碳中和戰略背景下建設碳工業體系的進展、挑戰及意義

鄒才能，吳松濤，楊智，潘松圻，王國鋒，姜曉華，管墨迪，于聰，于志超，沈月,5

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油深圳新能源研究院有限公司，廣東深圳 518000；3.國家能源致密油氣研發中心，北京 100083；4.中國石油青海油田公司，甘肅敦煌 736202；5.中國石油大學（北京），北京 102249）

0 引言

以 CO2為代表的溫室氣體過度排放，導致全球平均氣溫不斷升高[1-6]。全球氣候變暖引發的諸如冰川消融、海平面上升、海水酸化、生態系統破壞等一系列極端高溫氣候事件，正對自然生態環境產生重大影響，也對人類經濟社會發展構成重大威脅。2020年全球平均氣溫約15 ℃，較工業化前期氣溫（1850—1900年平均值）高出1.2 ℃[7]；1951—2020年中國地表年平均氣溫每 10年上升 0.26 ℃，明顯高于同期全球每10年上升0.15 ℃的平均水平[8-10]。2021年聯合國氣候變化大會將“到本世紀末控制全球溫度升高1.5 ℃”作為確保人類能夠在地球上永續生存的目標之一，并全方位努力推動能源體系向化石能源低碳化、無碳化發展[11]。2020年9月22日，中國在聯合國大會一般性辯論上向全世界宣布，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[12]。

在自然界中，碳主要以 CO2、有機物和無機物等形式存在于地球的巖石圈、生物圈、海洋圈與大氣圈中，并在不同圈層內部及圈層之間進行循環。人類活動引發的 CO2排放主要來源于化石燃料的消耗。伴隨化石燃料消耗急劇增加，巖石圈中化石能源的碳被釋放到大氣圈中，導致大氣圈中CO2的濃度不斷增加，從而破壞了地球系統的碳平衡。減少大氣圈內 CO2含量成為碳達峰與碳中和的關鍵。國際能源署（IEA）[13]研究表明，通過調整能源結構和提高能源效率等碳減量方法，全球 2050年有望減少 CO2排放 263×108t；依靠 CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術和林業碳匯等碳移除手段可減少CO2排放76×108t，從而實現全球碳中和。

以碳中和為核心，全球正在開展新一輪技術革命，構建碳工業體系，重塑全球傳統化石能源與新能源的生產與消費版圖正成為重大發展趨勢。中國能源結構與全球能源結構具有差異，中國2021年CO2排放量約占全球總量的28%，實現碳中和所需的碳減排量遠高于其他經濟體。bp世界能源統計表明[14]，2021年中國能源消費總量為1.576 5×1020J，其中煤炭占比54.7%，石油占比19.4%，天然氣占比8.6%，煤炭在能源供應中的占比遠高于全球平均水平。因此，中國開展碳工業體系建設、重塑能源格局面臨的挑戰更大。特別是在當前全球地緣政治復雜和局部地區爆發沖突的背景下，能源安全的極端重要性再次被提及，各國已將能源生產與消費的重視程度提升到前所未有的高度并重新布局[15]。

全球碳工業正處于起步階段，缺乏系統性理論指導與技術支持。為了給碳工業相關產業加快發展和能源公司加速轉型提供理論支持，并為實現“碳中和”提供科學依據和參考，本文提出了“碳工業體系”概念，闡述 CO2產業鏈中捕集、應用、封存、金融市場等重點環節的關鍵技術進展，分析碳工業化現狀與發展趨勢，探討中國碳工業發展所面臨的挑戰，展望碳產業的發展與未來，以期為加速未來全球碳中和目標的實現提供科學指導與技術支撐。

1 碳工業體系定義及內涵

碳工業體系是以實現人類社會可持續發展為核心目標，從全球碳循環的角度系統研究地球系統內碳的產生、演化和消亡體系，業務范圍涵蓋碳產生、碳捕集、碳運輸、碳利用、碳封存、碳產品和碳金融等全碳產業（見圖1），是保障綠色地球、構建人類命運共同體的關鍵產業和新興產業之一。碳排放峰值指1個經濟體（地區）CO2的最大年排放值[7,10]。碳達峰指碳排放量在某個時間點達到峰值后不再增加，核心是碳排放增速持續降低直至負增長[9]。碳中和指在一定時間內，直接或間接產生的溫室氣體排放總量，通過自然或人為技術手段被全部抵消，實現碳排放與碳吸收的平衡，達到“凈零排放”，核心是溫室氣體排放量的大幅降低。碳達峰是量變，碳中和是質變。在國際上，氣候中性和凈零CO2排放量的定義與碳中和基本一致。

圖1 碳工業體系構成框圖（據文獻[7]修改）

碳工業體系內涵包括 4個方面：①化石能源清潔利用、清潔用能替代、資源回收利用、節能提效等碳減排技術；②利用風能、太陽能、海洋能、地熱能等可再生能源，以及氫能、智慧能源、核能與可控核聚變等零碳技術；③CO2捕集、利用、封存、轉化及林業、海洋、土壤碳匯等負碳技術；④碳稅制度、碳交易制度、復合碳排放權交易體系、碳經濟與碳產業政策、碳財政補貼等。碳工業體系的核心目標是實現碳中和，關鍵是降低或者移除CO2排放。

根據 CO2在地球系統中的賦存方式，本文將地球系統中的“碳”分為 3類，即黑碳、灰碳和藍碳。其中，黑碳是指未被封存或利用，并長期留存在大氣圈中的 CO2；灰碳是指被固定或永久封存在地質體中的CO2；藍碳是指通過生物、物理、化學等作用可轉化為人類利用產品的CO2。3種碳概念的提出，為碳工業體系技術發展指明了方向，即在碳工業體系中，最大限度移除黑碳影響、最大限度提高灰碳規模、最大限度發展藍碳經濟，成為碳工業體系綠色可持續發展的關鍵。從黑碳到灰碳再到藍碳，實現了碳資源的“變廢為寶”與循環利用。特別是“藍碳”概念的提出，不僅僅考慮了碳的類型，更從經濟和環保的角度對碳工業體系內“碳”循環路徑的設計提供了科學依據。

