碳中和|CCUS技术发展战略

文/秦阿宁 吴晓燕 李娜娜 孙玉玲 陈方，中国科学院文献情报中心 中国科学院大学图书情报与档案管理系，科学观察

1 引言

碳捕集、利用与封存（carboncapture，utilizationandstorage，CCUS）是将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，并直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）、国际能源署（IEA）、国际可再生能源机构（IRENA）等国际机构的研究报告均指出CCUS是未来应对气候变化、实现巴黎协定目标以及碳中和的重要减排技术。随着全球主要国家碳中和目标的提出及碳减排工作的加快推进，CCUS的研发和部署受到主要国家的高度重视。

2030年实现碳达峰和2060年实现碳中和的战略目标已经成为我国重大国家战略。作为当前仍旧以煤炭为主要消费能源的国家，在我国未来实现碳达峰与碳中和目标的进程中，CCUS将发挥关键作用。科技创新和进步将是实现碳中和的核心驱动力，也是战略目标实现的根本保障。把握国内外CCUS技术发展的特点和战略布局，对于我国部署CCUS发展重点、确定发展方向和制定相关政策具有重要意义。因此，本文将通过分析全球主要国家的CCUS战略与技术布局，并结合全球CCUS专利的计量分析，探究全球CCUS研发态势，以期对中国CCUS技术创新战略的制定以及加快研发与产业化进程提供参考。

2全球主要国家和地区促进CCUS技术发展的战略规划与部署

2.1美国：全球CCUS示范项目领先者

美国的碳捕集与封存（carboncaptureandstorage，CCS）商业设施数量全球领先，全球第一个CCS设施于1972年在美国得克萨斯州建立。截至2021年9月，全球碳捕集与封存大规模全流程商业设施总计135个（包括正在运行、早期开发、在建等项目），其中70个位于美国，且CCUS项目应用广泛，涉及水泥制造、燃煤发电、燃气发电、垃圾发电、化学工业等行业，这主要得益于美国对CCUS技术的政策支持。在CCUS技术领域，美国从早期侧重CCUS研发与示范（RD&D）逐渐过渡到RD&D与市场开发、基础设施建设协同促进CCUS的发展。

（1）在技术RD&D方面，自1997年以来，美国能源部的化石能源办公室一直致力于CCUS的研发和示范，不断增加研发资金，近10年在CCUS研发上的资金投资如表1所示。2020年12月美国出台的《2020能源法案》将CCUS的研发支持力度大幅提高，提出将在2021－2025年提供超60亿美元的研发资金支持，目前是自《2009美国复苏与再投资法案》（34亿美元）以来的最高水平。2021年11月5日，美国能源部宣布启动“负碳攻关计划”（CarbonNegativeEarthshots），旨在从空气中去除10亿吨CO2，并将捕集和封存CO2的成本降至100美元/吨以下。

（2）在商业应用方面，《2008能源改进和扩展法案》中确立的48A和45Q投资税收抵免政策促进CCS的市场开发。45Q税收抵免政策经过2018年的修订后，每吨CO2的补助金额得到了大幅提升，采用递进式CO2补贴价格的设定方式，如表2所示。2021年拜登政府上任以后，陆续提出了《准用45Q法案》《碳捕集现代化法案》《碳捕集、利用和封存税收抵免修正法案》《为我们的能源未来融资法案》等来促进CCS的市场开发。

（3）在基础设施建设方面，2021年3月美国两党提出了《封存二氧化碳和降低排放量（SCALE）法案》，提出建立二氧化碳基础设施融资和创新法案（CIFIA）计划、安全的地质封存基础设施开发计划以及为环境保护署（EPA）在盐碱地质层中的第六类许可证（进行地下CO2储存所需的许可证）提供更多资金等措施。2021年11月美国通过《基础设施投资法案》，提出将提供近50亿美元用于支持CO2运输和储存基础设施和场地的开发和融资。

