北京市未來產業之碳捕集封存利用發展及展望研究

摘要：未來產業是由原始創新技術、交叉融合技術推動，能夠創造新需求和新場景，對經濟社會具有支撐引領作用，當前處于萌芽或產業化初期，具備在未來5到15年成長為千億規模潛力的產業。在北京市重點發展的未來產業六大領域中的未來能源，重點提到了碳捕集封存利用。本文通過分析我國碳捕集封存利用現狀，進一步研究碳捕集封存利用技術方向，北京市發展CCUS產業化路徑建議及促進其發展的支持政策，以供參考。

關鍵詞：未來產業；二氧化碳；碳達峰；碳中和；碳捕集封存利用

DOI：10.12433/zgkjtz.20241511

一、研究背景

2024年1月，工業和信息化部、教育部、科技部、交通運輸部、文化和旅游部、國務院國資委、中國科學院七部門聯合印發《關于推動未來產業創新發展的實施意見》，提出搶占未來產業新賽道，構筑未來發展新優勢，打造世界未來產業重要策源地。在此之前，北京市人民政府于2023年9月，發布了《北京市促進未來產業創新發展實施方案》，科技資源優勢在北京市具有領先于全國絕對明顯的地位，北京市可以源源不斷的輸出前沿技術能力，并以此引領新場景、創造新需求，從政策鏈、創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈、生態鏈、價值鏈七鏈集成融合發展，全方位打造未來產業生態。

北京市未來產業需要打造從技術創新、到產品孵化、到標準制定、再到場景應用的不斷聯動與迭代、升級，只有技術實現產品化、產品實現產業化、產業實現成熟商業化以及規模化，才算構建起全鏈條、全周期的未來產業生態。北京市六大未來產業分為20多個細分領域，均為前沿技術領域，具有顛覆性創新意義，在不同的區域做重點未來產業布局和發展。

在北京市重點發展的未來產業六大領域中的未來能源，重點提到了碳捕集封存利用。碳捕集關鍵材料，包括高性能吸收劑、吸附劑及膜等要重點研究開發。在核心技術突破，要加大示范工程應用，尤其是基于京津冀區域的火電、鋼鐵、化工、水泥等排碳大戶的行業規模大，特色明顯，可以在京津冀地區優先開展示范應用。

“碳達峰”、“碳中和”（簡稱“雙碳”）目標的實現，“一條腿”是打通儲能環節，調劑風、光、水電等可再生能源的峰谷波動，提升上網和利用效率，使之逐步替代化石能源；“另一條腿”就是盡可能減少煤炭、油氣這些“舊能源”排放的二氧化碳，其中關鍵環節就是打通碳捕集封存利用。

二、碳捕集封存利用技術發展現狀

（一）碳捕集封存利用是實現雙碳目標關鍵性技術之一

CCUS（Carbon Capture Utilization and Storage）是碳捕集封存與利用的簡稱，通常二氧化碳的來源路徑有工業過程、能源利用或大氣中排放。而CCUS則是指通過研究應用將二氧化碳捕獲并分離出來，基于二氧化碳在生產、生活過程中具備作為產品或技術服務的價值，因此可將捕獲的二氧化碳當作原材料，進行資源化利用，或者在過剩的情況下將其封存起來，辦法主要有注入地層或關進海底，以實現減排二氧化碳的目標。

CCUS由二氧化碳的捕集、運輸、利用和封存四個環節構成，各個環節既可以共同參與，也可以某幾個環節搭配處理，比如CS（碳捕集與封存）、CU（碳捕集與利用）、CTS（碳捕集、運輸與封存）等不同處理環節。在不可能完全放棄化石能源的條件下，CCUS是實現《巴黎協定》溫控目標的必要技術手段，各國對CCUS重視程度不斷提升。

碳中和好比一座天平，兩端分別是碳源（碳排放）和碳匯（碳去除），尋求正負抵消。CCUS產業化是將二氧化碳作為研究和應用的主體，對其在捕集、運輸、利用、封存的不同環節進行技術研究，并將技術轉化為產業化，實現商業價值。CCUS技術產業化可以促進低碳經濟高質量增長，有助于實現轉型升級。

據國際能源署（IEA）測算，要實現聯合國設定的2050年減排目標，通過CCUS處理的二氧化碳需要從2020年的每年約4千萬噸增至2050年的至少每年56億噸，這個需要增長的規模巨大，帶來的產業化空間也是非常巨大的。中國生態環境部環境規劃院所指出， 2050年和2060年中國需要通過CCUS技術實現的減排量分別為6億～14億噸和10億～18億噸二氧化碳。據壹行研（Innova Research）預測，從2021年到2030年這10年間，中國CCUS二氧化碳處理量的年復合增長率將超過100%。

