碳中和笔记丨美国如何部署碳封存研究

2021年11月，美国 签署 两党基础设施法案（Bipartisan Infrastructure Law），大幅增加包括能源行业在内的基础设施投资力度。得益于这一法案， DOE 近五年内 对 CCUS领域的支持力度将超过120亿美元。

DOE在CCUS领域的布局 包括 点源碳捕集、碳移除、碳转化、碳封存、CCUS耦合制氢五个方面 。 本文重点分析DOE在碳封存方向的具体部署，以期为我国深入推进碳封存研发示范提供参考。

一、美国碳封存研究总体思路

DOE早期的碳封存研究开发计划（Carbon Storage R&D Program）完整涵盖了捕集、利用与封存全流程。

后来， 碳捕集和碳转化分别成为独立的开发计划，碳封存研发计划 聚焦至碳封存环节本身。

2022年，碳封存计划扩大到包括碳运输，全称为碳运输与封存计划（Carbon Transport & Storage Program）。

DOE碳运输与封存计划 的最终目标是，推动打造一个 规模与美国脱碳经济需要相匹配的 碳运输与封存产业。

DOE认为，促进大规模CCS部署涉及五个关键要素： 建设可靠碳封存基础设施的策略，提升性能的研发示范活动， 增加劳动力的 教育培训，技术转移，以及面向利益相关者的技术支持。

碳运输与封存计划重点支持三个子方向：碳封存 基础设施、先进碳封存技术、二氧化碳运输。 两党基础设施法案为之提供了近五年4 7亿美元 的 额外 资金支持。

二、碳封存基础设施方向

碳封存基础设施方向，主要支持 综合性碳封存现场项目，重点解决封存场站的地层 表征、二氧化碳注入和地下运移控制等问题。该方向 包括五个细分领域： 碳封存保证设施计划、区域性碳封存倡议、离岸碳封存项目、咸水抽采碳封存试验和非常规碳封存项目。

1.碳封存保证设施计划 （Carbon Storage Assurance Facility Enterprise）。该计划始于2016年，旨在识别和 详细表征适合大规模 地质封存的场地，单个场地 30年累计 封存容量不低于5000万吨。该 计划分四期实施：一期开展预可行性研究， 13个项目入选， 周期12-18个月；二期开展 可行性 研究 ， 6个项目入选， 周期18-24个月；三期进行场地表征与许可，目前 5个项目入选， 周期不超过36个月；四期将完成建设，周期不超过30个月。

2.区域性倡议 （Regional Initiative）。该计划始于2019年，旨在促进区域性陆上碳封存相关的技术转移、知识分享与大规模商业应用。目前DOE正在资助中部大平原（Plains）、西部（Western）、中西部（Midwest）、 东南（Southeast）部等四个区域性倡议项目。

3.离岸碳封存项目 （Offshore Characterization Field Projects）。该计划旨在评估开展大规模海上碳封存的潜力。目前支持的两个项目，分别针对美国大西洋沿岸和墨西哥湾沿岸开展离岸封存详细评估工作。

4.咸水抽采碳封存试验 （Brine Extraction Storage Test）。旨在研究通过主动储层管理（ ARM）调节储层压力与封存效率的有效性，分为可行性研究与现场示范两个阶段。其中可行性研究阶段有5个项目参与，最终有2个项目进入现场示范阶段，分别位于威利斯顿盆地（Williston Basin）和墨西哥湾沿岸（Gulf Coast）。

5.非常规碳封存项目 （Unconventional Storage Projects）。通过将二氧化碳注入油藏（EOR）、残油区（ROZ）和致密油藏（TOF）实现增产原油和封存二氧化碳的双重目的。DOE曾经支持过上述项目，但目前已经停止资助任何碳氢化合物开采的项目。

三、先进碳封存技术方 向

先进碳封存技术方向，主要支持二氧化碳陆上与离岸封存涉及的各种提高性能和降低成本的先进技术与工具的开发。 具体包括六个方面： 井筒完整性、安全封存、地下应力、 羽 流探测、矿化和风险评估。