2.2欧盟:CCUS制度化和规范化的积极倡导者

欧盟在CCS制度化和规范化方面走在全球前列，代表性法规CCS指令（2009/31/EC）是世界第一部关于CCS的详细立法，详细规定了CO2运输、封存场地选址、勘探和封存许可证发放、运营与关闭以及关闭后的责任和义务、CO2监测、信息公开等具体要求，以及对现有各相关指令的修订，建立起在欧盟内开展CO2地质封存的法律和管理框架。欧盟CCS相关政策多与能源、气候变化政策联系在一起，如《2030年气候与能源政策框架》指出CCS是欧盟能源和碳密集行业大幅减排的关键技术，要加大CCS研发力度和商业示范；《2050长期战略》将CCS作为实现碳中和目标的七大战略技术领域之一；欧盟委员会在《欧洲绿色协议》中提出将CCS纳入向气候中立过渡所需的技术，将其视为关键工业部门脱碳的优先领域之一。2021年通过的《欧洲气候法》把气候中立的政治承诺转变为法律义务，预计未来将继续加大CCS相关政策支持。

欧盟多个研发资助计划支持CCUS的研发和部署。地平线欧洲计划将在2021年和2022年分别提供3200万欧元和5800万欧元资金资助CCUS技术研发。截至2021年9月，欧盟有35个商业CCUS项目。与美国不同，欧洲的CCUS示范项目主要依靠欧盟碳交易市场（EUETS）来体现。

2.3日本：积极抢占碳循环利用技术创新高地

日本长期致力于低排放发展战略，将CCUS技术与氢能、可再生能源、储能、核能等并列为日本实现碳中和目标的关键技术。在《能源技术战略路线图》《国家能源新战略》《第五期能源基本计划》等政策规划中均提出要加紧开发CCUS相关技术。2014年推出的《战略能源计划》提出要在2020年左右实现CCUS技术的实际应用，并尽早建设CCUS就绪的设施，以支持CCUS的商业化。由于日本资源匮乏以及没有可用于EOR的油气产区地质条件等原因，日本在国际上积极参与海外CCUS项目投资，如美国的PetraNova，在国内致力于发展碳循环利用技术，并于2019年发布了《碳循环利用技术路线图》，设定了碳循环利用技术的发展路径，以加快CCUS技术战略部署的脚步，2021年对该路线图进行了修订以促进其进一步发展。2020年发布的《革新环境创新战略》和《实现2050碳中和的绿色增长战略》均提出要大力发展CCUS和碳循环利用技术，以积极抢占碳循环利用技术创新高地。

在技术研发方面，日本新能源产业综合开发机构（NEDO）是发展CCUS技术的主要政府科研机构，目前主要通过NEDO的碳循环和下一代火力发电等技术开发计划（2016－2025年）、CCUS研发/示范相关计划（2018－2026年）等促进CCUS技术研发。2021年，NEDO宣布将在“碳循环和下一代火力发电等技术开发”框架下，于2021－2025年投资130亿日元用于支持CO2循环利用技术发展；2022年1～2月，NEDO相继宣布在绿色创新基金框架下投资382.3亿日元用于碳分离和回收，1152.8亿日元用以支持将CO2等转化为运输用合成燃料、可持续航空燃料、甲烷以及绿色液化石油气等技术开发，490亿日元用以支持CO2还原制化学品。

2.4韩国：将CCUS作为低碳绿色增长的关键

韩国将CCUS作为低碳绿色增长和实现国家碳减排目标的关键技术。2010年7月，绿色增长委员会制定了“韩国国家CCS综合计划”，以实现国家碳减排目标，并通过高效的CCS技术发展创造新的增长引擎。2010年11月，韩国成立了二氧化碳捕集与封存协会（KCCSA）以推进CCS技术的发展。2021年3月，韩国发布《碳中和技术创新推进战略》，将CCUS作为实现碳中和的十项关键技术之一。2021年9月，韩国发布CCUS技术发展报告，提出技术的研发主题、短中长期技术路线和目标等。2021年9月，韩国产业通商资源部宣布2021－2025年将提供950亿韩元用以支持高排放行业的CCUS技术发展。

