海域二氧化碳地质封存发展的国际经验与启示

　　海域二氧化碳地质封存发展的国际经验与启示

　　O.引言

　　“减排”和“增汇”是实现“碳达峰碳中和”目标的两条根本路径。二氧化碳捕集与封存(CCS)作为“碳增汇”的重要组成部分，被认为是美国、欧洲、日本等“2050年实现温室气体净零排放”的有力手段。2018年，《IPCC全球升温1.5℃特别报告》中对未来实现净零排放的90种情景进行了评估，其中几乎所有情景都需要CCS技术。

　　据测算，到2050年，CCS技术将为全球减少10%―15%的二氧化碳排放做出贡献。根据封存地点的不同，CCS可分为陆域封存（陆上CCS）和海域封存（海底CCS）。海底CCS主要是将从工业碳排放源和油气开发过程中捕集的二氧化碳气体，以超临界态直接注入到800―3500米深度范围内的海底咸水层、油气藏、构造圈闭等地质储层中，再经过一系列构造地层封存、岩石物理束缚、地层水溶解和矿化作用将二氧化碳封存在地质体中的过程。与陆上CCS易引发地下水污染乃至区域环境风险相比，海底CCS具有安全性高、环境风险小、封存潜力大等特点，得到多国政府、工业界、学术界的高度关注。首先是安全性更高，由于封存点远离蓄水层，且除了岩石盖层外，表层还有海水的压力和阻隔，因此局部风险大大降低；其次是更易于监控，海底地层中的孔隙水与正常海水的化学组成更接近，因此地层压力更易管理；最后是封存潜力更大，其封存潜力是陆上的数十倍甚至上百倍。

　　作为世界最大的发展中国家和碳排放大国，我国的资源禀赋和发展阶段决定了在未来一段时间内，以煤炭为主的化石能源仍将主导我国的能源供应，因此必须通过“增汇”来降低减排压力。2021年，我国的煤炭消耗量仍占据能源消耗总量的50%以上，由煤炭消耗造成的二氧化碳排放占我国二氧化碳排放总量的75%以上。此外，发电行业是公认的实现“碳达峰碳中和”目标的重中之重，而CCS技术非常适合火力发电厂，尤其是燃煤电厂这样的二氧化碳大点源。发电行业的碳排放占我国总排放量的52%，且火力发电量超过发电总量的72%，并且大部分都集中在东南沿海地区。与此同时，我国东部地区还聚集了大量水泥、钢铁和化工等二氧化碳排放量大且最难脱碳的行业。因此，我国对于CCS技术高度重视，先后出台了《中国碳捕集、利用与封存技术发展路线图》与《推动碳捕集、利用和封存试验示范》等文件，为CCS技术发展提供了重要的政策支持。在此背景下，基于我国的能源结构和产业布局现状，开展海底CCS对缓解东南沿海地区碳中和压力、实现我国“碳达峰碳中和”目标具有重要的现实意义。

　　1.国外海底CCS发展现状及主要经验

　　从国际经验来看，世界主要发达国家地质调查研究机构都将CCS作为拓展地质工作领域、支撑服务国家重大战略的重要发力点，并通过前期基础性、前瞻性的地质调查研究，摸清了碳封存潜力家底，有效降低了CCS项目的运营风险，推动了CCS商业化发展。

　　1.1美国

　　美国是CCS的全球领导者，拥有全球近一半的运营设施，目前有10个正在运营的CCS商业设施，二氧化碳年封存能力达2500万吨，另有19个CCS商业设施处于不同的开发阶段。美国CCS产业发展以市场为主导，但USGS等地学研究机构也在其中发挥了重要的支撑作用，逐步形成了以美国能源部(DOE)项目资助为引导，以美国地质调查局(USGS)等科研机构的调查研究为支撑，以财税政策激励为动力的发展体系。

　　1.1.1政府牵头引导

　　美国能源部早在1997年就开始资助州属地调局、地质院所、企业等开展CCS研究，迄今已累积资助140个项目。2016年，为加速CCS技术的商业化应用，美国能源部成立了“碳储存保证设施企业计划”(CarbonSAFE)，用于资助打通商业技术壁垒的创新性项目，其资助项目包括项目选址、储层表征和基线的监测、核查、核算(MVA)等。CarbonSAFE快速推动了美国CCS技术的发展。在2020年全球新增的8个CCS设施中，有6个来自于该计划。

