本文转自《先进能源科技战略情报研究中心》

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日期：2020.05.13

近期，美国国家石油委员会（NPC）发布了受美国能源部委托完成的《迎接双重挑战：碳捕集、利用和封存规模化部署路线图》报告，提出了在25年内实现大规模部署碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的发展路线。报告指出CCUS技术是提供可负担、可靠的能源并同时解决气候变化风险双重挑战的关键技术之一，美国在CCUS领域处于全球领先地位，并具有推动CCUS广泛部署的强大能力，应通过启动、扩张和规模化应用三个阶段实现CCUS在美国的大规模部署。报告提出了未来25年CCUS大规模部署的路线图，以及未来10年的研发资助建议，关键内容如下：

一、CCUS规模化部署路线图

1、启动阶段：未来5-7年

CCUS累计投资达到500亿美元，其中包括20亿美元的基础设施投资，就业岗位达到1万个，CCUS规模由当前的2500万吨/年增至6000万吨/年，捕集、运输和封存的CO₂量相当于美国原油基础设施系统排放量的10%。

2、扩张阶段：未来15年

CCUS累计投资达到1750亿美元，其中包括90亿美元的基础设施投资，就业岗位达到4万个，CCUS规模增至1.5亿吨/年，捕集、运输和封存的CO₂量相当于美国原油基础设施系统排放量的25%。

3、规模化应用阶段：未来25年

CCUS累计投资达到6800亿美元，其中包括280亿美元的基础设施投资，就业岗位达到23万个，CCUS规模增至5亿吨/年，捕集、运输和封存的CO₂量相当于美国原油基础设施系统排放量的75%。

二、研发资助建议

通过持续的技术研发和示范将有可能使CCUS技术成本在未来20年降低10%-30%。为此，美国国家石油委员会建议美国能源部促进公私合作，油气行业也应保持甚至加大对CCUS的高水平资助以开发新技术；并建议国会在未来10年每年拨款15亿美元用作CCUS研发经费，以促进技术开发和示范。路线图提出了如下的研发资助建议：

1、碳捕集技术

建议未来10年内对碳捕集研究、开发与示范（RD＆D）的公共投入约为10亿美元/年，具体包括：（1）每年投入约2.4亿美元用于碳捕集和先进发电循环系统开发的基础科学和应用研究、实验室规模和小型试点项目，其中联邦投入占80%；（2）每年投入约2.4亿美元用于大规模试点项目；（3）每年投入约5亿美元用于支持CCUS示范项目。建议的RD＆D重点包括：

Ÿ改进碳捕集技术以用于燃煤烟气、天然气烟气和工业CO₂排放源；

Ÿ推进开发用于气体分离的溶剂、吸附剂、膜和低温工艺，以及开发新型的具备碳捕集功能的能量循环系统；

Ÿ制定成本和性能基准并进行公开评估；

Ÿ降低碳捕集的总体成本以及资本、运营和维护成本；

Ÿ提升碳捕集系统的运行灵活性以适应加速循环；

Ÿ评估碳捕集技术以确定最具技术性和经济性的选择；

Ÿ探索复合碳捕集系统的应用。

2、碳封存技术

（1）地质封存。建议未来10年内对CO₂地质封存研究与开发的公共投入约4亿美元/年，具体包括：1）1亿美元用于加速CCUS部署的区域计划；2）每年投入1亿美元用于地质封存表征（包括海底封存）；3）每年投入2亿美元用于收集数据和地质样本的实地项目，以促进长期安全封存的基础和应用科学研究。建议的研发重点包括：

Ÿ提高场址表征和封存方法的效率；

Ÿ通过CO₂羽流固定机理研究及加快速度来增加对孔隙空间的利用；

Ÿ改进耦合模型以优化和预测CO₂流动和输运，以及地质力学和地球化学反应；

Ÿ降低监测成本并开发新的监测技术；

Ÿ量化和管理诱发地震的风险；

Ÿ研究采用替代砂岩和碳酸盐岩储层实现年储量百万吨级的可行性，包括超镁铁质岩石（玄武岩）和低渗透性岩石（页岩）；

Ÿ进行社会科学研究，以提高利益相关者的参与度，并向大众通报地质构造中碳封存的需求、机会、风险和利益。

（2）CO₂提高采收率技术。建议未来10年内对CO₂提高采收率（EOR）研发公共投入约1亿美元/年，用于改进CO₂ EOR以促进其有效应用，增强常规残留油区储层中的CO₂封存，并应用于非常规储层以及不可开采的煤炭矿床和玄武岩中。建议重点研究的CO₂ EOR技术包括：1）垂直和水平一致性控制，以最大程度地提高驱油效率；2）先进的非常规储层成分建模技术，以更好地预测和增强性能。

3、碳利用技术

由于许多碳利用技术仍处于较低技术水平，路线图建议未来10年内对CO₂利用技术的公共投入约5000万美元/年，以支持基础科学研究，并建议在其后5年再持续投入1亿美元/年支持试点、示范项目和早期部署。建议的研发重点包括：

（1）热化学转化。继续提高催化材料的选择性、活性和稳定性，包括理论和实验表征。对于已证明在较低温度范围（如373-573K）内具有活性、选择性、耐水性的低成本催化剂，应关注催化剂性能的长期稳定性以及防止失活的解决方案。CO₂转化技术的其他关键挑战是提高对产物的选择性以及催化剂对副产物（如水和原料中的杂质）的稳定性。此外还需进行更多实验室研究和计算研究，以及中试规模的研究和开发。同时，研究开发更有效、更低成本的方法来使用可再生能源电解水制氢，对于短期内提高CO₂加氢转化的环境和经济可行性也极为重要。

（2）电化学和光化学转化。该领域的主要研究包括：开发新型催化剂以提高选择性、活性和稳定性；具有高耐用性和离子电导率的聚合物膜；新型电解池设计和制造。电化学和光化学转化途径面临着相似的挑战，但在光收集、装置设计等方面有所不同。催化剂、膜系统和电解槽的规模扩大，以及高CO₂溶解度的新型电解质开发也是重要的研发领域，后者具有巨大的潜力将CO₂的捕集和转化结合到一个过程中。开发结合电化学和光化学系统以及热化学和生物化学转化途径的复合系统，对于技术的变革发展非常重要。

（3）碳化与水泥。研究应关注如下方面：集成反应路径；化学（配体）和生物催化剂（碳酸酐酶）的使用；有价值产品（碳酸盐）和副产物（金属和稀土元素）的创新分离技术等。此外，还应对各种碳化原料进行建模和实验研究，以及对所生产材料的特性和性能进行测试。在较大规模的研发中，应研究用于过程强化的能源和材料集成。

（4）生物转化。应开发利用自然阳光的藻类技术以小批量生产高价值保健食品，还可将当前正在商业化的人造光生物光反应器技术用于具备可再生能源电力和高效LED光源的系统，以生产营养保健品、蛋白质和化学药品。上述两种途径都应研究光转换效率、选择性以及相关反应器系统，以提高产量和降低成本。气体发酵应关注气相至液相中的有效传质和产物分离，应在实验室规模和试点规模的项目中进行研究。结合不同转化途径的复合系统将是一个重要方向，如通过化学途径将CO₂转化为C1化合物更容易，而通过生物学途径将C1转化至C2+化合物更容易，因此可考虑综合上述两种途径的复合系统。此外，还应研究将波动性可再生能源整合到生物转化系统中。