1.井筒完整性 （Wellbore Integrity） 。包括具有更高分辨率的低成本工具，如用于泄漏识别的先进地震和示踪技术，以及 用于切断泄漏通道、 具有自愈或外部活化能力的水泥和纳米复合材料等新方法。

2.安全封存 （Secure Storage） 。包括盖层地球力学属性 原位测量 新工具、改进型监测与 野外 泄漏 数据采集 工具、地球力学过程建模、模型算法现场验证、集成传感器网络、 泄漏检测 增强地震方法等。

3.地下应力 （Subsurface Stress） 。侧重于预测和评估与潜在诱发地震活动相关的二氧化碳注入的地质力学影响，并在发生微震事件时对其进行检测和分析。

4.羽流探测 （Plume Detection） 。包括羽流预测模型、羽流位置和去向 监测技术、二氧化碳 孔隙空间分布模拟、羽流探测地球物理工具、智能监测系统和机器学习、示踪剂等。

5.矿化 （Mineralization） 。包括富钙镁矿床确定、地球化学和动力学分析、材料来源特征与矿化能力分析、碳吸收预测、矿化过程强化等。

6.风险评估 （Risk Assessment） 。包括用于加速地下应用实时决策能力的基于科学的机器学习系统（SMART）、能源数据交换系统（EDX）、国家风险评估伙伴计划（NRAP）、离岸风险模拟工具包（ORM）等4个综合性平台。

此外，该技术方向还包括小企业创新研究（SBIR）和小企业技术转移（SBTR）两个计划，为碳封存领域具有技术优势的小型企业提供资助，帮助培育更多可商业获取且具有成本优势的CCUS技术。  

四、二氧化碳运输 方向

美国现有二氧化碳运输管道 8000公里 ，每年运输量约5000万吨。 DOE希望到2030年将运输能力提升到6500万吨/年，到2050年扩大到10亿吨 /年 。 基于这一目标，二氧化碳运输方向主要支持运输网络设计，以及针对特定技术挑战的单项技术开发 。具体 支持四个方面：基础设施金融支持、 前端工程设计、战略性研究与工具、研究开发与示范。

1. 基础设施金融支持 （CIFIA） 。 两党基础设施法案为此提供21亿美元预算，主要通过为相关企业提供贷款、贷款担保、项目资助，提升 大型二氧化碳运输管网的能力和范围。

2. 前端工程设计 （FEED）。包括 旨在实现规模效益、增加运量、提高连接性的 区域性二氧化碳管道项目的前端工程设计研究，以及促进区域或国家运输网络的多模式转换、临时存储能力类项目的 前端工程设计预研究 。

3.战略性研究与工具 （Strategic Studies & Tools）。战略性研究主要用于弥补针对特定主题的信息鸿沟。DOE支持开发的主要工具包括：用于CCS基础设施网络设计优化的Sim CCS软件，旨在连接CCUS供应链不同用户的在线信息平台Carbon Matchmaker，用于早期概念设计与评估的二氧化碳运输技术经济分析（ TEA ）和全生命周期分析（ LCA ）模型。

4.研究开发与示范 （RD&D）。暂未实质性启动项目，计划建立二氧化碳运输联盟，进一步识别二氧化碳运输面临的技术壁垒，为未来资助计划提供参考。

五、有关 启示

第一，碳封存研究的长期积累至关重要。 DOE持续组织开展碳封存相关研究超过25年，从根本上奠定了美国在碳封存技术、数据、工具、工程实践、人才储备等方面的坚实基础和领先优势。

第二，碳封存研究的顶层设计至关重要。DOE布局碳封存研究涵盖范围全面、项目规划系统、前后衔接有序，层层递进、系统推进，较好实现了技术研发部署与国家减排战略的有效衔接。

第三，碳封存研究的资源共享至关重要。DOE在支持硬核技术开发的同时，特别注重成果和资源的充分共享，提供了大量工具、数据、试验基地等公共资源，支持建立了区域性协调机制，促进了不同主体在碳封存研究部署上的公平与效率。

第四，大型碳封存项目开发需要开展扎实的前期工作。DOE支持开展的五个容量5000万吨以上的碳 封存项目，在正式实施前都需要投入大量资金，持续进行5-6年的系统性前期研究，确保大规模地质封存项目安全可靠 。

部分参考文献

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