CCS全流程示范技術組合專家偏好研究

張賢 張九天 仲平 賈莉 秦媛

(中國21世紀議程管理中心，北京 100038)

在全球應對氣候變化的大背景下，CO2捕集和封存技術(Carbon Capture and Storage，CCS)作為一項具有大規模溫室氣體減排潛力的技術，受到越來越多的關注［1－3］。據國際能源署(International Energy Agency，IEA)預測，CCS的減排貢獻將從2020年占總減排量的3%上升至2030年的10%，并將在2050年達到19%，成為減排份額最大的單項技術［4］。中國能源結構以煤為主，CO2排放量大且持續增長，面臨嚴峻的減排壓力。同時，原油對外依存度已超過50%，能源供應安全問題不斷凸顯。作為一項有望實現化石能源大規模低碳利用的新興技術，CCS將可能成為未來我國減少CO2排放和保障能源安全的重要戰略技術選擇。

1 研究背景

當前，在中國政府和各方的支持和努力下，中國無論在CCS技術研發還是項目示范上，均有一定成果。但總體上仍處于政府引導、企業為主體實施、科研單位和高等院校共同參與的研發和早期技術示范階段。CCS技術鏈各環節技術發展很不平衡，距離商業應用仍存在較大差距。同時，中國作為發展中國家的國情和特有的地質特征也給CCS技術的發展帶來了不確定性和挑戰:經濟社會發展水平較低、區域發展不平衡、地質條件復雜、人口稠密等現狀，導致中國CCS技術的發展面臨著高成本、高能耗、長期安全性和可靠性有待驗證等一系列突出問題。因此，為了集中有限的人力、物力，力爭在2030年左右掌握CCS全流程項目設計、建設和運營的產業化能力，更好地統籌規劃CCS全流程技術示范，亟需從現有技術成熟度、我國技術掌握水平、技術發展前景以及成本、風險、目標一致性、技術涵蓋性、現實性等方面選取合適的CCS技術組合，制定出優先發展的方案。

作為一項具有戰略意義的新興溫室氣體控制技術，CCS技術的發展受到專家和決策者的直接影響，因為他們是CCS研發和示范項目的決策制定者和推動者，專家和決策者將對CCS技術的發展產生更重要的作用［5－6］。因此，要推動CCS技術在中國的發展，獲得專家和決策者的支持是前提。由于CCS全流程示范不是對其涉及到的捕集、運輸和封存三要素的簡單堆砌，而是涉及到每個要素內部分支要素的選擇和組合問題。專家對每種要素特別是分要素的重要性和優先性認識不一致，可能傾向于不同的技術組合。因此，在收集征求專家意見的時候需要充分考慮全部要素。此外，CCS技術中哪些要素對專家的影響作用最大;對同一個要素來說，不同領域的專家是否對它的重要程度有著不同的意見;專家對某一個要素的評價是否會影響到他對其它要素的看法?對此，國內外學者已進行了一些研究［7－9］。

Gough［10］運用德爾菲法對英國CCS領域的專家進行了調查，Benjamin Evar［11］通過數據調查和半結構化訪談對19位專家進行了調查，了解專家對英國CCS技術和政策前景的看法。研究表明，被調查專家對英國CCS技術的發展充滿了信心。美國學者Stephensa等人［12］探討了專家意見和引導如何影響公眾對CCS的看法。結果表明，專家通過發布積極和正確的意見能促進公眾去理解并接受CCS技術。Wong-Parodi等人［13］對美國一些環保組織NGO對CCS的態度進行了分析，研究發現，被調查人員的態度可分為三類:贊成、謹慎和反對。Fischedick等人［14］基于一個專門設計的問卷對德國不同領域的專家進行了調查和訪談，結果顯示，來自政府、工業和能源部門的專家普遍對CCS持中立或積極的態度。上述研究標明，專家對CCS的意見不僅能直接影響CCS項目的運營，同時也會影響公眾對CCS的態度，其對CCS技術的發展起到了關鍵的作用。但是現有文章鮮有基于中國國情和特有的CCS技術發展背景對專家意見開展分析。同時，就專家對CCS技術全流程示范中涉及到的各分要素的組合和選擇上的意見進行專門研究的文章也并不多見。

本文采用聯合分析法［15－16］，通過問卷調查和面對面訪談的方式對140位專家關于CCS全流程示范技術的偏好進行研究，分析影響專家對CCS態度的因素，并根據專家意見選出可行的CCS全流程技術組合。