碳工業體系是徹底消除“黑碳”影響、做大“灰碳”封存、做優“藍碳”利用的系統性、革命性、顛覆性全新工業體系。3種類型的碳在碳工業體系內可相互轉化，通過碳捕集技術，可將黑碳捕集，封存到地質體中形成灰碳，轉化為產品后形成藍碳；藍碳被人類社會利用后，可形成以游離態賦存于大氣圈中的黑碳，也可經捕集封存后轉變為灰碳。例如，在地球碳循環系統中，CO2主要來自能源消耗、農林用地、土地利用和垃圾排放等。通過建立和完善碳稅制度、碳交易制度、復合碳排放權交易體系、財政補貼等碳經濟與政策杠桿，有效控制“黑碳”的排放。利用生態系統碳匯、CO2生產化工產品、CO2人工綠色轉化、CO2地質驅油、CO2地質封存等技術，可增加“灰碳”和“藍碳”的利用，有效減少大氣中CO2的濃度；同時，以CCUS/CCS為基礎的低成本、高能效的碳工業體系，可將“黑碳”封存于地下擁有巨量儲集空間的枯竭性油氣田、地下鹵水層中，轉變為“灰碳”，從而為碳中和做出重要貢獻。通過有效提升地球生態系統的碳消耗能力，減小黑碳比例，提高灰碳比例，特別是提高藍碳比例，推動碳中和，真正實現系統碳平衡。

碳工業體系的構建與傳統能源到新能源的跨越式發展息息相關。2021年，中國非化石能源在一次能源的占比17.3%，化石能源占比82.7%。據預測，到2060年中國實現碳中和時，年消費量57.9×108t標準煤，非化石能源占比達80.0%，化石能源占比20.0%，其中煤炭占比5.0%，石油占比5.6%，天然氣占比9.4%[16]。從2021年到2060年，化石能源與非化石能源供應格局發生革命性演變，碳基能源每年碳排放從2021年的105×108t降低至2060年的20×108t，進而實現4個“80%”的轉變：由2021年含碳化石能源消費占比80%以上、能源CO2排放80%以上轉變為2060年非碳新能源占比80%以上、CO2排放減少80%以上（見圖2）。因此，在碳工業體系中，以零碳能源為核心的新能源已超出新資源與能源的范疇，已成為世界能源轉型的方向、能源強國建設的主力、能源科技創新的前沿與綠色地球建設的動力，具有新的使命與新的戰略意義，在能源強國建設中任重道遠。

圖2 積極型情景下中國能源需求量與結構及碳排放預測（據文獻[14, 16]修改）

2 碳捕集

碳捕集技術是指通過化學吸收、化學吸附、膜分離、物理分離等多種方式將CO2富集、壓縮純化，得到高濃度CO2的1種技術?；瘜W吸附法具有選擇性好、吸收效率高、能耗及成本低等優點，是目前碳捕集技術中最為成熟的，90%的脫碳技術均采用此方法。CO2占空氣總體積的0.03%～0.04%，直接從空氣中實施碳捕集的技術要求與經濟成本高[17-20]。在排放端開展碳捕集工作，是降低碳排放的有效手段與后續碳轉化及碳利用的前提[21]。

碳捕集技術分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集 3類。燃燒前捕集指將含碳燃料進行蒸汽重整后，分離其中的 CO2并進行捕集，剩余的富氫燃料用于燃燒供能，目前主要運用于整體煤氣化聯合循環發電系統（integrated gasification combined cycle，IGCC）中。燃燒中捕集技術主要包括富氧燃燒技術和化學鏈燃燒技術。富氧燃燒技術與傳統燃煤電站技術流程類似，通過空氣制氧獲得高純O2代替空氣進行燃燒，通過大比例（約 70%）煙氣再循環以調控爐膛燃燒和傳熱特性，直接獲得高濃度 CO2的煙氣（CO2體積分數大于80%）。燃燒后捕集法是將CO2從燃料燃燒后的尾氣中分離，進而進行捕集及儲存的方法，主要有化學吸收法、物理吸收法以及膜分離技術等。

近年來，直接從空氣中實施碳捕集技術取得明顯成效。2021年Climeworks公司在冰島成立Orca工業廠房，每年可從空氣中脫除并永久儲存CO2約4 000 t[22]。Climeworks公司采用了模塊化手段，通過碳捕集單元進行堆疊，實現生產中單元裝置技術的先進性與有效性，進而實現碳捕集效率的突破。工作原理是通過風扇吸入周圍空氣，使其通過“高選擇性過濾材料”。當過濾材料吸入足量 CO2后，單元裝置關閉，過濾器加熱至 100 ℃，使得氣體釋放并被收集起來。據國際能源署[13]報道，2020年全球有 15個從空氣中直接捕集CO2的工廠在運作，每年捕獲CO2約1×104t。按照《巴黎協定》中的氣候目標，國際能源署建議，到2030年，每年從空氣中直接捕集CO2的能力要達到1 000×104t[13]。