（二）二氧化碳捕集技術和資源化利用

目前最常見的二氧化碳封存技術包括物理法、化學法和生物法三個細分技術路線。二氧化碳捕集方法有燃料燃燒前捕集、富氧燃燒捕集和燃燒后捕集。燃料燃燒后二氧化碳捕集方法主要有：吸收法、吸附法、低溫蒸餾、膜分離和微生物系統方法等。

二氧化碳捕集后資源化利用場景廣泛，可用于植物化肥原料生產、食品制作、化工生產、日用品、地質利用、礦化固碳、生物利用等方面。一是捕集得到純度不高的二氧化碳可在石油開采過程中用于地質驅油；二是二氧化碳在食品制作中的應用主要為面包和啤酒中添加；三是二氧化碳化工利用主要是通過化學反應將二氧化碳轉化為有價值的目標產物，如尿素、二氧化硅、一氧化碳，碳酸乙烯酯，用于紡織、印染、電化學高分子合成溶劑、鋰電池等；四是二氧化碳在工業工程中用作超臨界萃取劑、溶劑、發泡劑、制冷劑、膨化劑、焊接保護氣體、消防滅火劑；五是二氧化碳發展富碳農業，指通過植物光合作用，將二氧化碳用于生物質的合成。二氧化碳能夠提高農作物的產量和生產效率，比如像花、茄子、西紅柿等產品，加入適量二氧化碳一般增產可達20%到40%，同時可以縮短生長周期。六是二氧化碳處理工業固廢，粉煤灰、爐渣、鋼渣等，工業固廢通常含有大量的鈣、鎂元素，利用礦化技術原理，可作為二氧化碳碳酸化所需鈣離子、鎂離子的來源，以替代天然礦石對二氧化碳進行捕集和封存。礦化封存二氧化碳后的灰渣不僅可以用于混凝土的養護，還可以用于生產經濟價值較低的常規建筑材料。

圖1" 二氧化碳資源化利用途徑

（三）二氧化碳資源化利用經濟價值和社會效益潛力巨大

二氧化碳在富碳農業、生物質燃料、低碳水泥、合成燃料等方面可以創造顯著的經濟效益和社會價值。如何在CCUS中“U”的環節將二氧化碳變廢為寶，可以帶來相關產業鏈的聚集，有效掌控和駕馭碳循環。未來研發二氧化碳資源化利用的新技術、新工藝、新裝備，降低資源化利用的成本，經濟價值和社會效益潛力巨大。

2023年7月，中國21世紀議程管理中心、全球碳捕集與封存研究院、清華大學在全球碳捕集利用與封存項目進展研討會上聯合發布了《中國碳捕集利用與封存年度報告（2023）》。目前，我國CCUS發展處于較為領先的地位。同時，CCUS技術發展各環節發展并不均衡，有些環節已實現國際領先水平，而有些還處于初期階段，與規模化商業應用仍存在不同程度的差距。

（四）國際能源、化工巨頭加大力度布局CCUS

國際化工巨頭，巴斯夫、道達爾、中石化、陶氏、埃克森美孚等紛紛加大力度布局CCUS，并作為新的業務增長點。以道達爾能源為例，作為法國能源公司、全球五大國際油氣巨頭，道達爾能源在挪威、英國、中國以及加拿大均部署了CCUS項目。公司計劃，到2030年，將通過各種方式實現年1000萬噸以上的二氧化碳封存能力。

公司當前將10%的研發經費投入到CCUS。2023年9月，大規模的3兆瓦化學鏈燃燒 （CLC） 碳捕集中試裝置在四川德陽投用，該裝置由道達爾能源與東方鍋爐、清華大學等單位共同設計，總投資約2000萬歐元。在生產蒸汽的同時，該項目可捕獲高純度二氧化碳，并使碳捕集引起的供電效率損失從10個百分點以上降低到4個百分點以內。

（五）中國CCUS各環節技術現狀

在“雙碳”目標下，近年來，我國技術發展迅速，在二氧化碳大規模捕集、管道輸送、利用與封存的多個板塊處于國際領先水平。據不完全統計，當前我國規劃和建設的CCUS示范項目總數接近100個，尤其是在電力、油氣、化工、水泥、鋼鐵等排碳大戶的行業，應用最為廣泛。其中50%以上的CCUS項目建成投產，二氧化碳捕集能力超過每年400萬噸，注入能力超過每年200萬噸。

