碳捕集、利用与封存（CCUS）是指将二氧化碳（CO2）从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存，以实现 CO2 减排的工业过程。作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新兴技术，CCUS 技术受到国际社会的高度关注。政府间气候平均状态随时间的变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告认为，假如没有 CCUS，绝大多数气候模式都不能够实现减排目标。CCUS技术也是未来我国减少 CO2 排放、保障能源安全、构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。作为负责任的发展中大国，中国格外的重视应对气候变化工作，有序推进CCUS 研发技术和示范。

  我国以胺基吸收液、IGCC燃烧前捕集、常压富氧燃烧为代表的各技术环节均现已取得较大进步，已经具备大规模示范的基础。近年来新型技术不断涌现，种类不断增多；低能耗的第二代CCUS捕集技术可大幅改善碳回收工艺的技术经济性，有望以更低成本实现煤电和煤化工等传统产业的有效减排，甚至实现零排放或负排放。CO2 综合利用技术在实现减排的同时，也能形成具有可观经济社会效益的新业态，对促进可持续发展具有重大意义（参见图 1）。

  近年来我国 CCUS 技术发展迅速、成果可观（参见图 2）：（1）2011 版路线图涵盖的技术取得了一定的发展；（2）目前我国已开发出多种具有自主知识产权的技术，并具备了大规模全流程系统的设计能力。但CCUS 技术大规模应用仍受到成本、能耗、安全性和可靠性等因素制约。因此，CCUS 研发技术与推广的方向是减少相关成本和能耗，并确保其具有长期安全性和可靠性；努力实现 CCUS 所有的环节技术的均衡发展，尽快进入商业化阶段。

  CO2地质利用是将CO2注入地下，利用地质条件生产或强化能源、资源开采的过程。相对于传统工艺，CO2 地质利用技术可减少 CO2 排放，大多数都用在强化石油开采、强化煤层气开采、强化页岩气开采、强化深部咸水开采、强化地热开采、强化天然气开采、铀矿地浸开采等。我国低渗透油藏勘探开发比重的增加以及非常规油气清洁开采要求的提高，将为 CO2 地质利用提供更大发展空间。

  目前，强化石油开采技术应用于多个驱油与封存示范项目，CO2 的累计注入量超过150 万吨，累计原油产量超过 50 万吨，总产值约为 12.5 亿元；强化煤层气开采技术在沁水盆地开展了多次现场试验；铀矿地浸开采技术处于商业化应用初期，产值约为 1.2亿元/年；强化天然气开采、强化页岩气开采、强化地热开采技术处于基础研究阶段，存在比较大不确定性；强化深部咸水开采技术是近几年提出的新方法，尚未开展现场试验，其大部分要素技术可借鉴咸水层封存和强化石油开采，但需要开发相应的抽注控制及水处理工艺。

  CCUS技术的重要贡献就在于其无可替代的减排除碳能力，但成本却过于高昂。首先CCUS项目投资所需成本巨大，投资额在数千万元甚至上亿的规模，如华润集团海丰超临界燃煤电厂燃烧后捕集示范项目投资所需成本为8531万元，华能上海石洞口第二电厂碳捕获项目投资所需成本约为1亿元；其次安装碳捕集装置，将产生额外的运行维护成本，每吨CO2将额外增加140~600元。最后，对于碳利用和封存来说，捕集的CO2价格过高，对采油公司而言，经济上很不划算。目前国内运行的CCUS示范项目，在如此巨大的成本压力下，企业收益率只能维持在2%左右。若没办法实现减排收益，将会严重影响企业组织CCUS示范项目的积极性。

  CO2 化工利用是以化学转化为主要手段，将 CO2 和反应物转化成目标产物以实现CO2 资源化利用的过程，基本的产品有合成能源、高的附加价值化学品以及材料三大类。化工利用不仅能实现减排，还可以创造额外收益，对传统产业的转型升级发挥及其重要的作用。近年来，我国 CO2 化工利用技术取得了较大的进展，整体而言尚处于中试阶段：仅部分技术完成了示范，如重整制备合成气技术、合成可降解合物技术、合成有机碳酸酯技术等；部分技术只完成了中试，如合成甲醇技术、合成聚合物多元醇技术、矿化利用技术等。大批全新的技术，如 CO2 电催化还原合成化学品、基于 CO2 光催化转化的“人工光合作用”等只完成了实验室验证。当前合成能源燃料的CO2利用量约为 10万吨/年，产值约为1亿元。但随技术进步和成本降低，CO2资源化利用逐渐推广，化工行业有望加速绿色化。

  CO2 生物利用是以生物转化为主要手段，将 CO2 用于生物质合成，实现 CO2 资源化利用的过程，基本的产品有食品和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料和气肥等。生物利用技术的产品附加值较高，经济效益较好。目前转化为食品和饲料的技术已实现大规模商业化，但其他技术仍处于研发或小规模示范阶段。转化为食品和饲料技术的 CO2 利用量约为 0.1 万吨/年，产值约为 0.5 亿元/年，转化为生物肥料技术的 CO2 利用量约为 5万吨/年，产值约为 5 亿元/年，转化为化学品技术的 CO2 利用量约为 1 万吨/年，产值约为 0.2 亿元/年，气肥利用技术的 CO2 利用量约为 1 万吨/年，产值约为 0.2 亿元/年。

  2019年12月，国家发改委等十个部委联合发布了“关于促进生物天然气产业化发展的指导意见”，制定了到2030年生物天然气年产量达到200亿立方米的目标。生物天然气以生物质能为原料产生沼气，然后将沼气进行除尘、脱硫、脱脱碳等净化措施，使其中的甲烷含量从30%提高至90%以上。如图3所示，生物天然气有多种应用场景，当应用于热电联产时可以同时供电和供热。

  生物天然气的发展是我国能源转型过程的一个重要环节。分布式小规模生物天然气装置能将生物质能就地收集、就地转化与加工利用，有助于构建分布式可再生清洁天然气的生产消费体系，推动农村散煤的替代过程。规模化的生物天然气利用，则能够最终靠工业化、集中式、专业化的方式处理城乡有机废弃物，对推进生态文明建设具备极其重大作用。

  如何在CCUS技术利用环节中合理选择CO2转化利用路径，不但可以完全转化捕集过程中得到的CO2，还可以产生相当良好的经济收益，这是CCUS技术成功实施、实现碳中和目标的关键。依据多年CCUS技术探讨研究和示范经验，研究人员提出了CCUS技术中CO2转化利用的金字塔模型（参见图4）。以CO2驱油、矿化等作为金字塔的底部，虽然产品经济价值不是很高，但却有广阔的应用前景，需求量巨大，并且能实现大量的CO2消纳；CO2化学和生物转化位于金字塔的中部，产品不仅仅具备较高的附加值，也具有较大的应用市场；碳纳米材料等新材料产业作为金字塔的顶端，产品价值很高，具有最高附加值，但与其他转化利用路径相比，其需求量比较小。