3 碳利用

3.1 地質利用

常溫常壓下，CO2為無色無味氣體，化學性質不活潑。當壓力為標準大氣壓、溫度為0 ℃時，CO2熱導率為0.073 J/（m·K），密度為1.98 kg/m3，約為空氣的1.53倍。由于CO2在地層條件下具有溶解、競爭吸附、降黏、傳導等特性，在地質領域可以實現多種應用：①CO2在地層中可萃取輕質原油，降低油水界面張力，能用于提高石油采收率（見圖3、圖4）；②輕質原油與CO2組合的溶浸液能夠溶解鈾鹽，可用于鈾礦開采；③稠油油藏和凝析氣藏在開發過程中均面臨流動性問題，CO2具有黏度低、流動性強的特性，可強化稠油及凝析氣藏開采；④作為傳導介質，CO2的流動性優于水，有利于水敏儲集層保護，可用于干熱巖開發；⑤CO2在煤層及頁巖儲集層中的吸附性強于 CH4，利用競爭吸附可提高煤層氣及頁巖氣開發效果。

圖3 CO2提高驅油采收率模式圖

圖4 常規-非常規油氣聚集類型與CO2驅油模式圖（據文獻[23]修改）

3.2 化工利用

化工利用是以化學轉化為手段，在高效催化劑的作用下，使 CO2與還原劑反應生成目標產物，將溫室氣體轉化為高附加值化工產品，實現制造行業的創收增效。從化學反應角度出發，CO2可以被還原成多種含碳有機化學品。但與“以CO2為原料的化學品合成”這一科學問題不同，“CO2資源化利用”還需綜合考慮其經濟價值。在大宗化學品生產中，用CO2加氫制CH4、C2H6O，已有工業化應用案例。電催化和可見光催化是實現CO2轉化成CH4的有效策略，關鍵是高活性和高選擇性的催化劑。例如，Rao等[24]報道了 1種鐵基分子級光催化劑，在室溫、常壓可見光驅動下可高效催化 CO2還原制 CH4，總選擇性高達 82%，量子產率為0.18%。Lin等[25]實現了非銅基催化劑上串聯催化CO2電化學還原制甲烷，通過酞菁鈷（CoPc）和鋅-氮-碳串聯催化劑，有效將 CO2電化學還原為 CH4，CH4生成速率比單獨酞菁鈷或鋅-氮-碳提高 100倍以上，這為CO2電催化還原制碳氫化合物提供了新策略。在精細化學品生產方面，綜合考慮環境友好與新能源新材料技術支撐方向，優先以電池液、環保汽油添加劑主要原料——碳酸二甲酯以及生物降解塑料主要原料——碳酸乙烯酯、聚碳酸酯、碳酸聚氨酯為主要研究對象。

3.3 生物利用

生物利用是通過前沿科學技術探索，借助人工光合作用或仿生催化技術，將 CO2轉化為生物肥料、生物燃料、人造淀粉等產品，在實現固碳的同時，將CO2“回歸生命體”再次進入生態循環系統。自然光合作用效率極低，植物光合作用最大效率為4.6%～6.0%[26]。面對CO2高排放，模擬植物光合作用中CO2光催化還原機制（PCR），探索并突破人工光合作用技術及CO2光催化還原制備高附加值產品成為研究趨勢[7,27-29]。Ayuba[27]研發了可將CO2還原成醋酸、乙烯的有效催化劑——S.ovata細菌，在模擬燈光照射超過100 h條件下建立了1個獨立的可有效生產乙酸的太陽能系統，與植物光合作用能量轉換效率相當，進一步證明了人工光合作用的可行性。利用遺傳學方法重構嗜熱細菌（別稱熾熱火球菌，Pyrococcus furiosus），直接利用大氣中的CO2轉化成 3-羥基丙酸，用于生產丙烯酸樹脂和其他化工品。整個轉化過程釋放出來的 CO2量與制造它所需的CO2量相同，實現了碳平衡，并產生了1種可代替天然氣、煤和石油的更清潔燃料。因此，生物利用的研究為“太陽能至化學品（Solar-to-chemical）”開辟了 1 條新的路徑（（1）式—（5）式），具有現實意義[30-31]。

目前，微藻固碳技術主要以微藻固定CO2轉化為液體燃料和化學品、生物肥料、食品和飼料添加劑。CO2資源化生物利用的嶄新路徑是微生物電合成（microbial electrosynthesis，MES），它是微生物利用電能作為還原力將CO2、葡萄糖或其他有機底物還原成高附加值化學品的過程。在非穩電力尚無法有效并入電網體系的今天，微生物電合成 CO2還原技術的研究與推廣，既可實現CO2固定，又可將自然能源（風能、光能）通過電能轉化以高附加值化學品的形式儲存下來，同時實現微生物細胞能量與物質的高效耦合代謝[32]。通過細菌改造后的沼澤紅假單胞菌（rhodopseudomonas palustris），以CO2、光能和太陽能發電為原料，成功合成了生物燃料丁二醇[33]。利用電解氫氣鼓泡反應裝置，在相同菌群與電極電流密度條件下，庫倫效率為原油的14倍，乙酸生成速率是生物膜MES反應器的10倍以上，有效解決了微生物電合成產物合成速率較低的問題[34-35]。

4 碳封存

CO2封存是通過工程技術手段將捕集的 CO2注入深部地質儲集層，實現CO2與大氣長期隔絕的過程。全球陸上理論封存容量為（6～42）×1012t CO2，海底理論封存容量為（2～13）×1012t CO2；北美地質封存潛力為（2～21）×1012t CO2，歐洲地質封存潛力約為0.355×1012t CO2，中國地質封存潛力約為（2.42～4.13）×1012t CO2[7]。深部咸水層封存容量占比約98%，是目前最主要的碳封存方式；枯竭型油氣藏構造完整，地質勘探基礎良好，是目前CO2封存的第2大方式[36-38]。

