解读姜培学院士PPT：二氧化碳地质封存与利用技术现状与展望

一、CCUS是双碳目标的托底技术

课件开篇引用了习近平总书记关于双碳目标的重要论述，明确2030年碳达峰、2060年碳中和是中国政府的国际承诺。课件指出，我国是能源消费大国，2020年煤炭消费39.7亿吨，占比56.8%，煤炭为基础能源的现实短期难以改变。2020年我国CO₂排放总量约105亿吨，燃煤电厂排放占38%，是最大的固定排放源。因此，课件判断中国减排问题实质是煤基高碳能源的低碳利用问题。

在此背景下，课件将CCUS定位为“双碳”目标的托底性技术。要实现清洁、低碳、安全、高效的煤炭利用革命，急需发展低能耗碳捕集利用和封存技术。课件还展示了面向双碳目标构建清洁低碳高效能源体系的路径，包括节能优先、提高终端能源消费电力占比、发展低碳零碳能源、化石能源低碳利用以及负排放技术等多个方向。

二、CCUS技术体系与战略规划进展

课件清晰界定了CCUS的定义：将CO₂从能源利用、工业过程等排放源或空气中捕集分离，通过罐车、管道、船舶等输送到适宜场地加以利用或封存，最终实现CO₂减排。根据排放源不同，课件区分了三类技术体系：化石能源+CCUS（FECCS）、生物质+CCUS（BECCS）以及直接空气捕集（DACCS）。

在政策层面，课件梳理了CCUS纳入宏观战略与规划的进展。国家“十四五”规划首次提出“实施碳捕集利用与封存等重大项目示范”，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》等文件也明确了相关部署。多数省区出台了涉及CCUS技术研发或示范应用的政策。

投融资方面也有新动力。2021年11月，中国人民银行创设推出碳减排支持工具，支持碳捕集利用与封存发展。2021年12月，生态环境部等九部门组织编制《气候投融资试点工作方案》，支持开展CCUS试点示范。2021年4月发布的《绿色债券支持目录（2021年版）》自2021年7月1日起，将二氧化碳捕集利用与封存工程建设和运营列入绿色债券支持项目。

三、国内外地质封存示范项目现状

课件系统梳理了国外商业化项目：挪威Sleipner项目1996年启动，是全球第一个咸水层项目，注入率100万吨/年，规划封存量2000万吨；挪威Snohvit项目2008年启动，注入率70万吨/年；阿尔及利亚In Salah项目2004年启动，注入率130万吨/年；加拿大Quest项目2015年启动，注入率100万吨/年；美国Illinois Industrial项目2017年启动，注入率100万吨/年；澳大利亚Gorgon项目2014年启动，注入率300万吨/年，规划封存量12900万吨。课件总结，国外CO₂深部咸水层封存启动早，封存量逐渐达到商业化规模。

国内方面，2011年5月至2015年6月，国家能源集团在鄂尔多斯盆地开展了注入量为10万吨/年的全流程CCS示范项目，深度1690~2500米，累计封存仅30万吨。课件指出，国内唯一的CO₂深部咸水层封存项目注入量小，封存规模属于示范阶段。

在示范项目规模和领域方面，课件列举了多个突破：中石化齐鲁石化-胜利油田CCUS项目是我国首个百万吨级全流程CCUS项目；2021年8月，中国海油正式启动首个海上二氧化碳封存示范工程，目标是在南海珠江口盆地海底储层中永久封存二氧化碳超146万吨。中国石油集团启动松辽盆地300万吨CCUS重大示范工程，在大庆、吉林、长庆、新疆四个油田重点开展“四大工程示范”。广汇能源规划建设300万吨/年二氧化碳捕集、管输及驱油一体化项目。

四、重点行业示范与油田实践

课件按行业梳理了CCUS应用示范。电力行业中，国家能源集团国能锦界电厂是国内最大规模燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集与驱油封存全流程示范项目；国家能源集团国电电力大同公司建设了国内首套煤电二氧化碳化学链矿化利用工程。钢铁行业中，包头钢铁集团建设了全球首台套固废与二氧化碳矿化综合利用项目；中国宝武钢铁集团、鞍山钢铁集团率先发布碳中和方案和低碳路线图。水泥行业中，北京金隅集团建设了全球水泥行业规模最大的CCUS示范线项目。化工行业中，浙能集团浙江兰溪项目是国内首个煤电二氧化碳捕集与矿化利用全流程耦合示范项目；山西金岩工业集团开展了焦化行业CCUS示范工程。此外，中国科学院天津工业生物技术研究所首次在实验室实现二氧化碳气体转化为淀粉的人工合成技术。

在致密油开发方面，课件介绍了苏北盆地华东油区致密油CO₂驱试验。该区域致密油藏资源量预测4000万吨左右，已探明储量1385万吨。选取金湖凹陷金南油田Ⅰ断块（地质储量61.4万吨，渗透率0.88毫达西）和海安凹陷张家垛油田张1-2断块（地质储量47万吨，渗透率0.51毫达西）开展注CO₂开发先导试验。课件指出，所选取的致密油藏渗透率均小于1毫达西。

五、地质封存的关键科学问题与研究挑战

课件提出了CO₂地质封存技术需要回答的三个核心问题：“能注吗？”“安全吗？”“存多少？”在可注入性方面，研究明晰了盐析影响CO₂注入的原因并提出解决方案，发现疏水条件下液膜长度为0，盐在注入井中析出很少，大部分盐浓缩在多孔中以晶体形式析出，渗透率只减小到原来的0.971倍。在长期安全性方面，相关成果发表在化学领域顶级期刊Accounts of Chemical Research上，评估了CO₂封存的长期安全性和场地堵塞风险。

