鄒才能，吳松濤，楊智，潘松圻，王國(guó)鋒，姜曉華，管墨迪，于聰，于志超，沈月,5

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

0 引言

以 CO2為代表的溫室氣體過(guò)度排放，導(dǎo)致全球平均氣溫不斷升高[1-6]。全球氣候變暖引發(fā)的諸如冰川消融、海平面上升、海水酸化、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列極端高溫氣候事件，正對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，也對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展構(gòu)成重大威脅。2020年全球平均氣溫約15 ℃，較工業(yè)化前期氣溫（1850—1900年平均值）高出1.2 ℃[7]；1951—2020年中國(guó)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(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)將“到本世紀(jì)末控制全球溫度升高1.5 ℃”作為確保人類(lèi)能夠在地球上永續(xù)生存的目標(biāo)之一，并全方位努力推動(dòng)能源體系向化石能源低碳化、無(wú)碳化發(fā)展[11]。2020年9月22日，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上向全世界宣布，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[12]。

在自然界中，碳主要以 CO2、有機(jī)物和無(wú)機(jī)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(nèi)部及圈層之間進(jìn)行循環(huán)。人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)的 CO2排放主要來(lái)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(dǎo)致大氣圈中CO2的濃度不斷增加，從而破壞了地球系統(tǒng)的碳平衡。減少大氣圈內(nèi) CO2含量成為碳達(dá)峰與碳中和的關(guān)鍵。國(guó)際能源署（IEA）[13]研究表明，通過(guò)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)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(shù)和林業(yè)碳匯等碳移除手段可減少CO2排放76×108t，從而實(shí)現(xiàn)全球碳中和。

以碳中和為核心，全球正在開(kāi)展新一輪技術(shù)革命，構(gòu)建碳工業(yè)體系，重塑全球傳統(tǒng)化石能源與新能源的生產(chǎn)與消費(fèi)版圖正成為重大發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)能源結(jié)構(gòu)與全球能源結(jié)構(gòu)具有差異，中國(guó)2021年CO2排放量約占全球總量的28%，實(shí)現(xiàn)碳中和所需的碳減排量遠(yuǎn)高于其他經(jīng)濟(jì)體。bp世界能源統(tǒng)計(jì)表明[14]，2021年中國(guó)能源消費(fèi)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(yīng)中的占比遠(yuǎn)高于全球平均水平。因此，中國(guó)開(kāi)展碳工業(yè)體系建設(shè)、重塑能源格局面臨的挑戰(zhàn)更大。特別是在當(dāng)前全球地緣政治復(fù)雜和局部地區(qū)爆發(fā)沖突的背景下，能源安全的極端重要性再次被提及，各國(guó)已將能源生產(chǎn)與消費(fèi)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(yè)正處于起步階段，缺乏系統(tǒng)性理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。為了給碳工業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展和能源公司加速轉(zhuǎn)型提供理論支持，并為實(shí)現(xiàn)“碳中和”提供科學(xué)依據(jù)和參考，本文提出了“碳工業(yè)體系”概念，闡述 CO2產(chǎn)業(yè)鏈中捕集、應(yīng)用、封存、金融市場(chǎng)等重點(diǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展，分析碳工業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，探討中國(guó)碳工業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，展望碳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與未來(lái)，以期為加速未來(lái)全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 碳工業(yè)體系定義及內(nèi)涵

碳工業(yè)體系是以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展為核心目標(biāo)，從全球碳循環(huán)的角度系統(tǒng)研究地球系統(tǒng)內(nèi)碳的產(chǎn)生、演化和消亡體系，業(yè)務(wù)范圍涵蓋碳產(chǎn)生、碳捕集、碳運(yùn)輸、碳利用、碳封存、碳產(chǎn)品和碳金融等全碳產(chǎn)業(yè)（見(jiàn)圖1），是保障綠色地球、構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)之一。碳排放峰值指1個(gè)經(jīng)濟(jì)體（地區(qū)）CO2的最大年排放值[7,10]。碳達(dá)峰指碳排放量在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到峰值后不再增加，核心是碳排放增速持續(xù)降低直至負(fù)增長(zhǎng)[9]。碳中和指在一定時(shí)間內(nèi)，直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，通過(guò)自然或人為技術(shù)手段被全部抵消，實(shí)現(xiàn)碳排放與碳吸收的平衡，達(dá)到“凈零排放”，核心是溫室氣體排放量的大幅降低。碳達(dá)峰是量變，碳中和是質(zhì)變。在國(guó)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(yè)體系構(gòu)成框圖（據(jù)文獻(xiàn)[7]修改）

碳工業(yè)體系內(nèi)涵包括 4個(gè)方面：①化石能源清潔利用、清潔用能替代、資源回收利用、節(jié)能提效等碳減排技術(shù)；②利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，以及氫能、智慧能源、核能與可控核聚變等零碳技術(shù)；③CO2捕集、利用、封存、轉(zhuǎn)化及林業(yè)、海洋、土壤碳匯等負(fù)碳技術(shù)；④碳稅制度、碳交易制度、復(fù)合碳排放權(quán)交易體系、碳經(jīng)濟(jì)與碳產(chǎn)業(yè)政策、碳財(cái)政補(bǔ)貼等。碳工業(yè)體系的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)碳中和，關(guān)鍵是降低或者移除CO2排放。