4.1 封存機理

CO2在深部咸水層與枯竭型油氣藏封存方式包括物理封存和化學封存，其中物理封存包括地質構造封存和殘余氣封存，化學封存包括溶解封存和礦化封存[39-42]。CO2地質封存與其進入地層后的 CO2流固反應密切相關。CO2進入巖石后處于超臨界狀態，與地層水、油氣等混溶形成多相流體，并與礦物發生物質交換，或對已有礦物形成溶蝕，或形成新的礦物，從而改變儲集層的孔隙結構（見圖5），影響CO2封存效率[42-43]。

Ketzer等[44]研究了巴西南部鹽水層 CO2水巖反應，證實在現今地層條件下 CO2可與巖石反應生成碳酸鈣從而實現有效的碳封存；Mohamed等[45]研究了CO2封存過程中硫酸鹽沉淀問題，通過對溫度、注入速度等對比性研究，提出溫度是影響硫酸沉淀的主要參數，注入速率沒有顯著影響，即便硫酸濃度較低，高鹽度條件下硫酸鈣也發生沉淀現象；Liu等[46]在研究美國中西部Mt.Simon砂巖地層中CO2封存時，考慮了區域流體流動，發現大量的長石溶蝕與黏土礦物沉淀；Yu等[47]研究了松遼盆地南部飽和CO2地層水驅過程中水巖作用，指出不同礦物演化特征差異性：方解石溶解程度最大，片鈉鋁石次之，鐵白云石最弱，自生鈉長石和微晶石英未發生明顯的溶蝕作用；Elkhoury等[48]研究了裂縫性碳酸鹽巖儲集層中礦物的溶蝕與變形作用；Dávila等[49]研究了西班牙 Hontomín地區高NaCl和富硫酸鹽地層水中CO2封存的相關問題，系統分析了Ca2+、S2-、Fe2+和Si4+等反應前后的變化，指出方解石的溶蝕、石膏的沉淀和少量硅酸鹽的溶蝕是主要的礦物變化。筆者以鄂爾多斯盆地三疊系延長組 7段致密砂巖為例，系統分析了 CO2封存過程中礦物與物性變化，指出鉀長石、鈉長石及方解石溶蝕作用強度最大，明確綠泥石、高嶺石等黏土礦物的溶蝕、遷移與沉淀對儲集性能具有重要的影響。從固碳礦物來看，除了方解石、白云石及蒙脫石等固碳礦物外，筆者還發現了菱鐵礦和高嶺石等固碳礦物。從 CO2水巖反應前后場發射掃描電鏡原位對比圖可以看出，反應后菱鐵礦礦物的粒徑與形態均呈明顯的增大趨勢（見圖5a—圖5c），高嶺石分布的面積也呈明顯的增大（見圖 5d—圖 5f）。中長期超臨界 CO2注入砂巖地層的數值模擬結果進一步驗證了高嶺石與菱鐵礦對固碳的貢獻（見圖6）。伴隨封存時間從200年增長至1 000年，沉淀區高嶺石與菱鐵礦的分布面積逐漸增大；在封存時間為 1 000年時，沉淀區菱鐵礦體積變化系數為0.004 50（見圖6c），高嶺石體積變化系數（瞬時體積與初始體積的差除以初始體積）為0.002 86（見圖6f），分布范圍最遠可達距離注入井600 m的范圍。

圖5 鄂爾多斯盆地三疊系延長組7段砂巖CO2水巖反應前后礦物對比

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系延長組7段砂巖CO2封存過程中菱鐵礦與高嶺石含量時空變化

伴隨封存時間的增長，地層條件下 CO2封存方式會發生變化。以松遼盆地南部乾安地區扶余油層為例，基于ToughReact數值模擬軟件，系統模擬了10 000年CO2封存方式演變。數值模擬結果表明，從第10年到第10 000年，CO2封存方式從以構造殘余封存為主（占比 83%）逐漸變為構造殘余封存與礦物封存并重，二者占比分別為 38%和 37%，地層水中的溶解封存占比25%（見圖7）。封存方式的演變是在時間框架內地質、工程一體化綜合演變的結果?？傮w來看，CO2封存是1項復雜工程，在實施前應充分調研封存點的地質構造、巖石組分、孔隙結構、地層水分布、溫度場與壓力場特征，并認真評價經濟效益與操作成本等因素。影響CO2封存效果的因素主要有蓋層面積、儲集層傾角、儲集層非均質性、孔隙度、滲透率、地層溫壓、地層水鹽度和礦物組成等。影響 CO2注入量的因素主要有破裂壓力、儲集層厚度、最大注入速度、地溫梯度、儲集層頂深、滲透率、壓力梯度和孔隙度等[41,50-51]。隨著技術的發展，利用CO2礦化處理廢棄物成為碳封存的重要選項，其中 CO2摻入混凝土成為極具前景的大規模CO2封存方式。使用CO2與廢棄混凝土制得高性能的再生骨料，骨料表面的氫氧化碳和水化硅酸鈣凝膠，與CO2作用后形成碳酸鈣和硅膠，提高骨料性能[52]。

圖7 松遼盆地不同模擬時間CO2封存方式對比

4.2 咸水層封存潛力

目前咸水層 CO2封存潛力評價方法包括容積法、容量系數法、快速直觀動態法等[53-55]。根據美國地質調查局（USGS）評估，美國 36個盆地累計封存容量約為3×1012t CO2。全球碳捕集與封存研究院（GCCSI）提出美國擁有（2～21）×1012t CO2的封存潛力[56]。北美碳封存圖冊（NACSA）顯示，美國和加拿大含油氣盆地封存潛力分別為1 200×108t CO2和160×108t CO2，咸水層封存潛力分別為（1.610～20.155）×1012t CO2和（0.028～0.296）×1012t CO2[7]。墨西哥的咸水層封存潛力超過0.1×1012t CO2[54]。歐盟Geo Capacity項目評估認為，歐洲含油氣盆地封存潛力為300×108t CO2，深部咸水層的封存潛力為 3 250×108t CO2[7]。日本的CO2地質封存潛力約為1 400×108t CO2，主要分布在日本島嶼周圍面積較大的沉積盆地，包括東京灣盆地、大阪灣盆地、九州地區北部區域及伊勢灣盆地[7]。韓國深部咸水層封存潛力約為9.4×108t CO2，其中北平盆地的封存潛力約為9.0×108t CO2、浦項盆地的封存潛力約為0.4× 108t CO2；韓國含油氣盆地主要為油藏，其中烏龍盆地封存潛力約為30×108t CO2、濟州盆地約為235×108t CO2、群山盆地約為3×108t CO2[7]。印度尼西亞、泰國、菲律賓和越南總封存潛力約為540×108t CO2[56-57]。