　　1.1.2强化潜力评估

　　美国《2007能源独立和安全法案》明确赋予USGS开展二氧化碳地质存储和二氧化碳提高石油采收率（C02-EOR）潜力评估的职责。2008年，USGS启动“碳封存―地质研究和评估”项目；2013年完成全国陆上和各州管辖海域的二氧化碳地质封存潜力评价和区划工作。该项目主要聚焦两个领域：①确定影响二氧化碳地质存储能力和商业可行性的地质、地球化学因素。其主要任务包括研究注入的二氧化碳与储层之间可能的相互作用，并比较各种储层的收益和风险。②确定及评价潜在的地质储层。USGS计划将评价结果与地理信息系统(GIS)相结合，构建全国二氧化碳地质封存潜力“一张网”数据库。同时，还计划在二氧化碳注入点周边建设地震网络，用以监测潜在的地震风险。在联邦管辖海域，USGS联合海洋能源管理局、国家能源技术实验室，以及有关州政府和工业界对美国东海岸、墨西哥湾近海的关键潜在储藏区开展研究，研究内容包括储层表征、地震解译与评价、碳封存潜力评估等方。USGS是其中重要的技术支撑者和最主要的地质和地球物理调查资料贡献者。

　　1.1.3财税政策激励

　　美国CCS项目可以通过联邦政府的45Q税收抵免(Taxcredit)政策和加州政府的低碳燃料标准(CaliforniaLowCarbonFuelStandard)获得政府和地方的财政支持，加速推动CCS的商业化发展。其中，45Q税收抵免政策是针对CCS项目的一项企业所得税优惠政策，其具体做法是按照捕获与封存的碳氧化物数量计算一个抵免额，允许纳税人从企业所得税应纳税额中进行抵免。该条款于2008年首次颁布，当时的抵免额为10美元／公吨及20美元／公吨（抵免额根据不同封存方式而定）。2018年，美国对该条款进行部分修订，为纳税人资格申请提供了更多的灵活性。2021年，美国财政部和国税局在联邦公告上发布了关于45Q条款的最终法规，大幅提高了最高税收抵免额，抵免资格分配制度更加灵活，明确提出私人资本有机会获得抵免资格。这些优惠政策使二氧化碳的减排体现出了货币价值，使投资企业可以确保CCS项目的现金流长期稳定，并大大降低了项目的财务风险，有效吸引私人资本进入CCS行业。受45Q税收抵免政策的刺激，2020年美国新增了12个大型的CCS项目。得益于这些优惠政策，目前美国已有50%左右的CCS项目已经不再依赖传统的二氧化碳气驱强化采油（CO2-EOR）获得收益。

　　1.2欧洲

　　欧洲高度重视海底CCS技术的发展，将其作为应对气候挑战的关键手段。目前，欧洲共有15个正处于运行中或处于不同开发阶段的商业CCS设施，计划到2030年建成51个CCS设施（其中2个位于陆上），二氧化碳年封存能力达5000万吨。为加快海底CCS研究进程，欧洲通过一系列国际大科学计划，充分发挥各国地学和海洋研究机构的专业技术优势，建立陆海统筹、要素齐全、体系完备的二氧化碳封存研究网络。

　　1.2.1统筹协调研究力量

　　欧盟和英国先后设立了“欧洲二氧化碳地质储存能力评估”(EUGeocapacity)、“欧洲二氧化碳存储表征”、“二氧化碳地质存储”(Pan-EuropeancoordinationactiononC02GeologicalStorage,CGSEurope)等多个大科学计划，依靠各国地质调查机构充分开展CCS潜力评估，特别是海底CCS潜力。以2010年设立的CGSEurope为例，该计划共有28个国家的34个机构参与，其中地质调查研究机构近30个，包括英国、法国、德国、意大利、挪威、芬兰等国的地质调查局。在CGSEurope等计划推动下，欧洲各国地质调查机构都将CCS作为地质工作转型发展的重要领域，英国和北欧五国还依靠国家地质调查局分别成立了专门的CCS研究中心，围绕封存机理、储层表征、碳注入和碳封存技术研发等开展了大量工作，基本摸清了各国地质封存的潜力。2013年，英国地质调查局与英国皇家财政局以国家资产的形式合作开发了碳封存数据库，成为全球首个公布碳封存信息的国家。该数据库显示，英国海底深处有超过700亿吨碳地质封存潜力。

