工程研究，重點包括場地封存潛力、泄漏情況監(jiān)測、環(huán)境風(fēng)險評估等方面。以下對典型項目從全鏈條工程實踐、安全風(fēng)險評估及跨境運輸3個角度展開分析。
1)全鏈條工程實踐。挪威Sleipner項目與Snohvit工程，日本苫小牧(Tomakomai)CCS示范項目等都屬于全鏈條的二氧化碳海底地質(zhì)封存工程。Sleipner天然氣田工程是世界上首個二氧化碳海底地質(zhì)封存工程，該工程采用近海咸水層封存技術(shù)。自1996年投產(chǎn)以來，該項目年封存量約100萬t二氧化碳，期間，歐盟對該工程進(jìn)行了6次大規(guī)模監(jiān)測，結(jié)果顯示該區(qū)域封存狀態(tài)安全穩(wěn)定。2008年，Snohvit工程投入使用，二氧化碳年封存量約為70萬t。苫小牧CCS示范項目是日本首次進(jìn)行的大規(guī)模二氧化碳捕集、封存、監(jiān)測全鏈條CCS項目，該項目采用“一深一淺”2個離岸儲層進(jìn)行封存，深儲層位于海床以下約2400~3000m處，淺儲層位于海床以下約1000~1200m處。截至2019年底，該項目已按計劃完成注入二氧化碳0.3Mt。
2) 安全風(fēng)險評估。二氧化碳海底地質(zhì)封存存在一定泄漏風(fēng)險，對該技術(shù)開展環(huán)境與安全風(fēng)險評估至關(guān)重要。歐盟ECO2項目(EU project ECO2)及STEMM-CCS項目(Strategies for Environmental Monitoring of Marine Carbon Capture and Storage)是2個重點關(guān)注封存場地環(huán)境狀況監(jiān)測及安全風(fēng)險評估的工程。歐盟于2010年啟動ECO2項目，對二氧化碳海底地質(zhì)封存進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險評估，分析二氧化碳海底地質(zhì)封存泄漏的可能性及對海洋生態(tài)環(huán)境造成的潛在影響。該項目提出了生態(tài)或生物重要海洋區(qū)域(Ecologically or Biologically Significant Marine Areas，EBSA)以分析研究區(qū)域的海洋資源，評估具有豐富資源場地的環(huán)境價值，識別目標(biāo)儲層的潛在泄漏特征，并估算發(fā)生泄漏時受影響海床的范圍。STEMM-CCS項目由英國國家海洋學(xué)中心牽頭開展，該項目在北海中部進(jìn)行了一項人為二氧化碳釋放實驗，模擬封存過程中可能出現(xiàn)的意外泄漏情況，旨在檢測、表征并量化二氧化碳海底地質(zhì)封存的泄漏行為。
3)跨境運輸。北極光項目(Northern Light)是全球第1個允許跨境運輸二氧化碳并實施海底地質(zhì)封存的項目。2021年3月，挪威政府正式批準(zhǔn)由挪威國家石油公司、荷蘭皇家殼牌集團(tuán)和道達(dá)爾公司開發(fā)北極光CCS項目，該項目是挪威開展的第3個二氧化碳離岸封存CCS項目。項目捕集的二氧化碳經(jīng)壓縮后將跨境運送至位于北海的封存場地，注入并封存在北海海床以下2600m處。預(yù)計從2024年起，北極光項目每年能夠處理和封存150萬t二氧化碳，后期將達(dá)到500萬t。
02中國工程實踐
近年來，中國在CCS的技術(shù)研發(fā)及工程實踐方面取得了一定的進(jìn)展，中國華能集團(tuán)有限公司、中國石油天然氣集團(tuán)有限公司、中國神華能源股份有限公司、綠色煤電有限公司、新奧集團(tuán)股份有限公司等都已著手開展CCS項目研究和產(chǎn)業(yè)化。其中，華能上海石洞口第二電廠于2009年建成投產(chǎn)，是目前世界最大的燃燒后二氧化碳捕集示范工程。中國神華CCS示范工程于2011年5月在鄂爾多斯盆地北部啟動試驗，該工程是中國首個深部咸水層地質(zhì)封存項目，涵蓋CCS全流程技術(shù)體系。為響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)，中國海洋石油集團(tuán)有限公司于2021年8月宣布在南海珠江口盆地開展恩平15-1油田群二氧化碳封存項目，該項目于2023年6月正式投入使用，是恩平15-1油田群開發(fā)的環(huán)保配套項目，預(yù)計二氧化碳年封存量可達(dá)約30萬t，累計可封存二氧化碳約150萬t以上。
國際公約及部分國家管理情況
01已納入國際公約管轄范疇
《聯(lián)合國氣候變化框架公約》及《京都議定書》中明確要求加快控制二氧化碳排放，加強(qiáng)二氧化碳封存技術(shù)研究。《東北大西洋海洋環(huán)境保護(hù)公約》(OSPAR公約)修正案允許將二氧化碳注入海床以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。1972年《防止傾倒廢物及其他物質(zhì)污染海洋的公約》(《倫敦公約》)及《〈倫敦公約〉1996年議定書》(《96議定書》)是防止廢物傾倒污染海洋環(huán)境的國際專項公約，2006年11月，《96議定》書附件1修訂決議“將用于海底地質(zhì)封存的二氧化碳流列入了可考慮海洋傾倒的物質(zhì)清單”，要求必須同時符合以下條件時可考慮傾倒：(1)二氧化碳只能被封存在海底地質(zhì)構(gòu)造中;(2)被考慮傾倒物中包含絕對數(shù)量的二氧化碳，其中可含有原始材料伴生的和捕集及封存過程中使用的其他物質(zhì);(3)不得以處置為目的將其他物質(zhì)摻入其中。中國是《倫敦公約》及其《96議定書》的雙締約國，公約相關(guān)要求為中國二氧化碳海底地質(zhì)封存提供了管理方面的借鑒。