中國深部咸水層封存容量約2.42×1012t CO2，主要集中于松遼盆地、渤海灣盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地[58]。其中，松遼盆地（6 950×108t CO2）、塔里木盆地（5 530×108t CO2）和渤海灣盆地（4 910×108t CO2）是最大的3個陸上咸水層封存區域，占總封存量的一半。除此之外，蘇北盆地（4 360×108t CO2）和鄂爾多斯盆地（3 360×108t CO2）的深部咸水層也具有較大的CO2封存潛力[59]。

4.3 枯竭型油氣藏封存潛力

由于單純的CO2封存項目存在能耗和成本過高、長期封存安全性和可靠性不確定等問題，CO2驅油與封存一體化研究成為油氣工業CO2封存的重要方向[37,60]。目前，全球，全球CO2驅油項目超過140個，其中121個項目在美國，CO2驅油技術主要在美國得到大規模工業應用，年產油量維持在0.15×108t左右，提高采收率 7%～22%，每桶油生產成本 18～28美元，已成為其第 1大提高采收率技術。近年來，美國以提高采收率25%為目標，積極研發新一代CO2驅油技術，例如納米顆粒穩態 CO2泡沫擴大波及體積技術、增加 CO2驅油流度控制的硅酸鹽聚合物凝膠研究、CO2驅油與封存規劃軟件研究、CO2驅油中的流度控制與地質力學模擬器研究、用于改善流度控制的小分子締合 CO2增稠劑研究等。從全球開展的CCS項目數和封存量上看，CO2捕集、驅油與封存（CCS-EOR）是主要方式和方向（見表1）。

中國在20世紀60年代就在大慶油田探索CO2驅油技術，先后開展了國家“973”、“863”及國家重大專項等科技攻關，建成了吉林、長慶的 CO2驅油與封存示范區。截至2020年，中國共進行過21次CCUS封存試驗、總封存量約為130×104t CO2[7]。CCUS試驗包括吉林、大慶、長慶和新疆等實驗區的項目，其中吉林油田現場CCUS已連續監測14年，驗證了油藏封存安全性（見表1）。從衰竭型油藏封存量看，在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地，通過CO2強化石油開采技術（CO2-EOR）可以封存約 51×108t CO2；從衰竭型氣藏封存量看，在鄂爾多斯盆地、四川盆地、渤海灣盆地和塔里木盆地，利用枯竭氣藏可以封存約153×108t CO2，通過CO2強化天然氣開采技術（CO2-EGR）可以封存約90×108t CO2。

表1 全球實施的大型CO2封存項目情況簡表

4.4 陸地碳匯

陸地碳匯是指陸地從大氣圈中吸收并儲存碳的總量，陸地碳庫存在于陸地巖石圈、生物圈和土壤圈等[61]。巖石圈是地球上最大的碳庫，據估計整個巖石圈碳總儲量約為9×1016t CO2，其中有機碳儲量約為2×1016t CO2，其中化石燃料中碳儲量約為（5～10）×1012t CO2[62-63]，地球共有約10×1016t CO2[64]。生物圈碳儲量約為 0.686×1012t CO2，其中森林占 662×108t CO2，草原占 240×108t CO2[65]。土壤圈碳總儲量為（1.4～1.5）×1012t CO2[66-69]。

總體來看，1850—2018年全球碳循環系統源-匯體系碳排放-吸收量基本平衡（見圖8），表明全球生態系統正扮演著積極的碳匯角色。1900—2005年，美國陸地累計碳匯為（35.1～213.1）×108t CO2，俄羅斯陸地累計碳匯為（57.8～129.3）×108t CO2，加拿大陸地累計碳匯為（35.3～125.8）×108t CO2?？傮w來看，美國、歐洲、加拿大和俄羅斯1900—1949年的陸地碳排放分別被 1950—1989年的陸地碳吸收所抵消（或基本抵消），從而使 1990年后的陸地生態系統處于凈吸收狀態。通過對近 20年來中國耕作土壤有機碳儲量分析[70]，估算得到中國耕作土壤的年平均碳匯為（0.41～0.71）×108t CO2。中國《國家溫室氣體清單》表明，1994—2014年溫室氣體排放量增長非?？?，2014年的排放量是2004年的3.3倍。與此同時，土地利用、土地利用變化與林業（LULUCF）碳匯量增長速度也較快，從 1994年的 4.07×108t CO2增加到 2014年11.25×108t CO2，增加了1.76倍。2014年LULUCF的碳匯量占碳排放量的10.94%。從碳收支情況看，中國陸地生態系統正起著碳匯作用。

圖8 全球碳循環系統源-匯體系碳排放-吸收量分布（據文獻[7]修改）

4.5 海洋碳匯

海洋碳匯指海洋吸收大氣中的 CO2，并用各種方式將其固定在海洋中的總量，地球上約 93%（38.4×1012t）的 CO2儲存在海洋中。因此，利用海洋“碳匯”作用，發展海洋低碳技術，對實現中國“雙碳”目標具有重要意義。2018年，深圳大鵬新區率先開展覆蓋轄區海域的海洋碳匯核算研究，編制中國首個《海洋碳匯核算指南》，預示中國將開始大力發展海洋碳匯[7]。