二氧化碳捕集技術目前國際領先水平已發展到第三代。第一代捕集技術，分為燃燒前物理法和燃燒后化學法。其中我國在燃燒前物理法發展比較成熟，實現成熟商業應用，處于國際領先水平；而燃燒后化學法，我國與國際先進水平還存在差距，比如已經有國家處于商業應用階段，而我國還處于工業示范階段。而對于更先進的第二代和第三代捕集技術，我國發展相對滯后。在創新領域方面，我國在生物能源與碳捕集和儲存（BECCS）及直接空氣捕集（DAC）等負排放技術領域也在積極開展有益探索。

我國在制備高附加值化學品方面，二氧化碳重整制備合成氣和甲醇技術較為領先，例如中科院大連化物所和中煤集團在鄂爾多斯立項開展每年10萬噸二氧化碳加氫制甲醇工業化項目。

在二氧化碳礦化利用方面，我國鋼渣和磷石膏礦化利用技術已接近商業應用水平，例如包鋼開展了碳化法鋼渣綜合資源化利用二氧化碳項目，每年可利用鋼渣10萬噸，工程應用處于全球領先水平。

三、政策驅動CCUS產業大發展

（一）中國CCUS相關的政策文件陸續出臺

截至2023年，我國發布近100項鼓勵和促進發展CCUS技術和產業的相關政策文件，重點鼓勵在CCUS技術方面積極開展研發、顛覆式創新、產業化落地、示范工程應用、投融資、資本引進等。

我國科技界、產業界賦予CCUS戰略儲備技術定位。2022年8月，科技部、國家發展改革委、工業和信息化部等九部門聯合發布了《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030年）》。實施方案提出，到2025年實現重點行業和領域低碳關鍵核心技術的重大突破，單位國內生產總值（GDP）二氧化碳排放及單位GDP能源消耗下降速度明顯。

實現CCUS商業化推廣，一方面需要通過技術創新、研發，降低成本；另一方面還需配套的商業環境和政策支持，比如發展碳市場，并把CCUS納入碳交易體系。

（二）北京市政府重視CCUS技術和產業發展

2022年10月，北京市人民政府印發了《北京市碳達峰實施方案》，扎實推進北京市CCUS相關工作。文件提出強化低碳技術創新，推進能源領域國家實驗室建設。開展雙碳科技創新專項行動，實現核心技術突破和產業化示范應用。加速雙碳科技成果轉化，搭建CCUS應用場景。

2023年10月，北京市科委等四部門印發《北京市碳達峰碳中和科技創新行動方案》。依托相關國家戰略科技力量和各類重點實驗室、技術創新中心等，支持重點企業牽頭打造創新聯合體，加快推進科研攻關、創新引領、人才引育等相關工作，為碳達峰、碳中和提供有力科技支撐。《方案》明確2025年、2030年的主要目標。到2025年與超大型城市特征相適應的雙碳科技支撐能力顯著提升；在2030年前形成“雙碳”科技創新體系與綠色產業技術應用體系，建設具有國際影響力和區域輻射力的綠色技術創新中心。

2024年1月，北京市經濟和信息化局為落實《北京市碳達峰實施方案》《北京市促進未來產業創新發展實施方案》等有關政策，探索二氧化碳捕集利用封存技術突破，推動低碳應用場景建設，研究促進CCUS產業發展政策，積極征集儲備一批CCUS領域工藝、技術、產品、裝備和示范項目。

2024年5月，海淀區人民政府印發了《北京市海淀區碳達峰實施方案》。海淀區作為北京市產業大區，產業基礎好，同時，海淀區極具特色的科研教育生態，奠定了其作為世界領先的未來產業策源高地，會源源不斷的產出科技前沿成果，尤其在CCUS領域，海淀區愿意且有能力領先布局前沿技術和產業化落地。海淀區推進雙碳工作的總體思路是“1+2+2+N”，即圍繞綠色技術創新一個內核，構建綠色低碳循環產業和能源兩個體系，聚焦重點領域和重點主體兩個綠色低碳轉型，推動工業、建筑、交通等N個重點領域低碳發展。

（三）其他城市在CCUS技術和產業發展方面的支持

2022年6月，上海市政府發布《上海市瞄準新賽道促進綠色低碳產業發展行動方案（2022—2025年）》中提出：在碳捕集及應用領域加強集成創新，實現彎道超車。推動CCUS應用場景在長三角區域化工、鋼鐵、火電、水泥等行業示范應用。2022年11月，中國石化與殼牌、中國寶武、巴斯夫在上海簽署合作諒解備忘錄，在華東地區啟動千萬噸級CCUS項目，為長三角地區工業企業提供減碳方案。