2.5中国：积极推进CCUS的研究与发展，蓄势待发

中国高度重视CCUS发展，制定多项相关政策规划推动CCUS技术的发展。2006年以来，国家部委制定并发布了多项国家政策和发展规划，如《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》《中国应对气候变化国家方案》《能源技术革命创新行动计划(2016－2030年)》《能源生产和消费革命战略（2016－2030）》《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》等，均提出要鼓励和支持发展CCUS。

2016年原环境保护部（现生态环境部）发布《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》，以规范和指导二氧化碳捕集、利用与封存项目的环境风险评估工作。此外，国家积极研究CCUS发展路线图，2011年科技部发布了《中国碳捕集、利用与封存（CCUS）技术发展路线图研究》，明确了中国发展CCUS的愿景，2019年更新版提出构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系和产业集群的发展愿景。虽然在节能减排、清洁能源等领域提及CCUS技术，但我国并没有专门的CCUS立法对其进行全面的规制。

3全球CCUS技术布局分析

3.1数据与方法

专利文献作为技术信息最有效的载体，囊括了全球90%以上的最新技术情报，相对于其他文献形式，专利更具有新颖、实用的特征。本文从专利的角度分析CCUS技术的发展趋势与竞争格局。以IncoPat专利数据库作为数据来源，利用关键词和专利分类号进行组合检索（检索式见附录），选用发明专利文本作为研究对象，通过简单同族合并进行专利家族数（项）统计，检索出全球自1900年以来共申请了39178项专利（检索日期为2022年3月13日）。

3.2CCUS技术发展趋势

从全球CCUS专利申请数量变化来看（图1），20世纪60年代以前，CCUS专利数量较少，尚处于起步阶段；20世纪80至90年代，相关技术开始呈现缓慢增长；进入21世纪，随着全球气候变化问题的加剧，CCUS受到关注和重视，专利数量也随之迅速增加，尤其2005年以后，专利数量大幅增长。2005年，IPCC发布《CO2捕集与封存》特别报告，迅速加快了CCUS技术的研发、示范和推广活动。2013－2015年，专利数量有所下降（可能是遇到技术瓶颈期），2016年《巴黎协定》生效，CCUS专利申请数量再次增长。由于专利授权公开需要一定的审查周期，因此2020年及之后的专利数量不能完全反映实际专利申请情况，仅供参考。在全球各主要国家纷纷提出碳中和目标的背景下，预计未来CCUS专利申请将会迎来新一轮增长。从技术构成来看，CCUS专利申请主要以CO2捕集为主，其次是CO2转化利用和CO2地质利用与封存，CO2输送领域专利申请相对较少。

3.3CCUS技术专利国家分布情况

从全球主要专利技术来源国来看，中国和美国是主要来源国家，两者之和占专利总量的50%，其次是日本、德国、韩国、法国、英国等国。从CCUS专利数量排名前5位国家的专利申请年度趋势来看（图2），美国和德国在CCUS专利技术研发方面布局较早，中国早期专利数量较少，2005年以后开始进入快速增长阶段，2015年超过美国，跃居全球首位，成为全球CCUS专利增长的主要动力。

从主要国家技术布局来看（图3），中国、美国、日本、德国和韩国五个主要国家在碳捕集和CO2转化利用领域均有较多的专利布局。其中碳捕集技术主要集中在吸收法（胺类吸收、氨法吸收、离子液体吸收、复合型吸收剂等）、吸附法（活性氧化铝吸附剂、沸石吸附剂、聚合物吸附剂、变压吸附、钙基吸附剂等）和膜分离（聚合物膜、混合基质膜、分子筛膜等）技术领域。碳运输专利申请较少，主要涉及二氧化碳压缩与储存、管道运输和船舶运输等。CO2地质利用与封存专利主要有驱油（降低黏度、降低最小混相压力、提高采收率等）、驱气（驱替煤层气、天然气、页岩气等）、增强地热以及CO2注入设备装置、注入剖面评价、监测系统、封存注浆材料等封存技术等。CO2转化利用是CO2循环利用的重要环节，也是主要国家关注的重点，主要包括化工利用、生物利用和矿化利用转化为化学品（碳酸酯、聚氨酯、异氰酸酯、烯烃、合成气、水杨酸、二甲苯等）、燃料（生图2主要专利申请国专利申请年度趋势物柴油、甲醇、甲烷等）、重整制备合成气以及钢渣矿化、混凝土养护、菱镁矿化等。