2 研究方法

聯合分析法是一種多元統計方法，主要用于確定產品或服務的屬性及相關水平對消費者的重要程度［15－16］。最早由心理學家Luce和統計學家Tukey于1964年提出，由于其特點和優勢，自提出起受到了普遍的關注［17－19］，也被廣泛應用于在CCS領域，用來評估被訪者對CCS的態度和偏好程度。聯合分析只要求被訪者對CCS技術組合進行總體評價，而不要求對各個屬性進行評價，能更方便、高效地獲得評價結果，且更接近于真實情況。同時，聯合分析法可以對性質差異較大的不同屬性進行聯合評價，應用范圍較其他傳統分析方法更廣［17，20－21］。

2.1 數據來源

為使本研究更科學嚴謹，自2011年6月開始，我們進行了一系列的專家訪談和問卷調查活動，歷時一年。為了保證專家對CCS技術的發展現狀和趨勢都有正確的認識，我們從科學技術部CCS項目評審專家庫中精心挑選了140名專家，分別來自我國政府部門、工業部門、研究機構和非政府組織。通過專家訪談形式詳細了解他們對中國CCS技術發展現狀及全流程示范的看法。之所以選擇面對面訪談，是因為相對郵件調研和網絡調查而言，能更直接、系統地了解專家的看法，不僅能向專家們清楚闡述本次調研的目的所在，更能在具體調研過程中及時解決專家們的困惑。

基于訪談目的，我們設計了本研究的調查問卷，并從140位專家中隨機篩選了30位專家通過郵件的形式進行了預調查。從預調查得到的數據來看，問卷問題設置較為合理，能較好地反映專家意見，效度較高。隨后，我們向140位專家發放了問卷。回收問卷后，我們對不符合要求的問卷進行了刪除，如存在漏答情況、明顯不符合實際、很短時間內提交、重復問卷等，最終得到了120份有效問卷。這120份問卷分別來自28位政府專家，年齡在32－68歲之間，平均年齡為48歲。三分之二的專家在近一年里直接參與過CCS項目的決策和實施工作。各部門專家數量和來源見表1。

表1 專家來源和數量Tab.1 Distribution of investigated experts

2.2 聯合分析設計

首先向各位專家解釋說明了調研的背景和目的:本次調研是在我國擬開展全流程CCS示范的背景下進行的。CCS全流程示范牽扯到內部各要素的選擇和組合問題。為更好地統籌規劃CCS全流程技術示范，急需從現有技術成熟度、我國技術掌握水平、技術發展前景以及成本、風險、目標一致性、技術涵蓋性、現實性等方面選取合適的CCS技術組合。通過專家訪談，我們選取了全流程CCS示范技術組合篩選標準，各級指標和權重見表2。

表2 全流程CCS示范技術組合篩選標準Tab.2 Selection criteria of technology portfolio of a full-chain CCS demonstration

隨后，專家們根據表2中全流程CCS示范篩選標準開展多目標評價，經專家打分評議，我們得到了CCS全流程示范技術的可能工藝組合，見表3。捕集方式有四種:富氧燃燒、燃燒前捕集、燃燒后捕集和高濃度排放源;封存方式包括:陸上咸水層、海底咸水層、原油采收率(Enhance oil recovery，EOR)、ECBM/酸氣回注。對于運輸方式，雖然目前中國主要仍以低溫儲罐公路運輸為主，但是國際上大量的管道和船舶運輸實踐為中國提供了很好的借鑒，因此，專家選擇了管道和船舶運輸。

在聯合分析中，涉及的各種方式組合成技術組合全輪廓的過程中，組合數量會隨著環節及其方式數量的增加而增加，這加大了專家的評估難度，影響試驗的準確性。如本研究中聯合分析設計將導致32種不同的技術組合情景產生，為減少組合數量，保證研究的精度，我們采取正交試驗的設計方法。正交試驗設計是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的組合進行試驗，通過正交表來安排試驗方案，并對實驗結果進行計算分析，以達到減少試驗次數，縮短試驗周期并迅速找到優化方案的科學計算方法。在本研究中，我們利用正交設計法只需要對16種技術組合進行評價，這大大減輕了被訪者的負擔。我們利用軟件 SPSS 17.0的 CONJOINT ANALYSIS模塊下的ORTHOPLAN子模塊進行了正交設計，得到了CCS全流程示范技術組合情景，見表4。

