近期，美國國家石油委員會(huì)（NPC）發(fā)布了受美國能源部委托完成的《迎接雙重挑戰(zhàn)：碳捕集、利用和封存規(guī)?；渴鹇肪€圖》報(bào)告，提出了在25年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)的發(fā)展路線。報(bào)告指出CCUS技術(shù)是提供可負(fù)擔(dān)、可靠的能源并同時(shí)解決氣候變化風(fēng)險(xiǎn)雙重挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，美國在CCUS領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，并具有推動(dòng)CCUS廣泛部署的強(qiáng)大能力，應(yīng)通過啟動(dòng)、擴(kuò)張和規(guī)?；瘧?yīng)用三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)CCUS在美國的大規(guī)模部署。報(bào)告提出了未來25年CCUS大規(guī)模部署的路線圖，以及未來10年的研發(fā)資助建議，關(guān)鍵內(nèi)容如下：

 

1、啟動(dòng)階段：未來5-7年

 

CCUS累計(jì)投資達(dá)到500億美元，其中包括20億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資，就業(yè)崗位達(dá)到1萬個(gè)，CCUS規(guī)模由當(dāng)前的2500萬噸/年增至6000萬噸/年，捕集、運(yùn)輸和封存的CO2量相當(dāng)于美國原油基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)排放量的10%。

 

2、擴(kuò)張階段：未來15年

 

CCUS累計(jì)投資達(dá)到1750億美元，其中包括90億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資，就業(yè)崗位達(dá)到4萬個(gè)，CCUS規(guī)模增至1.5億噸/年，捕集、運(yùn)輸和封存的CO2量相當(dāng)于美國原油基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)排放量的25%。

 

3、規(guī)?；瘧?yīng)用階段：未來25年

 

CCUS累計(jì)投資達(dá)到6800億美元，其中包括280億美元的基礎(chǔ)設(shè)施投資，就業(yè)崗位達(dá)到23萬個(gè)，CCUS規(guī)模增至5億噸/年，捕集、運(yùn)輸和封存的CO2量相當(dāng)于美國原油基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)排放量的75%。

 

通過持續(xù)的技術(shù)研發(fā)和示范將有可能使CCUS技術(shù)成本在未來20年降低10%-30%。為此，美國國家石油委員會(huì)建議美國能源部促進(jìn)公私合作，油氣行業(yè)也應(yīng)保持甚至加大對(duì)CCUS的高水平資助以開發(fā)新技術(shù)；并建議國會(huì)在未來10年每年撥款15億美元用作CCUS研發(fā)經(jīng)費(fèi)，以促進(jìn)技術(shù)開發(fā)和示范。路線圖提出了如下的研發(fā)資助建議：

 

1、碳捕集技術(shù)

 

建議未來10年內(nèi)對(duì)碳捕集研究、開發(fā)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(jìn)發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和小型試點(diǎn)項(xiàng)目，其中聯(lián)邦投入占80%；（2）每年投入約2.4億美元用于大規(guī)模試點(diǎn)項(xiàng)目；（3）每年投入約5億美元用于支持CCUS示范項(xiàng)目。建議的RD＆D重點(diǎn)包括：

 

改進(jìn)碳捕集技術(shù)以用于燃煤煙氣、天然氣煙氣和工業(yè)CO2排放源；

推進(jìn)開發(fā)用于氣體分離的溶劑、吸附劑、膜和低溫工藝，以及開發(fā)新型的具備碳捕集功能的能量循環(huán)系統(tǒng)；

制定成本和性能基準(zhǔn)并進(jìn)行公開評(píng)估；

降低碳捕集的總體成本以及資本、運(yùn)營和維護(hù)成本；

提升碳捕集系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性以適應(yīng)加速循環(huán)；

評(píng)估碳捕集技術(shù)以確定最具技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的選擇；

探索復(fù)合碳捕集系統(tǒng)的應(yīng)用。

 

2、碳封存技術(shù)

 

（1）地質(zhì)封存。建議未來10年內(nèi)對(duì)CO2地質(zhì)封存研究與開發(fā)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(qū)域計(jì)劃；2）每年投入1億美元用于地質(zhì)封存表征（包括海底封存）；3）每年投入2億美元用于收集數(shù)據(jù)和地質(zhì)樣本的實(shí)地項(xiàng)目，以促進(jìn)長期安全封存的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究。建議的研發(fā)重點(diǎn)包括：

 

提高場址表征和封存方法的效率；

通過CO2羽流固定機(jī)理研究及加快速度來增加對(duì)孔隙空間的利用；

改進(jìn)耦合模型以優(yōu)化和預(yù)測CO2流動(dòng)和輸運(yùn)，以及地質(zhì)力學(xué)和地球化學(xué)反應(yīng)；

降低監(jiān)測成本并開發(fā)新的監(jiān)測技術(shù)；

量化和管理誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)；

研究采用替代砂巖和碳酸鹽巖儲(chǔ)層實(shí)現(xiàn)年儲(chǔ)量百萬噸級(jí)的可行性，包括超鎂鐵質(zhì)巖石（玄武巖）和低滲透性巖石（頁巖）；

進(jìn)行社會(huì)科學(xué)研究，以提高利益相關(guān)者的參與度，并向大眾通報(bào)地質(zhì)構(gòu)造中碳封存的需求、機(jī)會(huì)、風(fēng)險(xiǎn)和利益。

