近期，美國國家石油委員會（NPC）發布了受美國能源部委托完成的《迎接雙重挑戰：碳捕集、利用和封存規?；渴鹇肪€圖》報告，提出了在25年內實現大規模部署碳捕集、利用與封存（CCUS）技術的發展路線。報告指出CCUS技術是提供可負擔、可靠的能源并同時解決氣候變化風險雙重挑戰的關鍵技術之一，美國在CCUS領域處于全球領先地位，并具有推動CCUS廣泛部署的強大能力，應通過啟動、擴張和規模化應用三個階段實現CCUS在美國的大規模部署。報告提出了未來25年CCUS大規模部署的路線圖，以及未來10年的研發資助建議，關鍵內容如下：

 

1、啟動階段：未來5-7年

 

CCUS累計投資達到500億美元，其中包括20億美元的基礎設施投資，就業崗位達到1萬個，CCUS規模由當前的2500萬噸/年增至6000萬噸/年，捕集、運輸和封存的CO2量相當于美國原油基礎設施系統排放量的10%。

 

2、擴張階段：未來15年

 

CCUS累計投資達到1750億美元，其中包括90億美元的基礎設施投資，就業崗位達到4萬個，CCUS規模增至1.5億噸/年，捕集、運輸和封存的CO2量相當于美國原油基礎設施系統排放量的25%。

 

3、規?；瘧秒A段：未來25年

 

CCUS累計投資達到6800億美元，其中包括280億美元的基礎設施投資，就業崗位達到23萬個，CCUS規模增至5億噸/年，捕集、運輸和封存的CO2量相當于美國原油基礎設施系統排放量的75%。

 

通過持續的技術研發和示范將有可能使CCUS技術成本在未來20年降低10%-30%。為此，美國國家石油委員會建議美國能源部促進公私合作，油氣行業也應保持甚至加大對CCUS的高水平資助以開發新技術；并建議國會在未來10年每年撥款15億美元用作CCUS研發經費，以促進技術開發和示范。路線圖提出了如下的研發資助建議：

 

1、碳捕集技術

 

建議未來10年內對碳捕集研究、開發與示范（RD＆D）的公共投入約為10億美元/年，具體包括：（1）每年投入約2.4億美元用于碳捕集和先進發電循環系統開發的基礎科學和應用研究、實驗室規模和小型試點項目，其中聯邦投入占80%；（2）每年投入約2.4億美元用于大規模試點項目；（3）每年投入約5億美元用于支持CCUS示范項目。建議的RD＆D重點包括：

 

改進碳捕集技術以用于燃煤煙氣、天然氣煙氣和工業CO2排放源；

推進開發用于氣體分離的溶劑、吸附劑、膜和低溫工藝，以及開發新型的具備碳捕集功能的能量循環系統；

制定成本和性能基準并進行公開評估；

降低碳捕集的總體成本以及資本、運營和維護成本；

提升碳捕集系統的運行靈活性以適應加速循環；

評估碳捕集技術以確定最具技術性和經濟性的選擇；

探索復合碳捕集系統的應用。

 

2、碳封存技術

 

（1）地質封存。建議未來10年內對CO2地質封存研究與開發的公共投入約4億美元/年，具體包括：1）1億美元用于加速CCUS部署的區域計劃；2）每年投入1億美元用于地質封存表征（包括海底封存）；3）每年投入2億美元用于收集數據和地質樣本的實地項目，以促進長期安全封存的基礎和應用科學研究。建議的研發重點包括：

 

提高場址表征和封存方法的效率；

通過CO2羽流固定機理研究及加快速度來增加對孔隙空間的利用；

改進耦合模型以優化和預測CO2流動和輸運，以及地質力學和地球化學反應；

降低監測成本并開發新的監測技術；

量化和管理誘發地震的風險；

研究采用替代砂巖和碳酸鹽巖儲層實現年儲量百萬噸級的可行性，包括超鎂鐵質巖石（玄武巖）和低滲透性巖石（頁巖）；

進行社會科學研究，以提高利益相關者的參與度，并向大眾通報地質構造中碳封存的需求、機會、風險和利益。

 

（2）CO2提高采收率技術。建議未來10年內對CO2提高采收率（EOR）研發公共投入約1億美元/年，用于改進CO2EOR以促進其有效應用，增強常規殘留油區儲層中的CO2封存，并應用于非常規儲層以及不可開采的煤炭礦床和玄武巖中。建議重點研究的CO2EOR技術包括：1）垂直和水平一致性控制，以最大程度地提高驅油效率；2）先進的非常規儲層成分建模技術，以更好地預測和增強性能。

 

3、碳利用技術

 

由于許多碳利用技術仍處于較低技術水平，路線圖建議未來10年內對CO2利用技術的公共投入約5000萬美元/年，以支持基礎科學研究，并建議在其后5年再持續投入1億美元/年支持試點、示范項目和早期部署。建議的研發重點包括：

 

（1）熱化學轉化。繼續提高催化材料的選擇性、活性和穩定性，包括理論和實驗表征。對于已證明在較低溫度范圍（如373-573K）內具有活性、選擇性、耐水性的低成本催化劑，應關注催化劑性能的長期穩定性以及防止失活的解決方案。CO2轉化技術的其他關鍵挑戰是提高對產物的選擇性以及催化劑對副產物（如水和原料中的雜質）的穩定性。此外還需進行更多實驗室研究和計算研究，以及中試規模的研究和開發。同時，研究開發更有效、更低成本的方法來使用可再生能源電解水制氫，對于短期內提高CO2加氫轉化的環境和經濟可行性也極為重要。

 

（2）電化學和光化學轉化。該領域的主要研究包括：開發新型催化劑以提高選擇性、活性和穩定性；具有高耐用性和離子電導率的聚合物膜；新型電解池設計和制造。電化學和光化學轉化途徑面臨著相似的挑戰，但在光收集、裝置設計等方面有所不同。催化劑、膜系統和電解槽的規模擴大，以及高CO2溶解度的新型電解質開發也是重要的研發領域，后者具有巨大的潛力將CO2的捕集和轉化結合到一個過程中。開發結合電化學和光化學系統以及熱化學和生物化學轉化途徑的復合系統，對于技術的變革發展非常重要。

 

（3）碳化與水泥。研究應關注如下方面：集成反應路徑；化學（配體）和生物催化劑（碳酸酐酶）的使用；有價值產品（碳酸鹽）和副產物（金屬和稀土元素）的創新分離技術等。此外，還應對各種碳化原料進行建模和實驗研究，以及對所生產材料的特性和性能進行測試。在較大規模的研發中，應研究用于過程強化的能源和材料集成。

 

（4）生物轉化。應開發利用自然陽光的藻類技術以小批量生產高價值保健食品，還可將當前正在商業化的人造光生物光反應器技術用于具備可再生能源電力和高效LED光源的系統，以生產營養保健品、蛋白質和化學藥品。上述兩種途徑都應研究光轉換效率、選擇性以及相關反應器系統，以提高產量和降低成本。氣體發酵應關注氣相至液相中的有效傳質和產物分離，應在實驗室規模和試點規模的項目中進行研究。結合不同轉化途徑的復合系統將是一個重要方向，如通過化學途徑將CO2轉化為C1化合物更容易，而通過生物學途徑將C1轉化至C2+化合物更容易，因此可考慮綜合上述兩種途徑的復合系統。此外，還應研究將波動性可再生能源整合到生物轉化系統中。