4.5.1 固碳機理

海洋固碳機理主要有兩類，即受 CO2分壓影響的物理固碳和海洋動植物參與的生物固碳，又可進一步劃分為海洋物理固碳、深海封儲固碳、海洋生物固碳。海洋物理固碳是通過海洋物理泵的作用，海水中的CO2-碳酸鹽體系向深海擴散和傳遞，最終變成碳酸鈣，沉積于海底，形成鈣質軟泥，從而起到固碳作用。深海封儲固碳是通過在深海形成 CO2穩定水合物，在遭受最高烈度地震或其他地質劇變也能保持穩定，能夠保證幾千年“安全無逃逸”；預計封儲在深海海底的液態CO2可穩定保存2 000年以上，因此成為未來最理想的儲藏方法。海洋生物固碳主要通過藻類、珊瑚礁、貝類進行固碳，通過光合作用固定 CO2，將無機碳轉化為有機碳?？紤]到分布范圍、固碳效率及生態環境，珊瑚礁固碳作用巨大，或成為永久固碳的最佳方式。

4.5.2 海洋生態體系固碳

海洋貯碳量約是大氣的50倍，以千年為時間單位考慮，海洋對調節大氣中CO2含量發揮了決定性作用。碳主要貯存在深海生物軟泥、濕地等環境。其中，廣袤深海洋底發育的深海生物軟泥約有1.2×1016t CO2以有機沉積物的形式存在。全球沿海濕地分布面積約20.3×104km2，固碳量約為 4.5×108t CO2/a。同時，沿海濕地大量存在的硫酸根阻礙了 CH4的產生，從而降低了CH4的排放量。高的碳積累速率和低的CH4排放量，使沿海濕地對大氣溫室效應的抑制作用更加明顯。

海洋是除地質碳庫外最大的碳庫，也是參與大氣碳循環最活躍的部分，海洋的固碳能力約為38.4×1012t CO2，年新增儲存能力為（5～6）×108t CO2。碳元素在海洋中主要以顆粒有機碳、溶解有機碳和溶解無機碳3種形態存在。不同海域吸收或釋放CO2的能力具有差異，赤道太平洋是最大的海洋“碳源區”，而北大西洋、北太平洋是大氣CO2最重要的“碳匯區”，南大洋是另一個重要的 CO2匯聚區域。原因是表層海水溫度越低，其吸收 CO2的能力越強，在北大西洋、北太平洋和南大洋區域均存在寒冷的表層水沉降，且生物生產力較高。南大洋僅占全球海洋面積的6%，但吸收的CO2卻占海洋吸收總量的40%。

中國渤海、黃海、東海和南海的面積約4.73×106km2，其海洋生態系統的區域碳循環在全球碳循環過程中占有重要地位，以年為尺度，渤海、黃海、東海、南海均表現為“碳匯”。海洋科技界比較公認的研究結果為：渤海每年可從大氣中吸收約284×104t CO2，黃海每年吸收約900×104t CO2，東?？晌占s0.3×108t CO2。南海因面積巨大，而且位處熱帶海域，迄今尚無可信的調查測算結果[71]。

5 碳金融

5.1 碳評價

作為碳工業體系的重要要素，碳市場和碳金融的發展成熟對推動碳工業的快速發展意義重大。對碳足跡的追蹤核算及碳資產價值的評估已成為碳交易市場必要的內在需求以及生態文明建設的客觀需要。碳足跡是溫室氣體排放的測度指標，碳資產是在低碳經濟下的1種新型重要資產。

5.1.1 碳足跡

碳足跡指在人類生產和消費活動中所排放的溫室氣體折合成的碳當量的總量，它是從產品全生命周期的角度出發，分析產品生命周期或與活動直接和間接相關的碳排放，通過測量生命周期碳消耗產生的 CO2當量來評估人類活動對環境的影響[72]。碳足跡的核算主要通過在人口、系統或活動的空間和時間邊界內的所有相關源、匯和儲存，衡量特定人口、系統或活動的CO2和CH4排放總量，并利用100年全球變暖潛力值計算CO2當量[73]。

關于碳足跡的核算與認證標準，是近15年碳評價領域最熱門的話題。PAS 2050規范和ISO 14067是目前廣泛采用的兩項碳足跡核算與認證標準[74-75]。PAS 2050[74]規范由英國政府與英國碳信托基金、英國環境、食品和鄉村事務部合作完成的，于2008年正式發布，并在2011年進行了修訂。國際標準ISO 14067[75]由來自30多個國家的107個專家共同制定，于2013年5月正式發布。兩項標準的陸續發布為企業評估產品碳排放提供了統一的規范，是有效推動綠色商品或服務評價的工具。

5.1.2 碳資產

碳資產是在低碳經濟領域內，1種具有價值屬性的對象身上體現或潛藏的、可能適用于儲存、流通或財富轉化的有形資產和無形資產[76]。價值評估理論的基礎是資本預算理論，為研究價值和資本理論而提出。碳資產價值評估可采用一般經濟學基礎，主要評估方法包括市場法、收益法、成本法及實物期權法[77-78]。

5.2 碳交易

碳交易是為促進全球碳減排，采用市場機制建立溫室氣體排放權（減排量）交易，即一方憑購買合同向另一方支付來獲得既定量的溫室氣體排放權的交易。碳交易市場監管，是指通過法律、經濟和行政手段，對碳排放權初始分配、權利行使、權利交易等問題進行監督管理[7]。中國碳排放權交易市場于2021年7月16日正式啟動，標志著中國國家性質的碳排放交易已拉開帷幕。中國利用市場機制來對溫室氣體排放進行調控并積極推動綠色低碳發展，有效助力“雙碳”目標的實現。

