全球碳捕集与封存（CCUS）布局策略研究：实现2°C温控目标的经济优化路径

作者及机构
本研究的核心作者团队由来自中国多所顶尖研究机构的学者组成，包括北京理工大学能源与环境政策研究中心的魏一鸣（Yi-Ming Wei）、康佳宁（Jia-Ning Kang）、北京师范大学的刘兰翠（Lan-Cui Liu）、中国科学院武汉岩土力学研究所的李琦（Qi Li）等。研究于2021年2月发表在《Nature Climate Change》期刊上，题为”A proposed global layout of carbon capture and storage in line with a 2°C climate target”。

学术背景
碳捕集、利用与封存（CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage）技术被国际能源署（IEA）视为实现《巴黎协定》2°C温控目标的关键解决方案之一，预计到2050年需通过CCUS累计减排940亿吨CO₂（占全球减排量的12%）。然而，当前CCUS发展规模远未达预期，年捕获量不足预测值的1%，且项目分布高度集中于美国、加拿大和中国等少数国家。此外，现有研究多聚焦于区域层面的技术成本估算或点对点源汇匹配，缺乏全球统一的源汇数据库和优化布局方案。因此，本研究旨在填补这一空白，提出一个基于经济优化的全球CCUS部署框架。

研究流程与方法
1. 全球碳排放集群识别
研究团队构建了1×1 km²分辨率的全球碳排放网格数据库，整合了66,273个电厂、20,491个非电工业点源（钢铁、水泥、化工）及全球10×10 km²行业排放数据。通过定义“碳排放集群”（相邻网格年排放量>1万吨，总排放量>40万吨），在87个国家识别出4,220个优先实施CCUS的集群。这些集群2020-205年累计排放量达693.8 GtCO₂，其中75%来自电力行业，47%为混合工业排放。

1. CO₂封存潜力评估
   采用美国能源部（US DOE）统一方法评估了全球794个陆上盆地的封存潜力，包括180个CO₂驱油（EOR）储层和614个咸水层。结果显示：
   

• EOR潜力：168 GtCO₂（占8%），主要分布在沙特（17.9%）、俄罗斯（17%）和伊拉克（12%）。
  
• 咸水层潜力：1,914 GtCO₂（92%），俄罗斯、澳大利亚和巴西贡献前三位。
  研究还通过参数敏感性分析（如孔隙度、地层厚度）量化了不确定性范围（EOR潜力124–300 GtCO₂，咸水层888–5,126 GtCO₂）。

1. 源汇匹配模型（C3IAM/GCOP）
   开发了全球CCUS优化规划模型，以最小化总成本（捕获+运输+封存-EOR收益）为目标，约束条件包括：
   

• 电力与非电行业分别需减排52 GtCO₂和40 GtCO₂；
  
• 运输距离不超过1,000 km（80%匹配在300 km内）；
  
• 国家内部源汇匹配（避免跨境运输）。模型引入学习曲线动态预测技术成本下降趋势，例如电力行业捕获成本通过IGCC、超临界燃煤等技术累计装机量驱动降低。

主要结果
1. 优化布局方案
- 匹配规模：85国家的3,093个集群与432个封存地匹配，实现92 GtCO₂减排（64%咸水层封存，36% EOR）。
- 区域分布：中国（26.7 Gt）、美国（16.1 Gt）、欧盟（9.0 Gt）、俄罗斯（7.2 Gt）承担76%减排量。
- 经济性：总投资8.2万亿美元，EOR收益抵消后净成本5.76万亿美元（占全球累计GDP的0.12%），单位成本62.65美元/吨CO₂。

1. 关键发现
   

• 运输网络：91%的欧盟、澳大利亚匹配在300 km内，而中国11%、俄罗斯17%的匹配需超500 km运输。
  
• EOR经济阈值：75%国家的EOR项目在油价超过100美元/桶时盈利，全球平均盈亏平衡油价为134.58美元/桶。
  
• 成本结构：捕获成本占比77%（4.45万亿美元），电力与非电行业分别占61%和39%。

结论与价值
本研究首次提出全球尺度的CCUS源汇优化布局策略，其科学价值体现在：
1. 数据创新：建立首个高分辨率全球碳排放集群与封存潜力数据库，解决现有研究数据不可比的问题。
2. 方法创新：开发C3IAM/GCOP模型，整合空间异质性成本与动态学习效应。
3. 政策意义：为跨国合作提供技术路线图，例如中国需加强长距离管道建设，俄罗斯需优化EOR项目布局。

研究亮点
- 跨学科整合：融合能源工程、地质学与经济学，实现从网格级数据到全球策略的尺度跨越。
- 技术经济分析：量化油价、学习率对部署成本的影响，证明CCUS在特定条件下的经济可行性。
- 不确定性管理：通过参数敏感性分析，明确地质条件与成本波动对布局的边际影响。

局限与展望
研究未考虑跨境运输潜力及新兴技术（如直接空气捕集）的冲击。未来需结合地缘政治因素，探索金融与技术转移机制以推动全球协作。