北京市未来产业之碳捕集封存利用

发展现状与展望

韩菲子

摘要：未来产业是由原始创新技术、交叉融合技术推动，能够创造新需求和新场景，对经济社会具有支撑引领作用，当前处于萌芽或产业化初期，具备在未来5到15年成长为千亿规模潜力的产业。在北京市重点发展的未来产业六大领域中的未来能源，重点提到了碳捕集封存利用。本文通过分析我国碳捕集封存利用现状，进一步研究碳捕集封存利用技术方向和产业政策，最后提出北京市发展碳捕集封存利用产业化路径建议及促进其发展的支持政策。

关键词：未来产业；二氧化碳；碳中和；碳捕集封存利用；产业化

一、背景

2024年1月，工业和信息化部、教育部、科技部、交通运输部、文化和旅游部、国务院国资委、中国科学院七部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》（工信部联科〔2024〕12号），提出抢占未来产业新赛道，构筑未来发展新优势，打造世界未来产业重要策源地[1]。

在此之前，北京市人民政府于2023年9月，发布了《北京市促进未来产业创新发展实施方案》，北京科技资源优势明显，且在全国具有绝对领先的地位，北京市可以源源不断地输出前沿技术能力，并以此引领新场景、创造新需求，从政策链、创新链、产业链、资金链、人才链、生态链、价值链七链集成融合发展，全方位打造未来产业生态。

北京市未来产业正在打造从技术创新、到产品孵化、到标准制定、再到场景应用的不断联动与迭代、升级与转化的全链条。只有技术实现产品化、产品实现产业化、产业实现成熟商业化以及规模化，才算构建起全链条、全周期的未来产业生态。北京市六大未来产业细分为20多个领域，均为前沿技术领域，具有颠覆性创新意义，北京各区积极谋划与本区相适应的细分未来产业布局和发展。

表1 北京市六大未来产业细分领域

在北京市重点发展的未来产业六大领域[2]中的未来能源，重点提到了碳捕集封存利用。加快高性能吸收剂、吸附剂及膜材料等碳捕集关键材料开发，推动生物质能碳捕集与封存、直接空气碳捕集与封存等负碳技术研发，突破二氧化碳制备燃料和烯烃、光电催化转化、生物固定转化等二氧化碳转化利用技术，推动在京津冀区域火电、钢铁、化工、水泥等行业示范应用。

二、碳捕集封存利用技术和产业化发展现状

(一)碳捕集封存利用是实现“双碳”目标关键性技术之一

CCUS是Carbon Capture，Utilization and Storage（碳捕集封存与利用）的简称，通常二氧化碳的来源有工业过程、能源利用或大气中排放。而CCUS则是指通过研究应用将二氧化碳捕获并分离出来，基于二氧化碳在生产、生活过程中具备作为产品或技术服务的价值，因此可将捕获的二氧化碳当作原材料，进行资源化利用，或者在过剩的情况下将其封存起来，办法主要有注入地层或封存到海底，以实现减排二氧化碳的目标[3]。

CCUS由二氧化碳的捕集、运输、利用和封存四个环节构成，各个环节既可以共同参与，也可以某几个环节搭配处理，比如CS（碳捕集与封存）、CU（碳捕集与利用）、CTS（碳捕集、运输与封存）等不同处理环节。在不可能完全放弃化石能源的条件下，CCUS是减少二氧化碳排放的关键技术之一，是实现《巴黎协定》温控目标的必要技术手段，各国对CCUS重视程度不断提升。

碳中和好比一座天平，两端分别是碳源（碳排放）和碳汇（碳去除），寻求正负抵消。CCUS产业化是将二氧化碳作为研究和应用的主体，对其在捕集、运输、利用、封存的不同环节进行技术研究，并将技术转化为产业化，实现商业价值。CCUS技术产业化可以促进低碳经济高质量增长，有助于实现转型升级。

据国际能源署（IEA）测算，要实现联合国设定的2050年减排目标，通过CCUS处理的二氧化碳需要从2020年的每年约4千万吨增至2050年的至少每年56亿吨，这个需要增长的规模巨大，带来的产业化空间也是非常巨大的。

中国生态环境部环境规划院指出，2050年和2060年中国需要通过CCUS技术实现的减排量分别为6亿～14亿吨和10亿～18亿吨二氧化碳。据壹行研（Innova Research）预测，从2021年到2030年这10年间，中国CCUS二氧化碳处理量的年复合增长率将超过100%。