2024年2月，廣東省發展改革委、科技廳、工信廳聯合印發《廣東省培育發展未來綠色低碳產業集群行動計劃》，提出要著力突破高效低成本碳捕集技術和裝備，推動新型低濃度二氧化碳捕集技術在電力、化工和水泥等行業的示范應用，探索直接空氣二氧化碳捕集（DAC）等前沿技術。建立車、船、管等多渠道綜合二氧化碳運輸體系。拓展碳利用應用場景，加快二氧化碳資源化利用技術研發，優化開發高附加值碳利用技術，探索二氧化碳制淀粉等前沿技術，推動二氧化碳的化工利用、生物利用、礦化利用以及提高油氣采收率等技術的示范應用。支持油氣、電力、化工等企業與科研機構，聯合開展老油氣田、咸水層和玄武巖等儲集體的二氧化碳地質封存以及二氧化碳監測、風險評估等關鍵技術研發和應用。鼓勵研發吸收劑、吸附劑、膜、催化劑等關鍵材料，二氧化碳捕集裝置、運輸管道、地質利用與封存設備等鋼材防腐技術，以及大型壓縮機、水—巖反應器、二氧化碳注入設備、二氧化碳監測系統等核心裝備。鼓勵綠色石化、先進材料等產業集群部署大規模CCUS產業化項目。結合廣東二氧化碳源匯匹配特點，依托惠州大亞灣石化基地、湛江東海島石化產業園區、粵東粵西地區沿海高性能火電機組等沿海二氧化碳排放源富集區，加快大亞灣區CCUS集群項目、粵西CCUS集群項目落地，研究布局二氧化碳綜合運輸網絡，打造珠三角技術研發基地、粵西材料裝備制造基地，培育沿海經濟帶CCUS產業集群。

四、北京市發展CCUS產業化路徑及建議

二氧化碳的捕集和利用正在形成新的產業鏈，形成新機遇。北京市當下大力布局的未來產業鏈，應該主動把握這種全新的產業生態，謀劃技術創新和產業發展路徑，從政、產、學、研四方合力推動CCUS產業體系做大做強。

北京市在發展CCUS產業方面具有其他城市不可比擬的獨特優勢。2023年，全球未來產業發展指數報告顯示，未來產業二十強城市榜單中，美國位居全球第一，中國位居全球第二。其中，北京上榜企業位列全國第一，具有絕對領先的地位。北京科技創新、人才、技術、資金、市場等具有全國獨特的優勢，可以全方位打造包括CCUS在內的多個未來產業生態。

（一）加強原始創新，推進底層和顛覆性技術突破

北京科研資源豐富，國家實驗室、科技領軍企業、專精特新企業等技術實力強，鼓勵從事CCUS研發、創新和產業化的機構加快形成前沿性、交叉性、顛覆性技術原創成果，實現CCUS領域更多從0到1的突破。積極探索負碳與碳轉化前沿技術。

（二）加速升級迭代，推動低碳和零碳技術裝備攻關

能源綠色低碳轉型支撐技術，研發低能耗的百萬噸級二氧化碳捕集利用與封存全流程成套工藝和關鍵技術；繼續深化CCUS等綠色技術領域國際合作與交流，加強人才培養和創新能力建設。著眼長遠加大CCUS與清潔能源融合的工程技術研發，與具備合適的資源和地區廣泛開展礦化封存、陸上和海洋地質封存技術研究合作。

（三）強化場景驅動，示范引領，推動“雙碳”科技成果轉化應用

研究CCUS與工業流程耦合技術及示范、應用于船舶等移動源的CCUS技術、新型碳捕集材料與新型低能耗低成本碳捕集技術、與生物質結合的負碳技術（BECCS）。

針對重點區域和行業乃至全市實現“雙碳”目標的重大科技需求，在京津冀區域開展綜合技術示范，推進科技成果落地實施，打造“雙碳”項目樣板工程，引領津冀協同發展。

五、結語

北京市在發展CCUS產業化方面具有獨特的優勢，下一步從有利于CCUS發展的政策鏈、創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈、生態鏈、價值鏈等多方面共同主力，構建CCUS未來產業創新發展生態，打造技術產品化、產品產業化、產業規模化的全鏈條生態，經濟價值和社會效益潛力無限。我們希望在推動雙碳目標實現過程中，貢獻北京智慧和北京力量。

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