CCS技術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)模應用的前提。根據(jù)國際能源署(International Energy Agency，IEA)發(fā)布的《能源技術展望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結構既存在于陸地，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封存技術可概括為地質封存和海洋封存。二氧化碳海底地質封存屬于地質封存的類型之一。海底地質結構因遠離蓄水層，且具有巖石蓋層和表層海水的壓力及阻隔，局部風險降低。相較于陸地封存，二氧化碳海底地質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化采油/二氧化碳驅油(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備將二氧化碳封存到油氣田附近的咸水層中。目前國內外應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CCS的重要制約因素。從地質結構特點、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封存的優(yōu)勢。
01近岸海底地質結構適宜大規(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險控制技術預研究”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行了初步評估，結果表明，中國近海沉積盆地的封存總容量約為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)濟區(qū)、京津冀經(jīng)濟區(qū)、長江三角洲經(jīng)濟區(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%，利用海底地質條件在火電廠加裝CCS設施可為電力行業(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
二氧化碳海底地質封存的建設和運行成本較高，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備用于二氧化碳封存的選址和工程設計。如果將現(xiàn)有的平臺、鉆井、管線等設備經(jīng)適當改造后應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，而且建設工期也會縮短。因此，開展二氧化碳海底地質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，近海石油地質資源和天然氣地質資源豐富，近海石油地質資源量為1.074×1010t，天然氣地質資源量為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封存提供大量的場所。
國內外二氧化碳海底地質封存技術發(fā)展與實踐
01國外典型案例
挪威、英國、日本、歐盟等發(fā)達國家及地區(qū)已將CCS視為積極應對氣候變化的有效措施并開展大量相關示范工程研究，重點包括場地封存潛力、泄漏情況監(jiān)測、環(huán)境風險評估等方面。以下對典型項目從全鏈條工程實踐、安全風險評估及跨境運輸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封存工程，該工程采用近海咸水層封存技術。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，歐盟對該工程進行了6次大規(guī)模監(jiān)測，結果顯示該區(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) 安全風險評估。二氧化碳海底地質封存存在一定泄漏風險，對該技術開展環(huán)境與安全風險評估至關重要。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個重點關注封存場地環(huán)境狀況監(jiān)測及安全風險評估的工程。歐盟于2010年啟動ECO2項目，對二氧化碳海底地質封存進行環(huán)境風險評估，分析二氧化碳海底地質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中心牽頭開展，該項目在北海中部進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封存的項目。2021年3月，挪威政府正式批準由挪威國家石油公司、荷蘭皇家殼牌集團和道達爾公司開發(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，后期將達到500萬t。
02中國工程實踐
近年來，中國在CCS的技術研發(fā)及工程實踐方面取得了一定的進展，中國華能集團有限公司、中國石油天然氣集團有限公司、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封存項目，涵蓋CCS全流程技術體系。為響應國家“雙碳”目標，中國海洋石油集團有限公司于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，預計二氧化碳年封存量可達約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，加強二氧化碳封存技術研究。《東北大西洋海洋環(huán)境保護公約》(OSPAR公約)修正案允許將二氧化碳注入海床以下的地質結構。1972年《防止傾倒廢物及其他物質污染海洋的公約》(《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“將用于海底地質封存的二氧化碳流列入了可考慮海洋傾倒的物質清單”，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構造中;(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;(3)不得以處置為目的將其他物質摻入其中。中國是《倫敦公約》及其《96議定書》的雙締約國，公約相關要求為中國二氧化碳海底地質封存提供了管理方面的借鑒。