（二）二氧化碳捕集技术和资源化利用路线

目前最常见的二氧化碳封存技术包括物理法、化学法和生物法三个细分技术路线。二氧化碳捕集方法有燃料燃烧前捕集、富氧燃烧捕集和燃烧后捕集。燃料燃烧后二氧化碳捕集方法主要有：吸收法、吸附法、低温蒸馏、膜分离和微生物系统方法等。

二氧化碳捕集后资源化利用场景广泛[5]，可用于植物化肥原料生产、食品制作、化工生产、日用品、地质利用、矿化固碳、生物利用等方面。一是捕集得到纯度不高的二氧化碳可在石油开采过程中用于地质驱油；二是二氧化碳在食品制作中的应用主要为面包和啤酒中添加；三是二氧化碳化工利用主要是通过化学反应将二氧化碳转化为有价值的目标产物，如尿素、二氧化硅、一氧化碳，碳酸乙烯酯，用于纺织、印染、电化学高分子合成溶剂、锂电池等；四是二氧化碳在工业工程中用作超临界萃取剂、溶剂、发泡剂、制冷剂、膨化剂、焊接保护气体、消防灭火剂；五是利用二氧化碳捕集技术，发展富碳农业，能够提高农作物的产量和生产效率，相关实验数据表明，增加环境中的二氧化碳浓度对于茄子、番茄等农作物，以及部分花卉植物，增产效果显著，同时可以缩短生长周期。六是二氧化碳处理工业固废，粉煤灰、炉渣、钢渣等，工业固废通常含有大量的钙、镁元素，利用矿化技术原理，可作为二氧化碳碳酸化所需钙离子、镁离子的来源，以替代天然矿石对二氧化碳进行捕集和封存。矿化封存二氧化碳后的灰渣不仅可以用于混凝土的养护，还可以用于生产经济价值较低的常规建筑材料。

图1 二氧化碳资源化利用途径

二氧化碳在富碳农业、生物质燃料、低碳水泥、合成燃料等方面可以创造显著的经济效益和社会价值。如何在CCUS中“U”的环节将二氧化碳变废为宝，可以带来相关产业链的聚集，有效掌控和驾驭碳循环。未来研发二氧化碳资源化利用的新技术、新工艺、新装备，通过降低CCUS工艺的成本，经济价值和社会效益潜力巨大。

（三）国际能源、化工巨头加大力度布局CCUS

国际化工巨头，巴斯夫、道达尔、中石化、陶氏、埃克森美孚等纷纷加大力度布局CCUS，并作为新的业务增长点。以道达尔能源为例，作为法国能源公司、全球五大国际油气巨头，道达尔能源在挪威、英国、中国以及加拿大均部署了CCUS项目。公司计划，到2030年，将通过各种方式实现年1000万吨以上的二氧化碳封存能力。

道达尔能源公司当前将10%的研发经费投入到CCUS。2023年9月，大规模的4兆瓦化学链燃烧（CLC）碳捕集中试装置在四川德阳投用，该装置由道达尔能源与东方锅炉、清华大学等单位共同设计，总投资约2000万欧元。在生产蒸汽的同时，该项目可捕获高纯度二氧化碳，并使碳捕集引起的供电效率损失从10个百分点以上降低到4个百分点以内。

（四）中国CCUS各环节技术现状

CCUS技术是我国实现碳达峰碳中和目标技术组合不可或缺的重要组成部分。在“双碳”目标下，近年来，我国技术发展迅速，在二氧化碳大规模捕集、管道输送、利用与封存的多个板块处于国际领先水平[4]。据不完全统计，当前我国规划和建设的CCUS示范项目总数接近100个，尤其是在电力、油气、化工、水泥、钢铁等排碳大户的行业，应用最为广泛。其中50%以上的CCUS项目建成投产，二氧化碳捕集能力超过每年400万吨，注入能力超过每年200万吨。

2024年3月，生态环境部环境规划院发布《中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2024）—中国区域二氧化碳地质封存经济可行性研究》。目前，我国CCUS发展整体上处于较为领先的地位。然而，CCUS技术发展各环节发展并不均衡，有些环节已实现国际领先水平，而有些还处于初期阶段，与规模化商业应用仍存在不同程度的差距。