　　1.2.2高度重视生态安全

　　围绕海底CCS可能引发的生态环境风险，欧盟依靠英国地质调查局、德国亥姆霍兹极地海洋研究中心等机构，聚焦不同的研究重点实施了“地质碳储存的潜在生态系统影响量化与监测”(QICS)、“能源技术研究所测量、监测和验证二氧化碳储存”(ETIMMV)、“海洋二氧化碳捕集与封存环境监测战略”(STEMM-CCS)等多个研究计划，开展了累计10多年的环境监测专项研究，验证了海底CCS的可靠性。这些计划的主要研究内容包括：①海底生态基线调查；②海洋环境对二氧化碳封存潜在泄漏的敏感性研究；③识别、监测、量化海底二氧化碳的泄漏；④开发长期监测的、低成本的海洋监测系统；⑤二氧化碳泄漏成本的经济估值、监控及补救措施。在英国地质调查局、英国国家海洋研究中心等机构推动下，英国在北海海底完成了二氧化碳泄漏模拟，成功开发并测试了海底封存二氧化碳泄漏的监测传感器和技术方法，提交了首个海洋CCS示范项目的生态基线标准。

　　1.2.3加快成果转化应用

　　为了推动各类CCS科研项目成果的转化应用，实现科研成果与产业发展的精准对接，欧盟特别注重将壳牌、道达尔、挪威国家石油等国际石油公司纳入国际大科学计划合作体系，并依靠企业开展先导应用示范工程。如，2016年实施的“海洋二氧化碳捕集与封存环境监测战略”(STEMM-CCS)计划，其主要成员单位除了德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心、亥姆霍兹极地海洋研究中心和英国国家海洋中心等科研机构外，还包括壳牌石油公司。2020年，STEMM-CCS计划依托壳牌石油公司开始实施海底CCS环境监测工程。北欧CCS研究中心(NordicCCS)除了瑞典地质调查局、丹麦和格陵兰地质调查局、瑞典环境研究所等科研成员外，还专门设立了由挪威国家石油公司、雷克雅未克能源公司等由企业组成的产业（用户）成员单位。在“产学研用”一体化合作体系下，以英国地质调查局为代表的科研单位在CCS领域的科技创新一直处于世界前沿，其中不少成果已具有商业竞争优势。

　　1.3日本

　　日本作为岛国，陆地面积狭小。因此，日本自20世纪90年代初就开始进行有关深海CCS的技术试验，将海底CCS作为海洋开发技术发展战略的重要组成部分。目前日本共有6个CCS先导设施，但尚未实现商业化。为了加快推进CCS的发展，日本政府和产业界充分发挥各方力量，构建了“商业+科研+公益”三位一体的地质调查技术支撑体系。

　　1.3.1积极引入企业参与

　　2008年，经日本产业经济省牵头，37家横跨石油、天然气、电力、钢铁等相关领域的日本企业联合成立了一家专门从事CCS调查研究利用的公司JapanCCS(JSCC)，并设立了地质调查部。2012年，受日本产业经济省委托，JSCC公司承担了亚洲第一个全产业链CCS项目——“苫小牧CCS示范项目”，计划通过2个阶段共8年时间在北海道苫小牧海域地质封存30万吨二氧化碳。2014年，JSCC公司又承担了日本产业经济省、环境省联合委托的项目——“日本海域二氧化碳封存潜力评估”，先后在日本周边的10处海域开展地质调查，目标是寻找可以封存1亿吨二氧化碳的潜力封存点。2019年，JSCC公司首次在距北海道海岸4千米左右，海底约1000―2500米的地层封存30万吨二氧化碳，成功完成既定目标。