02部分發(fā)達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—工程關閉—關閉后階段)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規(guī)定。日本于2007年頒布《海洋污染與海災防治法》，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)達國家主要從許可審批(以簽發(fā)許可證的形式嚴格管控地質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)，以及應急事故補救措施這4個方面制訂CCS的管理制度。二氧化碳海底地質封存屬于CCS領域，可參考相關管理制度。
發(fā)展定位
01國家頂層設計
習近平總書記高度重視二氧化碳地質封存，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、利用與封存技術研發(fā)應用情況。目前國內CCS發(fā)展思路和定位已明確，《國務院關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》在推動能源體系綠色低碳轉型方面已明確提出“開展二氧化碳捕集、利用和封存試驗示范”?！吨泄仓醒雵鴦赵宏P于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》中要求“推進規(guī)模化碳捕集利用與封存技術研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化應用”，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封存的發(fā)展戰(zhàn)略地位。
此外，CCS相關技術標準和指南正在逐步建立。2016年原環(huán)境保護部頒布實施《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風險評估技術指南(試行)》，明確了陸上CCS項目的環(huán)境風險評估技術路線。2022年中國環(huán)境科學學會發(fā)布了《二氧化碳捕集利用與封存術語》(T/CSES 41—2021)，用于規(guī)范CCS技術相關的術語定義。已發(fā)布的技術標準與指南的適用范圍多為陸上封存，國內關于二氧化碳海底地質封存技術方面的指南或標準規(guī)范有待進一步研究和確立。
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遠景目標、“雙碳”目標行動方案文件中明確要求探索推進二氧化碳捕集與封存技術研究(表1)。其中，浙江省率先出臺《浙江省碳達峰碳中和科技創(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，進行二氧化碳離岸封存工程示范”。CCS及二氧化碳海底地質封存技術對于沿海省份實現(xiàn)碳中和目標可起到重要作用。
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文件及任務
03重點行業(yè)減排
CCS技術作為降碳減排的重要技術手段，能夠促進相關產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新發(fā)展的同時履行減排義務。電力、鋼鐵、水泥、交通等行業(yè)二氧化碳排放貢獻率較高，屬于碳排放重點行業(yè)。電力行業(yè)方面，煤電產(chǎn)業(yè)結合CCS和生物質二氧化碳捕集與封存技術(bioenergy with carbon capture and storage，BECCS)可實現(xiàn)累計貢獻減排量的25%~39%。鋼鐵行業(yè)對中國二氧化碳排放量的貢獻約為13%~15%，CO2-EOR及二氧化碳強化采煤層氣(CO2-enhanced coal bed methane recovery，CO2-ECBM)是中國鋼鐵行業(yè)碳捕集技術發(fā)展的重要驅動力。此外，石油領域由于其行業(yè)相關性，油氣開發(fā)過程中各個階段的技術工作都與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封存技術研究的重要切入口。為落實“雙碳”戰(zhàn)略目標部署，將技術發(fā)展及重點工程建設與CCS相結合至關重要。
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。中國關于二氧化碳海底地質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工作。
01制定基于中國優(yōu)勢的發(fā)展路徑
碳中和目標確立以來，中國二氧化碳海底地質封存的發(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封存發(fā)展規(guī)劃和實施路徑，協(xié)同推進二氧化碳海底地質封存技術與重點行業(yè)創(chuàng)新技術耦合，逐步提高二氧化碳海底地質封存的減排規(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備，降低選址、工程設計、設備投入等成本，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、應急處置等配套技術和標準體系。
03制定專項政策和管理體系
海上工程的技術要求和實施難度較陸地更高，目前沒有實踐證明海底地質結構儲存二氧化碳的穩(wěn)定性和安全性。因此，在發(fā)展路徑明確的前提下，應盡快建立二氧化碳海底地質封存監(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于二氧化碳海底地質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。
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，預計到2030年，二氧化碳捕集、運輸及封存成本可達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，輔以政府投資或補貼，總體規(guī)模較小。國內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，通過技術的市場化產(chǎn)業(yè)化運行實現(xiàn)規(guī)模效應還有一定距離。如果考慮將二氧化碳海底地質封存相關行業(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，確定海洋領域碳排放配額，再加上有效控制封存成本，這樣長遠部署能夠大大提高實現(xiàn)二氧化碳海底地質封存的可行性。
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;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。