3.4CCUS技术机构分布情况

全球CCUS技术领域TOP10专利权人/机构如表3所示，3家来自日本，美国和中国各2家，法国、德国、荷兰各1家。在TOP10专利权人/机构中，除中国科学院外，其余均是大型企业，说明CCUS技术主要掌握在企业手中，尤其是大型跨国企业，主要包括：（1）以三菱集团、日立集团、东芝集团等为代表的综合性跨国企业，其专利主要集中在碳捕集技术和CO2转化利用；（2）以液化空气集团、林德集团、空气化工产品有限公司为代表的工业气体企业，其专利主要集中于碳捕集技术或设备；（3）以埃克森美孚公司、中国石油化工集团、壳牌集团为代表的石油化工企业，其专利主要集中在碳捕集、地质利用与封存技术或设备。

4结论与建议

通过对主要国家和地区CCUS技术发展战略以及全球专利技术态势进行分析，得出以下主要结论。

（1）美、欧等主要国家和地区不仅出台战略规划和提供资金投入支持CCUS的发展，而且制定法律法规管理和规范碳捕集、运输、封存、利用和项目示范等多个环节，并积极采用碳税、碳排放交易等措施激励对CCUS的投资，促进CCUS商业化应用，但中国目前多在节能减排、清洁能源等领域提及CCUS技术，并未有专门的CCUS立法进行全面的规制。

（2）中国、美国、日本、德国、韩国、法国、英国等国家是全球CCUS专利的主要来源国，美国、日本和德国发展较早，中国具有后发之势，成为近几年全球CCUS专利申请的主要增长力量。CO2捕集技术和CO2转化利用是中国、美国、日本、德国、韩国共同的关注点。全球CCUS专利多掌握在工业气体、石油化工和工程技术等大型企业。在全球各主要国家纷纷提出碳中和目标的背景下，预计未来将会迎来新一轮的增长。

中国CCUS技术虽然起步较晚，但经过十余年的快速发展，在CCUS各技术环节均取得了显著进展，但在相关战略规划及法规制度建设方面、技术研发水平相对滞后。基于上述分析，针对我国加快推进CCUS技术研发和集成示范提出以下建议。

（1）加强CCUS顶层设计，制定相关战略、监管法律和金融框架。一是制定CCUS战略和实施计划，明确面向碳中和目标的CCUS发展路径；二是制定激励框架、商业模式和风险分担机制，激励私营部门对CCUS项目的投资，可借鉴美国、欧盟等国家和地区的45Q税收、碳排放交易等措施，制定适合我国的CCUS激励政策，以促进CCUS市场开发；三是加强CCUS各个环节的法规和监管机制的建设，以促进CCUS良好发展。

（2）大力投资CCUS技术研发与创新，以降低CCUS成本。成本的降低是实现CCUS大规模商业化发展的关键因素，美国、日本等国家设有专门的CCUS研发计划并进行了持续的研发投入以降低成本，因此要围绕CCUS各个环节开展核心技术攻关，如低成本和低能耗的先进碳捕集技术研发，CO2压缩、液化，提高封存量、降低技术风险和不确定性的封存技术，以及CO2高价值转化利用等，并在加大政府投资支持力度的同时撬动企业等的研发投资。

（3）加强国际合作，深化与美国、欧盟、日本等主要国家和地区开展合作机制，充分借鉴国外先进大规模全流程CCUS项目示范经验，如加强产学研深度融合，以及建立CCUS枢纽中心和合作共享机制，打造大规模CCUS产业集群等，加快我国CCUS发展进度。