课件还指出了我国碳封存面临的挑战：碳封存潜力方面，全国封存潜力尚不清楚，缺乏地质选址的标准体系；长期安全性方面，封存监测技术不够系统，模拟软件技术受国外垄断；经济可行性方面，注入工艺技术不够完善，缺乏封存的快速决策方法。

研究平台方面，清华大学建设了多尺度基础研究实验平台，包括孔隙尺度和岩心尺度在线热质输运实验平台；在数值模拟方面，利用分子动力学模拟重构页岩有机/无机纳米孔隙，提出了利用第一性原理重构页岩有机化学模型方法，建立了储层条件下从头算的多尺度热质输运模拟方法。

六、热泵供热：清洁低碳供热的有效路径

课件第三部分转向热泵供热技术。研究背景显示，我国发电和供热行业的碳排放占总碳排放的51%，供热和空调能耗占建筑能耗的65%。课件指出，中国能源消耗总量逐年攀升，建筑能耗占比日趋增大。

热泵被定义为连接电和热的桥梁，通过电能提升可再生热能和余热的品位，实现零碳清洁供热。课件强调，热泵可高效利用中低温热能，是实现供热电气化、支撑能源工业碳中和的重要保障，是实现建筑碳中和的最有效方式。

从发展现状看，中国热泵产品年产量大致占到全球的60%。但热泵在供热领域中占比小于7%，未来发展前景广阔。在供热结构中，燃煤热电联产占45%，燃煤锅炉集中供热占27%，燃气供暖占20%，电供暖占4%，可再生能源供暖占3%，工业余热供暖占1%。

减碳效益方面，课件分析指出：当热泵在工业供热中普及至100%时，相对于现阶段减碳89%；热泵的碳排放强度随电力排放因子的下降而不断下降，直至趋于0。

七、跨临界CO₂热泵技术与应用展望

课件重点介绍了自然工质CO₂热泵。目前绝大多数热泵工质仍属温室气体，其GWP远大于1。课件指出，我国由于热泵工质泄露导致的温室气体排放相当于建筑运行碳排放的1/3。CO₂是天然存在的制冷剂，不可燃、无毒、容易获得，具有优异的热物理性质。

在性能方面，跨临界CO₂热泵表现突出：名义工况下（环温7℃，进出水温9/55℃），机组COP达到3.4，高于国标10%；在-20℃低温环境下可稳定运行，COP高于JBT12841-2016低环境温度空气源热泵热水机标准14%；可生产95℃高温热水。采用喷射器替代传统节流装置后，喷射增强跨临界CO₂热泵能效比提高10~17%。

应用方面，课件介绍研制了30/300kW空气源跨临界CO₂热泵，优化了基于最优压的自动控制算法，完成了跨临界CO₂热泵原油加热系统在油田现场的应用，成果被《中国石化报》报道。研制了三套跨临界CO₂热泵系统，应用在新疆某油田的输油管线加热。

展望未来，课件判断热泵的发展方向是高温、大容量、智能化，可再生电力+热泵将成为碳中和供热制冷的首要手段。

这组数据勾勒出中国碳排放与碳封存需求的基本盘。2020年煤炭消费39.7亿吨，占比56.8%，CO₂排放总量约105亿吨，其中燃煤电厂排放占38%。这些数字说明，煤炭在能源结构中的主导地位和燃煤电厂的集中排放特征，决定了CCUS技术在中国减排路径中的关键地位。 展望未来，课件预期我国2030年碳排放量降至70~80亿吨/年，封存量2.3亿吨/年；2060年碳排放量降至15~20亿吨/年，封存量达14亿吨/年。从2030年到2060年，封存量需求从2.3亿吨增长到14亿吨，增幅超过5倍。这意味着深部咸水层封存技术必须从当前的示范阶段加速走向规模化商业应用。

这组数据聚焦深部咸水层封存的资源潜力和国内示范项目规模。课件引用21世纪议程管理中心（2021）的预测，全球深部咸水层封存为主导，封存容量占比约98%，中国深部咸水层的封存容量约2.42万亿吨，是主要的地质封存类型。深部咸水层的CO₂以超临界状态存在，具有密度大、粘度低、扩散系数大的特点，传质性能极强，有利于封存。 国内示范项目方面，国家能源集团在鄂尔多斯盆地的全流程CCS示范项目注入量10万吨/年，累计封存仅30万吨，属于示范阶段。中石化齐鲁石化-胜利油田CCUS项目是我国首个百万吨级全流程CCUS项目，中国海油首个海上二氧化碳封存示范工程目标是在南海珠江口盆地海底储层中永久封存二氧化碳超146万吨。从10万吨级到百万吨级，国内CCUS正加速迈向规模化。

这组数据揭示了热泵技术在供热领域的发展空间和减碳潜力。我国发电和供热行业的碳排放占总碳排放的51%，供热和空调能耗占建筑能耗的65%，这两个数字说明供热领域的低碳转型直接关系到双碳目标的实现。 从产业结构看，中国热泵产品年产量大致占到全球的60%，产业基础雄厚；但热泵在供热领域中占比小于7%，替代空间巨大。从减碳效益看，当热泵在工业供热中普及至100%时，相对于现阶段减碳89%，且热泵的碳排放强度随电力排放因子的下降而不断下降，直至趋于0。 技术性能方面，跨临界CO₂热泵名义工况下机组COP达到3.4，高于国标10%；采用喷射器替代传统的节流装置后，能效比提高10~17%。这些指标表明，CO₂热泵在能效和减碳两个维度上都具备大规模推广的技术基础。