　　1.3.2整合“产学研用”技术优势

　　2016年，日本依靠具有官方背景的公益性组织“地球环境产业技术研究机构”，成立了“二氧化碳地质封存技术研究协会”，成员包括日本应用地质株式会社、国际石油开发帝石株式会社、新日本石油株式会社、地球环境创新技术研究所等8家世界知名公司和科研院所。该协会的成立旨在通过整合“产学研用”各方技术优势，进一步降低成本，加快推进CCS商业化进程。为此，该协会设置了“大型二氧化碳注入封存安全管理技术开发”“大型储藏高效压力管理与利用技术”“CCS部署环境设置和标准制定”共3个研发计划11个工程，研究内容包括地质调查与潜力评价、地质模型开发、地层稳定性评估、环境监测、国际合作、国际标准制定。日本通过成立二氧化碳地质封存技术研究协会，不仅有效地推动了CCS技术研发和商业应用，还通过融入碳封存领导论坛(CSLF)、国际能源署温室气体研发计划(IEAGHG)等国际合作组织框架，使日本CCS技术进一步得到国际认可，提升了国际化合作水平，为日本培养了一大批国际化人才。

　　1.3.3深化国内外技术合作

　　日本国家油气和金属矿产公司(JOGMEC)不仅是日本能源资源安全的重要维护者，也是日本政府为应对气候变化、推动能源结构转型、发展CCS技术、拓展国际合作网络的重要支撑者和忠实实践者。该公司先后发布了可持续发展倡议(2018)、低碳社会的技术经营战略(2020)和碳中和倡议(2021)。在碳中和倡议框架中，JOGMEC将发展CCS技术作为与“化石燃料开发和脱碳”“地热能开发”等并重的六大关键手段之一。为推进碳中和项目的跨部门协作，2021年JOGMEC专门成立了碳中和推进指挥部，指挥部主任和副主任分别由JOGMEC主席和常务副主席兼任。JOGMEC在CCS领域的主要研究包括：①新型的含水层二氧化碳注入模拟方法研究；②利用三维地震物探船和地质调查数据开展海底CCS选址和潜力评估工作；③开展地质封存潜力评估方法、国际标准体系和碳定价体系研究；④开展CCS资源外交和援外培训。JOGMEC通过与马来西亚等油气生产国合作，实施脱碳技术培训等手段，帮助日本公司获得适合的CCS封存场地。

　　2.我国海底CCS发展现状与不足

　　从我国CCS发展实践来看，目前我国大部分二氧化碳排放源可在鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地、松辽盆地与苏北盆地寻找到低成本的适宜封存场地，但东南地区的二氧化碳排放源无法在250千米范围内找到适宜的封存场地。我国山东、江苏、河北、广东等东部沿海省份是二氧化碳排放大省。据统计，沿海11个省份的碳排放量占全国总排放量的近50%，是实现碳中和目标的关键所在。尽管陆域的渤海湾盆地、苏北盆地可以为沿海省市提供封存场地，但这些地区人口密度大、土地资源少、重大工程设施集中，因而存在一定的安全风险。相比而言，我国海域渤海盆地、南黄海盆地、东海陆架盆地、珠江口盆地、北部湾盆地、莺歌海盆地及琼东南盆地均毗邻陆地，且相关研究程度较高，在场地空间、环境影响和风险可控性等方面具有明显优势，可以作为沿海主要二氧化碳排放源的封存场地。

　　我国近海CCS潜力十分巨大，但针对我国海域的碳封存潜力评估和工程实践却十分有限。2010年，中国地质调查局(CGS)组织实施“全国二氧化碳地质封存潜力评价与示范性工程”，评估了我国海域18个沉积盆地的二氧化碳地质封存潜力和适宜性。评价结果显示，我国海域主要沉积盆地级（评价到一级构造单元）二氧化碳总封存潜力可达1.5万亿吨，我国海域沉积盆地碳封存潜力巨大。2021年8月，中国海洋石油集团有限公司在南海珠江口盆地实施了我国首个海上二氧化碳封存示范工程，将恩平15-1油田群开发伴生的二氧化碳封存于海底以下800―900米深度的储层，预计每年可封存二氧化碳约30万吨，累计封存二氧化碳146万吨以上。