 

（2）CO2提高采收率技術(shù)。建議未來10年內(nèi)對(duì)CO2提高采收率（EOR）研發(fā)公共投入約1億美元/年，用于改進(jìn)CO2EOR以促進(jìn)其有效應(yīng)用，增強(qiáng)常規(guī)殘留油區(qū)儲(chǔ)層中的CO2封存，并應(yīng)用于非常規(guī)儲(chǔ)層以及不可開采的煤炭礦床和玄武巖中。建議重點(diǎn)研究的CO2EOR技術(shù)包括：1）垂直和水平一致性控制，以最大程度地提高驅(qū)油效率；2）先進(jìn)的非常規(guī)儲(chǔ)層成分建模技術(shù)，以更好地預(yù)測和增強(qiáng)性能。

 

3、碳利用技術(shù)

 

由于許多碳利用技術(shù)仍處于較低技術(shù)水平，路線圖建議未來10年內(nèi)對(duì)CO2利用技術(shù)的公共投入約5000萬美元/年，以支持基礎(chǔ)科學(xué)研究，并建議在其后5年再持續(xù)投入1億美元/年支持試點(diǎn)、示范項(xiàng)目和早期部署。建議的研發(fā)重點(diǎn)包括：

 

（1）熱化學(xué)轉(zhuǎn)化。繼續(xù)提高催化材料的選擇性、活性和穩(wěn)定性，包括理論和實(shí)驗(yàn)表征。對(duì)于已證明在較低溫度范圍（如373-573K）內(nèi)具有活性、選擇性、耐水性的低成本催化劑，應(yīng)關(guān)注催化劑性能的長期穩(wěn)定性以及防止失活的解決方案。CO2轉(zhuǎn)化技術(shù)的其他關(guān)鍵挑戰(zhàn)是提高對(duì)產(chǎn)物的選擇性以及催化劑對(duì)副產(chǎn)物（如水和原料中的雜質(zhì)）的穩(wěn)定性。此外還需進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)室研究和計(jì)算研究，以及中試規(guī)模的研究和開發(fā)。同時(shí)，研究開發(fā)更有效、更低成本的方法來使用可再生能源電解水制氫，對(duì)于短期內(nèi)提高CO2加氫轉(zhuǎn)化的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可行性也極為重要。

 

（2）電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化。該領(lǐng)域的主要研究包括：開發(fā)新型催化劑以提高選擇性、活性和穩(wěn)定性；具有高耐用性和離子電導(dǎo)率的聚合物膜；新型電解池設(shè)計(jì)和制造。電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑面臨著相似的挑戰(zhàn)，但在光收集、裝置設(shè)計(jì)等方面有所不同。催化劑、膜系統(tǒng)和電解槽的規(guī)模擴(kuò)大，以及高CO2溶解度的新型電解質(zhì)開發(fā)也是重要的研發(fā)領(lǐng)域，后者具有巨大的潛力將CO2的捕集和轉(zhuǎn)化結(jié)合到一個(gè)過程中。開發(fā)結(jié)合電化學(xué)和光化學(xué)系統(tǒng)以及熱化學(xué)和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑的復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)于技術(shù)的變革發(fā)展非常重要。

 

（3）碳化與水泥。研究應(yīng)關(guān)注如下方面：集成反應(yīng)路徑；化學(xué)（配體）和生物催化劑（碳酸酐酶）的使用；有價(jià)值產(chǎn)品（碳酸鹽）和副產(chǎn)物（金屬和稀土元素）的創(chuàng)新分離技術(shù)等。此外，還應(yīng)對(duì)各種碳化原料進(jìn)行建模和實(shí)驗(yàn)研究，以及對(duì)所生產(chǎn)材料的特性和性能進(jìn)行測試。在較大規(guī)模的研發(fā)中，應(yīng)研究用于過程強(qiáng)化的能源和材料集成。

 

（4）生物轉(zhuǎn)化。應(yīng)開發(fā)利用自然陽光的藻類技術(shù)以小批量生產(chǎn)高價(jià)值保健食品，還可將當(dāng)前正在商業(yè)化的人造光生物光反應(yīng)器技術(shù)用于具備可再生能源電力和高效LED光源的系統(tǒng)，以生產(chǎn)營養(yǎng)保健品、蛋白質(zhì)和化學(xué)藥品。上述兩種途徑都應(yīng)研究光轉(zhuǎn)換效率、選擇性以及相關(guān)反應(yīng)器系統(tǒng)，以提高產(chǎn)量和降低成本。氣體發(fā)酵應(yīng)關(guān)注氣相至液相中的有效傳質(zhì)和產(chǎn)物分離，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和試點(diǎn)規(guī)模的項(xiàng)目中進(jìn)行研究。結(jié)合不同轉(zhuǎn)化途徑的復(fù)合系統(tǒng)將是一個(gè)重要方向，如通過化學(xué)途徑將CO2轉(zhuǎn)化為C1化合物更容易，而通過生物學(xué)途徑將C1轉(zhuǎn)化至C2+化合物更容易，因此可考慮綜合上述兩種途徑的復(fù)合系統(tǒng)。此外，還應(yīng)研究將波動(dòng)性可再生能源整合到生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中。