碳交易市場主體包括控排企業、金融機構、個人投資者、交易機構、注冊登記機構、第3方機構、技術支持機構和政府等。碳市場交易產品包括碳排放權（碳排放配額）和減排信用等。碳排放權是由政府基于碳排放總量目標發放，代表著對碳排放空間的使用權；減排信用是指將企業/居民的自發減排行為，按照標準方法學計算減排量，并被主管部門認定[7]。碳交易整體工作流程分為企業注冊、配額發放、配額交易、排放量核查、企業履約以及注銷6大步驟。圖9展示了全球碳交易市場發展標志性事件。截至2021年，國際碳行動伙伴組織（ICAP）的統計報告顯示，全球已有38個國家級司法管轄區和24個州、城市或地區正開展碳交易市場[7]。司法管轄區占全球GDP的54%；正在運行的24個碳交易體系覆蓋了全球16%的溫室氣體排放[79]。

圖9 全球碳市場發展標志性事件

6 挑戰與展望

6.1 主要挑戰

6.1.1 中國CO2排放量偏大，碳工業建設難度大

與歐美等發達國家經濟體比，中國國情與經濟結構具有特殊性，在建立碳工業體系、實現碳中和目標方面付出的努力將遠超歐美經濟體。歐美部分國家已實現經濟發展與碳排放的絕對脫鉤，總體上碳排放進入穩定下降通道。而中國GDP總量雖躍居全球第2位，但人均GDP剛突破1.26×104美元，發展不平衡、不充分的問題仍然比較突出，發展的能源需求不斷增加，碳排放尚未達峰，排放總量偏大。2021年中國CO2排放量105×108t，位居全球第1，約占全球總量的31%，實現碳中和、建設碳工業所需的碳減排量遠高于其他經濟體，難度極大。

6.1.2 中國能源消費結構中碳占比偏高，碳工業發展挑戰難度大

她像一片紫色花瓣圍繞著手術刀飛舞。在她的瞳孔里，我望見自己死去的靈魂，她說：“我痛恨世界上所有的男人除了你，你和他們不一樣，對嗎？”

中國能源結構以煤炭為主，2021年煤炭消費占能源消費總量比重為54.7%，非化石能源占17.3%，發電廠發電量中火電占比 72%，與全球能源結構以“油氣為主”的能源結構具有本質差異。按照2060年實現碳中和，中國碳減排時間偏短，難度更大。英國、法國、德國等歐洲發達國家早在1990年開啟國際氣候談判之前就實現了碳達峰，美國、加拿大、西班牙、意大利等國在2007年左右實現碳達峰，這些國家從碳達峰到2050年實現碳中和的窗口期短則40余年，長則60～70年，甚至更長。而中國從 2030年前碳排放達峰到2060年前實現碳中和的時間跨度僅有30年，減排任務艱巨，能源系統要快速消除占比84%的化石能源影響，實現零碳排放，面臨的挑戰極為艱巨。

6.1.3 引領支撐碳工業建立的創新體系偏弱，尚未建立完整工業格局

與石油天然氣工業類似，碳工業是完整的工業體系，不僅涉及到地球系統內碳全生命周期循環，涵蓋了碳生成、碳捕集、碳利用、碳封存的理論技術研發，而且包括了碳金融、碳交易與碳市場。作為獨立的工業體系，具有獨立的效益和規模發展趨勢是碳工業健康可持續發展的重要基礎。在目前狀況下，受全球氣候變化影響，全球碳工業理論技術研發進展多集中在CCUS/CCS[7,80-81]，在政策紅利的支持下，如政府撥款或公益機構扶持，多數項目才能生存。例如，加拿大威利斯頓盆地Weyburn-Midale CO2監控與封存項目得到了國際能源署的支持。單純的CCS項目受政策變化、經濟效益、長期封存安全性和可靠性不確定等問題的影響難以為繼，部分規劃項目已被迫終止。高額的投資及成本是阻礙CCS產業大規模商業化發展的瓶頸。目前，碳工業體系在項目規模、技術研發、政策激勵仍面臨重大挑戰，碳金融市場仍需進一步發展完善。

6.2 應對舉措

6.2.1 堅定不移開展碳工業體系建設，保障 2060年前如期實現碳中和

碳工業的建立與發展實現碳中和的關鍵，是保護地球生態系統、維護人類綠色健康發展的重要保障，是中華民族偉大復興與構建人類命運共同體的必由之路。開展碳工業體系建設，必須綜合考慮地球系統內碳的產生、演化和消亡體系，重點開展碳捕集、碳利用、碳封存及碳交易體系建設，尤以碳交易市場建設為重。下步工作應加強 3方面研究：①建立科學合理的全球碳排放權分配、交易、監管與標準體系，實現全球范圍內發達國家與發展中國家碳排放權的合理分配；②建立全球碳數據庫，實現國家級、大洋級、大洲級碳數據的實時獲取與更新，為全球碳工業體系提供科學依據；③加強頂層設計，建立碳工業體系國家發展路線，明確碳工業與能源、建筑、金融等工業關系。

6.2.2 大力發展新能源，推動中國能源生產與消費結構實現革命性轉換

建立與發展碳工業體系，需從根本上改變中國能源生產與消費格局。2021年中國能源消費格局呈現以化石能源為主“一大三小”的特征，煤炭在一次性能源消費結構中占比54.7%，石油、天然氣和新能源占比分別為19.4%、8.6%和17.3%[14]（見圖2）；預計到2060年，中國能源消費格局將轉變為以新能為主的“三小一大”，即煤炭、石油和天然氣在一次性能源消費結構中占比分別為5.0%、5.6%和9.4%，新能源占比達80%（見圖2），占據主導地位。因此，必須加大新能源扶持力度，通過技術創新、加大投資及不斷優化產業布局的，助力新能源時代提速加快到來。