表3 可能的CCS示范技術組合Tab.3 Potential technology portfolio of CCS demonstration

表4 CCS全流程示范技術組合情景以及專家對不同情景評分的均值和標準差Tab.4 Technology combination scenario of full-chain CCS demonstration and means(M)and standard deviations(SD)of the acceptance scores from different experts(descending order)

2.3 聯合分析數據收集

基于上述正交試驗結果，我們進一步設計了調查問卷。問卷分為兩部分:第一部分是被訪專家的基本信息，包括年齡、性別、部門等;第二部分是問卷的主體部分，根據正交設計獲得的16種不同的CCS全流程示范技術，我們同時準備了16張卡片，每一張卡片對應一個待評價的技術組合，每個卡片都用一組三維數字進行標識。為了向專家更清晰地表明不同卡片所代表的具體含義，我們對每個卡片進行了文字描述。如對于卡片1，我們將其描述如下:將從高濃度排放源中捕集到的CO2通過船舶運到海底咸水層進行封存。隨后，我們要求被訪專家根據自己對CCS技術示范的了解和偏好程度，對各技術組合進行打分(分值為1到10分)，偏好程度越高，分數越高。

3 結果分析

3.1 均值和標準差分析

通過專家打分，我們獲得了16組打分結果，每一組對應一個技術組合。每組得分的均值在2.4－7.8之間，具體的均值和標準差見表4。從表4中可以看出，以陸上咸水層和EOR作為封存方式的情景比海底咸水層和ECBM要更受專家青睞。而對于捕集和運輸方式來說，從均值和標準差的大小上沒有看到明顯的差異。

3.2 效用值和相對重要性

根據專家對16個情景的打分情況，我們利用CONJOINT子模塊進行數據分析，以評估專家對各因素的重要性排序和相應的水平效用大小，見表5。結果顯示，專家在評價CCS技術示范時，主要考慮的因素是封存技術(相對重要性為57.196%)，其次是捕獲技術(34.714%)，最后是運輸技術(8.090%)。可以看出，封存技術對專家的影響是運輸技術的七倍多。

封存方式是最重要的屬性因素，其相對重要性占57.196%。專家之所以將封存技術視為最重要的因素主要原因在于，CO2的安全封存是CCS的最終落腳點，從某種程度上決定著CCS技術的可行性。但是，封存環節的不確定性很多，從理論封存潛力到安全注入方法，以及注入后的長期監測和事故響應等，很多問題無論是從理論研究、工程經驗還是法律法規，在國內外都有較大欠缺。探清封存技術發展潛力是開展CCS工作的重要基礎。中國具有巨大的地質封存潛力，但由于地質條件相對復雜，導致封存技術的發展面臨較大的不確定性。目前中國已啟動全國范圍的CO2地質封存潛力評價，但因啟動時間不長、地質數據匱乏等限制，導致該工作尚未完成。因此，我國要想加快推進CCS技術的研發和示范的有序開展，就必須高度重視封存技術的發展，盡早開展全國范圍系統的利用和封存潛力評估，以便更準確地掌握我國CCS技術的應用潛力。

表5 各因素的相對重要性程度和效用值Tab.5 Importance and utilities for all factor levels

捕集方式是第二重要的屬性因素，相對重要性占34.714%。捕集是CCS技術中能耗和成本最大的環節，也是發展CCS技術過程中不可忽視的重要因素。從技術角度來看，CO2捕集技術相對比較成熟，但同時也存在缺陷:在沒有實現捕集技術突破以前，CO2捕集都將伴隨著高能耗，這不僅將消耗更多的化石燃料，同時還將釋放更多的包括NOx、SO2和固體廢棄物在內的其他污染物，也將大幅度地降低能源系統的效率。因此，為降低捕集過程帶來的能效下降以及相應的成本上升，需要圍繞捕集技術，加強CO2吸收、吸附、膜分離、化學鏈燃燒等基礎研究，開發先進吸收劑、分離膜、固體吸附劑，突破熱集成與熱耦合、高效催化劑、H2/CO2分離、富氫燃燒等關鍵技術，開展不同捕集技術方向的工業規模示范。

相比CCS技術其他兩個環節來講，運輸技術被專家視為最不重要的因素，相對重要性占8.090%。我們認為，CO2運輸技術是連接CO2源與利用封存的紐帶，在整個CCS技術中具有重要的地位。但在CCS三大環節中，運輸部分中國和國際情況共性大，技術水平差距小，現有技術已可以解決單個項目的運輸問題，因此在示范階段技術上不存在明顯的障礙。