02部分發(fā)達(dá)國家已建立專項制度
截至2021年7月，全球約有83%的國家將CCS納入國家長期低碳排放和發(fā)展戰(zhàn)略。歐盟委員會于2008年1月發(fā)布二氧化碳封存指令草案，對封存選址、工程項目全流程操作(運行階段—工程關(guān)閉—關(guān)閉后階段)提出要求。英國發(fā)布《2008年能源法案》對二氧化碳封存提出相關(guān)規(guī)定。日本于2007年頒布《海洋污染與海災(zāi)防治法》，將二氧化碳注入地下咸水層這一活動合法化，并對CCS活動制訂嚴(yán)格要求。澳大利亞修訂了《2006年近海石油和溫室氣體儲存法案》以允許近海水域的CCS活動。發(fā)達(dá)國家主要從許可審批(以簽發(fā)許可證的形式嚴(yán)格管控地質(zhì)封存選址及封存活動)、環(huán)境影響評價、環(huán)境監(jiān)測(監(jiān)測封存場地在封存活動各個階段的環(huán)境狀況)，以及應(yīng)急事故補(bǔ)救措施這4個方面制訂CCS的管理制度。二氧化碳海底地質(zhì)封存屬于CCS領(lǐng)域，可參考相關(guān)管理制度。
發(fā)展定位
01國家頂層設(shè)計
習(xí)近平總書記高度重視二氧化碳地質(zhì)封存，曾赴東營市萊州灣勝利油田萊113區(qū)塊考察，了解二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)研發(fā)應(yīng)用情況。目前國內(nèi)CCS發(fā)展思路和定位已明確，《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》在推動能源體系綠色低碳轉(zhuǎn)型方面已明確提出“開展二氧化碳捕集、利用和封存試驗示范”?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中要求“推進(jìn)規(guī)?；疾都门c封存技術(shù)研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，加大“對碳捕集利用與封存等項目的支持力度”，明確了中國二氧化碳海底地質(zhì)封存的發(fā)展戰(zhàn)略地位。
此外，CCS相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指南正在逐步建立。2016年原環(huán)境保護(hù)部頒布實施《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)指南(試行)》，明確了陸上CCS項目的環(huán)境風(fēng)險評估技術(shù)路線。2022年中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會發(fā)布了《二氧化碳捕集利用與封存術(shù)語》(T/CSES 41—2021)，用于規(guī)范CCS技術(shù)相關(guān)的術(shù)語定義。已發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與指南的適用范圍多為陸上封存，國內(nèi)關(guān)于二氧化碳海底地質(zhì)封存技術(shù)方面的指南或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有待進(jìn)一步研究和確立。
02地方發(fā)展規(guī)劃
自“十四五”規(guī)劃發(fā)布以來，部分省、自治區(qū)或直轄市陸續(xù)發(fā)布的規(guī)劃綱要及2035遠(yuǎn)景目標(biāo)、“雙碳”目標(biāo)行動方案文件中明確要求探索推進(jìn)二氧化碳捕集與封存技術(shù)研究(表1)。其中，浙江省率先出臺《浙江省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新行動方案》，方案中明確要求“在沿海地區(qū)開展二氧化碳源匯匹配研究，進(jìn)行二氧化碳離岸封存工程示范”。CCS及二氧化碳海底地質(zhì)封存技術(shù)對于沿海省份實現(xiàn)碳中和目標(biāo)可起到重要作用。
表1 部分省、自治區(qū)或直轄市發(fā)布的涉及碳封存的相關(guān)文件及任務(wù)
03重點行業(yè)減排