6.2.3 加快建立全產業的碳工業科技創新體系

科技創新是贏得未來的關鍵，可為構建新發展格局、推動高質量發展提供有利支撐。為加快碳工業的發展，科技創新體系應重點加強 3方面工作：一是加強頂層設計，制定國家級發展規劃，合理優化產業布局。緊密圍繞力爭“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”的國家戰略，從中國實際國情出發，在國家層面開展碳工業發展規劃戰略設計，合理布局與碳相關的產業體系，建立從碳的產生、捕集、運輸、利用、封存與交易的全產業鏈。二是加大科技投入，制定適用性扶持政策，推動理論技術創新。系統梳理制約碳工業體系健康發展的關鍵科學問題與瓶頸生產難題，設立國家級、省部級、公司級重大科技項目，集中優勢力量重點攻關；建立碳工業理論技術體系，助力產業的快速發展。三是加強“碳中和學”學科建設，構建標準體系，培養碳工業專業人才。建設碳工業學，發展完善學科理論體系；圍繞碳工業的核心環節，積極研究并制訂國際與國家標準，推動中國成為碳工業標準化的制訂者、推動者與引領者；在科研院所與高等院校開設碳工業學相關課程，培養專業化人才，保障碳工業體系的人才基礎。

6.3 未來展望

碳工業體系是全球公認的朝陽產業，是人類社會高度發展的產物，不僅涉及到傳統能源行業、建筑行業與金融行業，而且對環境保護與地球綠色發展具有重要影響。與其他環境保護行動一樣，以碳中和為核心的碳工業體系是人類保護共同家園的現實行動。碳工業是全人類的一場去碳化的能源革命、生態化的科技革命、綠色化的工業革命，將為人類社會與經濟帶來新的變革。

①從能源革命看，碳工業將加速世界能源體系低碳化、無碳化轉型，世界能源消費結構將從煤炭、石油、天然氣和新能源的“四分天下”格局向以新能源為主的“一大三小”的格局發生根本性轉變。以中國為例，2021年以煤炭、石油和天然氣為主體的碳基能源消費比例 80%，以新能源為主體的零碳能源消費比例約15.9%；預計到2060年，零碳能源與碳基能源發生革命性轉換，零碳能源消費比例提升至 80%。在此基礎上，中國碳排放由當前的 105×108t左右降低至20×108t左右，實現碳減排總量85×108t、碳減排比例80%的雙降。因此，在碳工業體系下，新能源已由新資源上升為新戰略與新使命，為推動能源強國建設、實現全球碳中和發揮重要作用。

②從生態化科技革命看，科技革命是人類社會發展與進步的驅動力，是工業革命和能源革命的推動力，科學創新和技術進步是實現碳中和目標的關鍵。世界正處于第4次工業革命和第6次科技革命時期，這是1次以原子能技術、智能化技術、空間技術和生物工程技術為主要標志，涉及新能源、新材料、信息、空間、海洋和生物等諸多技術領域的信息控制科技革命。碳中和的目標與新一輪科技革命的融合，將指引科技革命向著生態化方向發展。新的科技革命和工業革命將推動第 3次世界能源轉型，尤其碳中和目標下，新一輪科技革命的低碳化和生態化特征將更加顯著。以可再生能源為代表的新能源利用技術將成為主導力量，綠色、生態、可持續發展將是新科技革命的重要主題。

③從綠色化工業革命看，以大數據和人工智能為代表的先進信息技術掀起了第 4次工業革命浪潮。碳工業革命將改變傳統高碳、粗放的發展模式，加快構建低碳、環保、高效的綠色發展模式。碳工業引發的科技革命將使社會與經濟發展產生重大變革，保障碳中和目標的順利實現。在人類工業化過程中，將催生以 CCUS為核心的碳工業，以綠氫為核心的氫工業等新興產業。

發展碳工業體系、建設碳中和社會是人類拯救地球、拯救人類文明的壯舉，需要每個人、每個企業、每個國家認同并發展碳中和社會思想，建立碳中和社會秩序，彌補以往對地球造成的破壞。碳工業是保證地球家園擁有清新的空氣、宜人的溫度、旺盛的生機、清潔的空間的基本條件，當整個人類社會都被納入碳中和的體系，人類將重新獲得并長久擁有一個綠色宜居地球。

7 結語

地球系統中的 CO2分為黑碳、灰碳和藍碳，3種“碳”在地球系統內部相互轉化，減小黑碳比例、提高灰碳特別是藍碳比例是實現碳達峰與碳中和的關鍵。

提出了碳工業體系概念，碳工業是人類綠色發展的必然趨勢和選擇。構建以CCUS/CCS為基礎的低成本、高能效的碳工業體系，是世界各國重大新興產業，是實現能源清潔利用和碳中和目標的戰略性措施。明確了4個方面的碳工業體系內涵。

碳工業體系的建立，助力中國化石能源與非化石能源供應格局的革命性演變，從2021年到2060年實現4個“80%”的轉變。碳工業體系中，以零碳能源為核心的新能源將從新資源范疇上升至新使命與新戰略意義。

碳工業體系發展面臨重大挑戰，針對性提出建設碳工業體系、大力發展新能源和加快建立全產業的CO2工業科技創新體系3項應對舉措。全球碳中和背景下，發展碳工業體系，中國力爭2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，對中華民族永續發展和構建人類命運共同體意義重大。碳工業的發展將大幅提升人類幸福感，為建設人類生態文明與宜居地球做出重要貢獻。