目前，二氧化碳捕集技术国际领先水平已发展到第三代。第一代捕集技术，分为燃烧前物理法和燃烧后化学法。其中我国在燃烧前物理法发展比较成熟，实现成熟商业应用，处于国际领先水平；而燃烧后化学法，我国与国际先进水平还存在差距，比如已经有国家处于商业应用阶段，而我国还处于工业示范阶段。而对于更先进的第二代和第三代捕集技术，我国发展相对滞后。在创新领域方面，我国在生物能源与碳捕集和储存（BECCS）及直接空气捕集（DAC）等负排放技术领域也在积极开展有益探索。

我国在制备高附加值化学品方面，二氧化碳重整制备合成气和甲醇技术较为领先，例如中科院大连化物所和中煤集团在鄂尔多斯立项开展每年10万吨二氧化碳加氢制甲醇工业化项目。

在二氧化碳矿化利用方面，我国钢渣和磷石膏矿化利用技术已接近商业应用水平，例如包钢开展了碳化法钢渣综合资源化利用二氧化碳项目，每年可利用钢渣10万吨，工程应用处于全球领先水平。

三、政策驱动CCUS产业快速发展

（一）中国CCUS相关的政策文件陆续出台

截至2023年，我国发布近100项鼓励和促进发展CCUS技术和产业的相关政策文件，重点鼓励在CCUS技术方面积极开展研发、颠覆式创新、产业化落地、示范工程应用、投融资、资本引进等。

我国科技界、产业界赋予CCUS战略储备技术定位。2022年8月，科技部、国家发展改革委、工业和信息化部等九部门联合发布了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》（以下简称《实施方案》）。《实施方案》提出，到2025年实现重点行业和领域低碳关键核心技术的重大突破，支撑单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2020年下降18%，单位GDP能源消耗比2020年下降13.5%。到2030年，形成一批支撑降低粗钢、水泥、化工、有色金属行业二氧化碳排放的科技成果，实现低碳流程再造技术的大规模工业化应用。

围绕前沿颠覆性低碳技术创新行动，《实施方案》指出，聚焦新能源开发、二氧化碳捕集利用、前沿储能等重点方向基础研究最新突破，加快培育颠覆性技术创新路径；建立前沿和颠覆性技术的预测、发现和评估预警机制，定期更新碳中和前沿颠覆性技术研究部署。

《实施方案》强调，聚焦碳捕集利用与封存（CCUS）技术的全生命周期能效提升和成本降低，力争到2025年实现单位二氧化碳捕集能耗比2020年下降20%，到2030年下降30%，实现捕集成本大幅下降。

《实施方案》提到，到2030年建成50个不同类型重点低碳零碳技术应用示范工程，形成一批先进技术和标准引领的节能降碳技术综合解决方案。

（二）北京市政府重视CCUS技术和产业发展

2022年10月，北京市人民政府印发了《北京市碳达峰实施方案》，扎实推进北京市CCUS相关工作。文件提出强化低碳技术创新，推进能源领域国家实验室建设。开展“双碳”科技创新专项行动，实现核心技术突破和产业化示范应用。加速“双碳”科技成果转化，搭建CCUS应用场景。

2023年10月，北京市科委等四部门印发《北京市碳达峰碳中和科技创新行动方案》（以下简称《行动方案》）。依托相关国家战略科技力量和各类重点实验室、技术创新中心等，支持重点企业牵头打造创新联合体，加快推进科研攻关、创新引领、人才引育等相关工作，为碳达峰、碳中和提供有力科技支撑。《行动方案》明确了2025年、2030年的主要目标：到2025年与超大型城市特征相适应的“双碳”科技支撑能力显著提升；在2030年前形成“双碳”科技创新体系与绿色产业技术应用体系，建设具有国际影响力和区域辐射力的绿色技术创新中心。

2024年1月，北京市经济和信息化局为落实《北京市碳达峰实施方案》《北京市促进未来产业创新发展实施方案》等有关政策，探索二氧化碳捕集利用封存技术突破，推动低碳应用场景建设，研究促进CCUS产业发展政策，积极征集储备一批CCUS领域工艺、技术、产品、装备和示范项目。

2024年5月，海淀区人民政府印发了《北京市海淀区碳达峰实施方案》。海淀区作为北京市产业大区，产业基础好，同时，海淀区极具特色的科研教育生态，奠定了其打造世界领先的未来产业策源高地，源源不断地产出科技前沿成果的基础，尤其在CCUS领域，海淀区愿意且有能力领先布局前沿技术和产业化落地。海淀区推进“双碳”工作的总体思路是“1+2+2+N”，即围绕绿色技术创新一个内核，构建绿色低碳循环产业和能源两个体系，聚焦重点领域和重点主体两个绿色低碳转型，推动工业、建筑、交通等N个重点领域低碳发展。依托中关村科学城优势，集聚区内科研资源和科研力量，打造碳达峰、碳中和基础与前沿技术创新策源地。加强气候变化成因及影响、生态系统碳循环、温室气体计量监测与核算等基础理论和方法研究；加强高效光伏电池、新型核能发电技术、电力多元高效转换技术、前沿储能技术、二氧化碳高值化转化利用技术、空气中二氧化碳直接捕集技术等前沿和颠覆性低碳技术研究。