效用值類似于回歸系數，為我們提供一個衡量專家對各因素偏好程度的量化指標，數值越高表明專家對其的偏好越大。從表5中可以看出，對于封存方式，專家對陸上咸水層和EOR的偏好明顯要高于海底咸水層和ECBM。這是因為，CO2提高石油采收率技術(CO2-EOR)是當前國內外規模化利用并封存CO2的技術之一，其技術成熟度高，已有多個工業示范項目;陸上咸水層封存所需的技術要素幾乎都存在油氣開采行業，油氣行業已有技術要素能夠部分滿足示范工程的需要，其發展潛力巨大;海底咸水層封存與陸上咸水層封存有一定的相似性，但工程難度更大，在中國尚無示范先例;酸氣回注的特殊性在于酸氣的腐蝕性，對封存有特定的技術要求，國內目前還沒有過工程示范。因此，專家建議優先部署CO2-EOR和陸上咸水層封存的全流程技術示范;海底咸水層、ECBM應在充分借鑒CO2-EOR、陸上咸水層封存相關示范中共性技術特點的基礎上，加大特需技術的研究力度，積極尋找并在適當時期支持相關的集成示范。

對于捕集方式來說，高濃度排放源的效用值最高，而富氧燃燒、燃燒前捕集和燃燒后捕集方式的效用值較低;因為捕集技術最大的問題就是成本問題。煤化工、電廠等高濃度排放源捕集成本較低，適合率先開展大規模全流程技術示范。但是在技術方向選擇上，目前尚難以判斷燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒技術的大規模商業發展前景，因此專家建議其示范計劃應盡量均等。

對運輸方式而言，管道運輸效用值高于船舶運輸，但兩者的差距相當微小。專家對優先發展管道運輸還是船舶運輸未給出明確的建議，對此，在下節進行了討論。

3.3 不同部門專家的偏好差異分析

我們進一步對來自不同部門的專家對CCS示范技術組合的選擇進行了差異性研究。通過SPSS 17.0編程語言控制，可以得到分別來自政府、工業部門、研究機構和NGO等相關部門的專家對CCS技術組合的偏好和水平效用值，結果見表6。

總體來說，來自不同部門的專家在屬性的相對重要程度上達成了一致，但是在各屬性的水平上，還存在不同的觀點。

雖然專家來自于不同部門，但對屬性的相對重要性排序仍然與整體保持一致，即封存技術＞捕集技術＞運輸技術，只是具體數值上有所不同。其中，不同部門的專家對封存方式的效用值評估大致相同，即對陸上咸水層和EOR的偏好程度大于ECBM和海底咸水層，這與整體水平效用值相一致。對于捕集方式各個水平的效用值，四組專家均認為高濃度排放源比富氧燃燒、燃燒前捕集和燃燒后捕集更值得優先發展。

對于運輸方式的各個水平的效用值，來自政府和產業部門的專家認為管道運輸應優先于船舶運輸進行示范，這與其他兩組專家意見相左。具體來講，CO2運輸方式主要有罐車運輸、管道運輸和船舶運輸，這些方法在中國被廣泛應用于運輸其他物質。運輸方式的選擇主要取決于源匯距離，當CCS項目處于示范階段，由于規模小、運輸量小，CO2源匯匹配存在變數，應主要采取罐車運輸的方式;當面臨CO2運輸量大、運輸方向確定時，需要首先進行區域內的源匯匹配，才能制定高效的運輸規劃，根據具體情況采用管道運輸或船舶運輸。在CCS示范初期，源匯匹配變數較大，使用船舶運輸的方式有著較大的靈活性，因此研究機構和NGO部門的專家比較支持優先發展船舶運輸。而管道運輸具有經濟、迅速、安全、可靠、投資少、占地少等特點，符合我國尋找運輸成本低且安全性高的運輸方式的要求。長期看來，管道運輸相對船舶運輸來講具有更大的發展潛力。在CCS技術組合示范階段，對政策制定者(政府部門)和主體實施者(工業部門)來說，更多的是從國家戰略和運輸成本的角度來考慮，因而這類專家認為中國應該優先部署管道運輸的研發和示范活動。

3.4 技術組合偏好模擬分析

聯合分析法的主要目的并非單純考察重要性和效用值，而是希望利用效用值模擬來得到專家對CCS技術組合的偏好程度，以給出中國CCS技術組合優先示范建議。技術組合的偏好份額通常用該組合的效用值與整體效用值之比來表示，通過SPSS編制語句，我們可以得到技術組合偏好模擬結果，見表7。