CCS技術(shù)作為降碳減排的重要技術(shù)手段，能夠促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的同時履行減排義務(wù)。電力、鋼鐵、水泥、交通等行業(yè)二氧化碳排放貢獻(xiàn)率較高，屬于碳排放重點行業(yè)。電力行業(yè)方面，煤電產(chǎn)業(yè)結(jié)合CCS和生物質(zhì)二氧化碳捕集與封存技術(shù)(bioenergy with carbon capture and storage，BECCS)可實現(xiàn)累計貢獻(xiàn)減排量的25%~39%。鋼鐵行業(yè)對中國二氧化碳排放量的貢獻(xiàn)約為13%~15%，CO2-EOR及二氧化碳強(qiáng)化采煤層氣(CO2-enhanced coal bed methane recovery，CO2-ECBM)是中國鋼鐵行業(yè)碳捕集技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動力。此外，石油領(lǐng)域由于其行業(yè)相關(guān)性，油氣開發(fā)過程中各個階段的技術(shù)工作都與CCS相契合。海上石油勘探開發(fā)及油氣運輸是推行二氧化碳海底地質(zhì)封存技術(shù)研究的重要切入口。為落實“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)部署，將技術(shù)發(fā)展及重點工程建設(shè)與CCS相結(jié)合至關(guān)重要。
挑戰(zhàn)與對策
許多國家和地區(qū)已針對二氧化碳海底地質(zhì)封存出臺法案，制訂專項管理制度，對封存活動提出明確要求，并開展大量工程實踐研究工作。中國關(guān)于二氧化碳海底地質(zhì)封存活動的專項制度還有待建立，工程實踐的開展也處于起步階段。推動中國二氧化碳海底地質(zhì)封存發(fā)展需立足中國國情和優(yōu)勢，從頂層戰(zhàn)略、行動方案和研發(fā)實踐等不同層面做好相關(guān)工作。
01制定基于中國優(yōu)勢的發(fā)展路徑
碳中和目標(biāo)確立以來，中國二氧化碳海底地質(zhì)封存的發(fā)展戰(zhàn)略逐漸清晰。中國近海沉積盆地封存潛力較大，基于中國近岸排放源密集分布與潛力較大的封存位置的高度匹配性，明確電力、鋼鐵、石油等重點排放行業(yè)不同發(fā)展情景下的減排需求，根據(jù)減排需求制定二氧化碳海底地質(zhì)封存發(fā)展規(guī)劃和實施路徑，協(xié)同推進(jìn)二氧化碳海底地質(zhì)封存技術(shù)與重點行業(yè)創(chuàng)新技術(shù)耦合，逐步提高二氧化碳海底地質(zhì)封存的減排規(guī)模。
02充分利用現(xiàn)有條件推動試點
二氧化碳海底封存的基建成本高、工期長，可充分利用現(xiàn)有的油氣勘探資料和設(shè)備，降低選址、工程設(shè)計、設(shè)備投入等成本，提高實施效率。借鑒國外已開展的二氧化碳海底地質(zhì)封存工程實踐情況，盡快推動開展海上封存試點工作，識別和解決實際運營中的技術(shù)難題，協(xié)同推動出臺封存區(qū)域選劃、監(jiān)測、環(huán)境影響評價、應(yīng)急處置等配套技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系。
03制定專項政策和管理體系
海上工程的技術(shù)要求和實施難度較陸地更高，目前沒有實踐證明海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)儲存二氧化碳的穩(wěn)定性和安全性。因此，在發(fā)展路徑明確的前提下，應(yīng)盡快建立二氧化碳海底地質(zhì)封存監(jiān)管體系，分析與現(xiàn)行政策和法律體制的兼容性，制定配套的專項管理制度與保障措施。做好與國際公約中關(guān)于二氧化碳海底地質(zhì)封存管理要求的銜接，為主管部門實施行業(yè)監(jiān)管，推動國際履約提供政策基礎(chǔ)。
04推動納入碳排放交易體系
二氧化碳捕集和運輸過程的成本較高，預(yù)計到2030年，二氧化碳捕集、運輸及封存成本可達(dá)90~390元/t、0.7元(/t·km)及40~50元/t，二氧化碳捕集能耗占減排成本的70%。目前中國已開展的CCS項目大多為企業(yè)自主投入，輔以政府投資或補(bǔ)貼，總體規(guī)模較小。國內(nèi)也沒有出臺碳稅等鼓勵企業(yè)實施的政策，距離打通融資渠道，通過技術(shù)的市場化產(chǎn)業(yè)化運行實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)還有一定距離。如果考慮將二氧化碳海底地質(zhì)封存相關(guān)行業(yè)(如海上油氣/天然氣開采、海底管道運輸?shù)?納入中國碳排放交易市場，確定海洋領(lǐng)域碳排放配額，再加上有效控制封存成本，這樣長遠(yuǎn)部署能夠大大提高實現(xiàn)二氧化碳海底地質(zhì)封存的可行性。
本文作者： 宋爽、韓建波、陳虹、楊文超
作者簡介： 宋爽，國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，初級工程師，研究方向為海洋傾廢技術(shù);楊文超(通信作者)，國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，副研究員，研究方向為海洋傾廢管理技術(shù)。