（三）其他城市在CCUS技术和产业发展方面的支持

2022年6月，上海市政府发布了《上海市瞄准新赛道促进绿色低碳产业发展行动方案（2022—2025年）》提出[6]：在碳捕集及应用领域加强集成创新，实现弯道超车。推进新一代相变型二氧化碳捕集技术应用，突破溶剂损耗、再生热耗等关键指标，降低捕集成本。加快二氧化碳生物、化工、材料、矿化等转化技术研究，推进二氧化碳制碳纳米管等高值化学品的产业化试点，开展万吨级二氧化碳捕集及制甲醇示范。推动CCUS应用场景向化工、钢铁等其他行业拓展，加快与储能、氢能等技术的集成发展。

2022年11月，中国石化与壳牌、中国宝武、巴斯夫在上海签署合作谅解备忘录，在华东地区启动千万吨级CCUS项目，为长三角地区工业企业提供减碳方案。该项目将为华东地区工业企业提供一体化二氧化碳减排方案。项目将长江沿线等工业企业，比如钢铁厂、化工厂、电厂、水泥厂等的碳源通过槽船集中运输至二氧化碳接收站，通过距离较短的管线再把接收站的二氧化碳输送至陆上或海上的封存点，为华东地区长江沿线工业企业提供灵活、有效的、一体化二氧化碳减排方案。

2024年2月，广东省发展改革委、科技厅、工信厅联合印发《广东省培育发展未来绿色低碳产业集群行动计划》，提出要着力突破高效低成本碳捕集技术和装备，推动新型低浓度二氧化碳捕集技术在电力、化工和水泥等行业的示范应用，探索直接空气二氧化碳捕集（DAC）等前沿技术。建立车、船、管等多渠道综合二氧化碳运输体系。拓展碳利用应用场景，加快二氧化碳资源化利用技术研发，优化开发高附加值碳利用技术，探索二氧化碳制淀粉等前沿技术，推动二氧化碳的化工利用、生物利用、矿化利用以及提高油气采收率等技术的示范应用。支持油气、电力、化工等企业与科研机构，联合开展老油气田、咸水层和玄武岩等储集体的二氧化碳地质封存以及二氧化碳监测、风险评估等关键技术研发和应用。鼓励研发吸收剂、吸附剂、膜、催化剂等关键材料，二氧化碳捕集装置、运输管道、地质利用与封存设备等钢材防腐技术，以及大型压缩机、水—岩反应器、二氧化碳注入设备、二氧化碳监测系统等核心装备。鼓励绿色石化、先进材料等产业集群部署大规模CCUS产业化项目。

结合广东二氧化碳源汇匹配特点，依托惠州大亚湾石化基地、湛江东海岛石化产业园区、粤东粤西地区沿海高性能火电机组等沿海二氧化碳排放源富集区，加快大亚湾区CCUS集群项目、粤西CCUS集群项目落地，研究布局二氧化碳综合运输网络，打造珠三角技术研发基地、粤西材料装备制造基地，培育沿海经济带CCUS产业集群。

四、北京市CCUS产业化发展路径及建议

二氧化碳的捕集和利用正在形成新的产业链，形成新机遇。北京市当下大力布局的未来产业链，应该主动把握这种全新的产业生态，谋划技术创新和产业发展路径，从政、产、学、研四方合力推动CCUS产业体系做大做强。

北京市在发展CCUS产业方面具有其他城市不可比拟的独特优势。2023年，全球未来产业发展指数报告显示，未来产业二十强城市榜单中，美国位居全球第一，中国位居全球第二。其中，北京上榜企业位列全国第一，具有绝对领先的地位。北京科技创新、人才、技术、资金、市场等具有全国独特的优势，可以全方位打造包括CCUS在内的多个未来产业生态。

