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


(资料图)

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。

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