根據不同的分析原理，一共擬合了三種技術組合偏好模型:最大效用模型、BTL模型和Logit模型。三種模型的擬合結果在數值上有較大的差別，但對市場占有率高低的排序卻基本上一致。在模擬占有率的方法中，一般以最大效用模型的結果最為常用，故本文重點使用該模型來進行分析。

如表7所示，專家對第2種技術組合偏好程度遠遠高于其他組合方式，即將從高濃度排放源捕集的CO2通過管道運輸到封存地，并采用EOR技術進行封存的技術組合最受專家青睞。接下來依次是陸上咸水層/高濃度排放源/船舶運輸、EOR/燃燒后捕集/管道運輸、EOR/富氧燃燒/船舶運輸、EOR/燃燒前捕集/船舶運輸、陸上咸水層/富氧燃燒/管道運輸、陸上咸水層/燃燒前捕集/管道運輸、陸上咸水層/燃燒后捕集/船舶運輸、海底咸水層/高濃度排放源/船舶運輸、ECBM/高濃度排放源或燃燒后捕集/管道運輸、ECBM/燃燒前捕集或富氧燃燒/船舶運輸的技術組合。得分較低的5、10、12、16都是在ECBM封存技術下集成采用不同捕集和運輸方式的技術組合，因此可將其歸為一類。上述十種技術組合可視為專家篩選出的全流程CCS技術組合示范。此外，海底咸水層/燃燒后捕集/船舶運輸、海底咸水層/富氧燃燒或燃燒前捕集/管道運輸三種技術組合的最大效用值為零，代表專家不大看好這三個技術組合的發展潛力。

表6 各部門專家對CCS技術組合的偏好和水平效用值Tab.6 Importance and utilities for all factor levels of different experts

表7 技術組合偏好模擬占有率Tab.7 Simulative percentage of technology scenarios

這十種不同的全流程示范技術組合結果是專家基于前期擬定的技術組合篩選標準以及各自對CCS各環節技術和其發展的認識而做出的評價，對我國推進CCS技術的發展具有很強的指導作用。首先，專家建議應加強陸上咸水層和EOR兩種封存方式與多種捕集方式的集成示范和規模放大，逐步在2030年前形成大規模的示范工程，并通過這些全流程CCS技術示范形成的共性技術和經驗，推動其他集成系統的技術示范。具體的，對于陸上咸水層封存，可優先結合高濃度排放源開展全流程技術示范;對EOR封存方式，應優先結合發展潛力巨大的高濃度排放源和技術相對成熟的燃燒后捕集方式進行示范，另也可考慮富氧燃燒和燃燒前捕集方式，其示范機會應盡量均等。其次，對于ECBM，專家認為可結合任一捕集方式開展技術示范，但由于ECBM具有酸氣腐蝕性強的特性，目前國內還沒有過工程示范，因此，專家認為早期示范規模不必太大。最后，由于海底咸水層的工程難度較大，在國內尚無示范先例，故專家建議在今后可考慮結合高濃度排放源進行示范發展。

4 結論

本文利用聯合分析法分析了各部門專家對CCS全流程示范技術的接受和偏好程度，以了解專家對開展CCS技術研發與示范的態度和意見，從而為我國統籌協調與規劃CCS技術全流程研發與示范提供參考。研究表明，封存方式、捕集方式和運輸方式這三大因素都是影響專家對CCS技術組合做出選擇的重要因素，其中封存方式是最重要的因素，其次是捕集方式和運輸方式。不同部門的專家在運輸方式的選擇上也存在一定的差異。最后通過模擬分析，我們篩選了近10種全流程CCS技術示范組合，其中以EOR/高濃度排放源/管道運輸的組合方案最佳。

近年來，通過加強政府研發技術投入以及國際合作，我國CCS技術發展取得了一定進步，但在相關基礎研究、核心技術的研發和掌握上與國際領先水平還存在一定的差距，因此，我們建議我國應對CCS各種技術進行并行的研發和示范，并盡快結合專家們的建議，在恰當的時機選擇出最有利于中國發展CCS的技術組合，針對CCS分階段發展目標與重點進行統一部署，建立起CCS相關部門的協調機制，保障涉及多部門的全流程示范有序開展，推進CCS在中國的發展。

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