（一）加强原始创新，推进底层和颠覆性技术突破

依托在京国家实验室、国家级科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业，牵头或参与CCUS国家级创新平台建设，加快形成前沿性、交叉性、颠覆性技术原创成果，实现CCUS领域更多“从0到1”的突破。为适应北京市重点领域碳减排趋势，结合技术发展方向和产业发展需求，开展底层技术攻关。发展低浓度二氧化碳捕集利用与储存技术，实现资源化利用并促进经济效益提升。积极探索负碳与碳转化前沿技术，重点培育可能突破的技术点。

（二）加速升级迭代，推动低碳和零碳技术装备攻关

开发能源绿色低碳转型支撑技术，研发低能耗的百万吨级二氧化碳捕集利用与封存全流程成套工艺和关键技术；加快探索构建面向碳中和目标的CCUS技术体系，推进技术研发和大规模集成示范；推动相关制度法规和标准体系的制定，引导形成各主体都能够有效参与的商业模式；此外，还应继续深化CCUS等绿色技术领域国际合作与交流，加强人才培养和创新能力建设。着眼长远加大CCUS与清洁能源融合的工程技术研发，联动京津冀开展矿化封存、陆上和海洋地质封存技术研究。

（三）强化场景驱动，推动“双碳”科技成果转化应用

围绕能源消费端碳排放占比较大的建筑、交通、产业等行业节能降碳需求，加快推动绿色建筑、低碳交通、循环园区、节能社区、低碳农业和生态碳汇六大板块的应用场景建设，集成创新性成果开展场景示范应用，形成可复制的标杆样板工程，推动“双碳”科技成果落地推广。

研究CCUS与工业流程耦合技术及示范、应用于船舶等移动源的CCUS技术、新型碳捕集材料与新型低能耗低成本碳捕集技术、与生物质结合的负碳技术（BECCS），联动京津冀开展区域封存潜力评估及海洋咸水封存技术研究与示范。

（四）加大示范引领，构建区域绿色发展新格局

针对重点区域和行业乃至全市实现“双碳”目标的重大科技需求，在城市副中心、“三城一区”、生态涵养区和京津冀区域开展综合技术示范，推进科技成果落地实施，为率先实现“双碳”目标提供可复制的样板工程，引领津冀协同发展。聚焦CCUS技术的全生命周期能效提升和成本降低，当前以二氧化碳捕集和利用技术为重点，开展CCUS与工业过程的全流程深度耦合技术研发及示范。联动京津冀开展CCUS技术示范工程，建设碳排放集中大户（火电、钢铁、石油化工、水泥等）区域的大型CCUS技术全流程示范工程，推动CCUS与工业流程耦合应用、二氧化碳高值利用示范。

五、结语

北京市在发展CCUS产业化方面具有独特的优势，下一步从有利于CCUS发展的政策链、创新链、产业链、资金链、人才链、生态链、价值链等多方面进行资源整合，并在实施原创成果突破、中试孵化加速、产业梯度共进、创新伙伴协同、应用场景建设、科技金融赋能、创新人才聚集、国际交流合作等多方面共同助力，构建CCUS未来产业创新发展生态，打造技术产品化、产品产业化、产业规模化的全链条生态，经济价值和社会效益潜力无限。在推动“双碳”目标实现过程中，贡献北京智慧和北京力量。

参考文献

[1]王华华.地方政府加快形成新质生产力的产业政策新思考——基于生产要素集聚与未来产业链“双螺旋”耦合的路径[J].财经问题研究,2024(3):1-14.

[2]北京市人民政府办公厅关于印发《北京市促进未来产业创新发展实施方案》的通知[EB/OL].北京市人民政府官方网站,2023-09-05.

https://www.beijing.gov.cn/zhengce/zhengcefagui/202309/t20230908_3255227.html.

[3]陈婉.CCUS是实现《巴黎协定》温控目标的必要技术手段[J].环境经济,2023(09):38-41.

[4]何亮.中国CCUS各环节技术取得显著进展[N].科技日报,2023(08):1-2.

[5]尹爱华,梁雄等.二氧化碳捕集、利用与储存（CCUS）技术进展及趋势分析[J].山西化工,2024(02):261-262+270.

[6]上海市人民政府.上海市瞄准新赛道促进绿色低碳产业发展行动方案（2022—2025年）[EB/OL].上海市人民政府官方网站,2022-06.

https://www.shanghai.gov.cn/202214bgtwj/20220720/b8372364b2214d68ad8d947cf17595f5.html?eqid=c9a4404e000000f900000004647ff6e0.

注：原文载自《中国科技投资》2024年第15期，本次发表有较大改动。文中图片来源于网络，版权归原作者所有。