　　经过多年的积累，我国在海底CCS领域已攻克了一系列难题，但距离商业化要求还有不小的差距。以我国首轮海底CCS评价潜力为例，2010年的评价参数和相关数据主要来自公开资料，评价精度较低，尤其是针对工程级别的评价较少，无法满足碳封存工作的实际需求。与之相比，美国在开展实施“中大西洋海域二氧化碳封存潜力评估”项目中，使用的实测资料包括2300个岩心样品、5000个岩石薄片、97000个岩屑、300千米测井数据、5973个孔隙度和5729个渗透率参数、39口井数据和4000千米地震资料，且历时3年才完成最终潜力评价。

　　总体上，与发达国家相比，我国CCS研究起步较晚，目前各技术环节发展不平衡，距离规模化、全流程示范应用仍存在较大差距。《中国二氧化碳捕集、利用与封存CCUS报告(2019)》显示，我国海底CCS技术尚处于早期研究阶段。

　　3.对我国海底CCS发展的建议

　　从国际发展经验来看，“政府牵头主导、地质调查依托、企业各方参与、财税政策保障”是各发达国家推动海底CCS产业发展的主要路径。特别是各国地质调查机构通过开展碳封存潜力评价、关键技术研发等工作，加速推动了海底CCS的产业化、商业化发展，为支撑服务碳中和目标发挥了基础性关键作用。在生态文明建设总体目标和“碳达峰碳中和”的大背景下，我国地质调查机构也应借鉴国外经验，及时把握海底CCS发展的战略机遇期，及早部署、掌握主动。

　　(1)加快评价我国海底CCS地质条件和封存潜力。从美国、挪威、英国、日本等国的CCS发展历程来看，政府的支持和拉动至关重要。这些国家的政府通过前期基础性、公益性和前瞻性地质调查工作，建立相应的地质封存信息数据库，摸清资源家底，为社会和企业提供构造、地层、储存潜力等方面的地质资料，有效降低了项目的运营风险。建议在国家层面尽快安排我国海底地质条件、封存潜力和CCS工程适应性综合评价，优选具备CCS商业投资价值的储集库或储集适应区，并纳入国家“碳中和”及“碳管理”总体规划。

　　(2)尽快启动海底CCS国家示范工程。由于海底CCS项目是一个复杂的系统工程，因此国家示范工程至关重要。英国充分依靠英国地质调查局(BGS)开展储集库长期地质环境监测和渗漏风险预警工作，通过技术、方法、信息、知识创新，研发碳注入和碳封存技术，直接支持该国和欧洲其他国家的商业性项目实施，以有效减少工业、电力、运输和供暖系统的碳排放。美国、欧洲其他国家和日本也是如此。我国已有燃煤电站CCS示范项目，但海底CCS示范工程尚未规划和实施。建议依托自然资源部等部门，联合相关院校和央企，尽快组成国家级专业团队，以安全高效为目标，以CCS规模化为原则，以攻克全流程中的“卡脖子”技术为重点，尽快实施一批示范项目，寻求我国海域地质风险、工艺装备、环境监测等解决方案。

　　(3)支持和促进CCS技术创新。据初步统计，当前我国每年二氧化碳排放近100亿吨，但能够捕捉的二氧化碳量仅几百万吨，应用规模不到万分之一。这既有技术方面的原因，也有政策方面的缺失。目前，国内外CCS技术主要有燃烧前分离、燃烧后分离、富氧燃烧脱碳等3种技术路线，其中燃烧后捕集技术较为成熟，但难点是成本高昂。建议相关部门可充分借鉴国外经验，在政策与监管框架、公共服务与教育、技术观察与国际合作、科技研发、国家示范、国内利益相关方协作等六个方面加强针对性服务，以支持CCS技术的研发。

　　(4)开展海底CCS产业和绿色金融政策研究。据美国科学研究院等机构的研究结论，为实现“碳中和”目标，我国至少需要100万亿元的投资。面对巨量投资，政府资金只能覆盖很小一部分，因此需要建立完善绿色金融政策体系，发挥企业在实现“碳中和”方面的主导作用。应加快海底CCS产业和绿色金融政策研究，支撑并推动相关部委出台相应的技术和财税政策，积极构建“公益引导、科研支撑、商业跟进”的海底CCS生态链。

　　摘自《中国国土资源经济》2023年4期