根據(jù) CO2在地球系統(tǒng)中的賦存方式，本文將地球系統(tǒng)中的“碳”分為 3類(lèi)，即黑碳、灰碳和藍(lán)碳。其中，黑碳是指未被封存或利用，并長(zhǎng)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(zhì)體中的CO2；藍(lán)碳是指通過(guò)生物、物理、化學(xué)等作用可轉(zhuǎn)化為人類(lèi)利用產(chǎn)品的CO2。3種碳概念的提出，為碳工業(yè)體系技術(shù)發(fā)展指明了方向，即在碳工業(yè)體系中，最大限度移除黑碳影響、最大限度提高灰碳規(guī)模、最大限度發(fā)展藍(lán)碳經(jīng)濟(jì)，成為碳工業(yè)體系綠色可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。從黑碳到灰碳再到藍(lán)碳，實(shí)現(xiàn)了碳資源的“變廢為寶”與循環(huán)利用。特別是“藍(lán)碳”概念的提出，不僅僅考慮了碳的類(lèi)型，更從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度對(duì)碳工業(yè)體系內(nèi)“碳”循環(huán)路徑的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

碳工業(yè)體系是徹底消除“黑碳”影響、做大“灰碳”封存、做優(yōu)“藍(lán)碳”利用的系統(tǒng)性、革命性、顛覆性全新工業(yè)體系。3種類(lèi)型的碳在碳工業(yè)體系內(nèi)可相互轉(zhuǎn)化，通過(guò)碳捕集技術(shù)，可將黑碳捕集，封存到地質(zhì)體中形成灰碳，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品后形成藍(lán)碳；藍(lán)碳被人類(lèi)社會(huì)利用后，可形成以游離態(tài)賦存于大氣圈中的黑碳，也可經(jīng)捕集封存后轉(zhuǎn)變?yōu)榛姨肌＠?，在地球碳循環(huán)系統(tǒng)中，CO2主要來(lái)自能源消耗、農(nóng)林用地、土地利用和垃圾排放等。通過(guò)建立和完善碳稅制度、碳交易制度、復(fù)合碳排放權(quán)交易體系、財(cái)政補(bǔ)貼等碳經(jīng)濟(jì)與政策杠桿，有效控制“黑碳”的排放。利用生態(tài)系統(tǒng)碳匯、CO2生產(chǎn)化工產(chǎn)品、CO2人工綠色轉(zhuǎn)化、CO2地質(zhì)驅(qū)油、CO2地質(zhì)封存等技術(shù)，可增加“灰碳”和“藍(lán)碳”的利用，有效減少大氣中CO2的濃度；同時(shí)，以CCUS/CCS為基礎(chǔ)的低成本、高能效的碳工業(yè)體系，可將“黑碳”封存于地下?lián)碛芯蘖績(jī)?chǔ)集空間的枯竭性油氣田、地下鹵水層中，轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎姨肌?，從而為碳中和做出重要貢獻(xiàn)。通過(guò)有效提升地球生態(tài)系統(tǒng)的碳消耗能力，減小黑碳比例，提高灰碳比例，特別是提高藍(lán)碳比例，推動(dòng)碳中和，真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)碳平衡。

碳工業(yè)體系的構(gòu)建與傳統(tǒng)能源到新能源的跨越式發(fā)展息息相關(guān)。2021年，中國(guó)非化石能源在一次能源的占比17.3%，化石能源占比82.7%。據(jù)預(yù)測(cè)，到2060年中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，年消費(fèi)量57.9×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，非化石能源占比達(dá)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(yīng)格局發(fā)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)4個(gè)“80%”的轉(zhuǎn)變：由2021年含碳化石能源消費(fèi)占比80%以上、能源CO2排放80%以上轉(zhuǎn)變?yōu)?060年非碳新能源占比80%以上、CO2排放減少80%以上（見(jiàn)圖2）。因此，在碳工業(yè)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(zhuǎn)型的方向、能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主力、能源科技創(chuàng)新的前沿與綠色地球建設(shè)的動(dòng)力，具有新的使命與新的戰(zhàn)略意義，在能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)中任重道遠(yuǎn)。

圖2 積極型情景下中國(guó)能源需求量與結(jié)構(gòu)及碳排放預(yù)測(cè)（據(jù)文獻(xiàn)[14, 16]修改）

2 碳捕集

碳捕集技術(shù)是指通過(guò)化學(xué)吸收、化學(xué)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(shù)。化學(xué)吸附法具有選擇性好、吸收效率高、能耗及成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前碳捕集技術(shù)中最為成熟的，90%的脫碳技術(shù)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(shí)施碳捕集的技術(shù)要求與經(jīng)濟(jì)成本高[17-20]。在排放端開(kāi)展碳捕集工作，是降低碳排放的有效手段與后續(xù)碳轉(zhuǎn)化及碳利用的前提[21]。

碳捕集技術(shù)分為燃燒前捕集、燃燒中捕集和燃燒后捕集 3類(lèi)。燃燒前捕集指將含碳燃料進(jìn)行蒸汽重整后，分離其中的 CO2并進(jìn)行捕集，剩余的富氫燃料用于燃燒供能，目前主要運(yùn)用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（integrated gasification combined cycle，IGCC）中。燃燒中捕集技術(shù)主要包括富氧燃燒技術(shù)和化學(xué)鏈燃燒技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)與傳統(tǒng)燃煤電站技術(shù)流程類(lèi)似，通過(guò)空氣制氧獲得高純O2代替空氣進(jìn)行燃燒，通過(guò)大比例（約 70%）煙氣再循環(huán)以調(diào)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?jǐn)?shù)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(jìn)而進(jìn)行捕集及儲(chǔ)存的方法，主要有化學(xué)吸收法、物理吸收法以及膜分離技術(shù)等。

近年來(lái)，直接從空氣中實(shí)施碳捕集技術(shù)取得明顯成效。2021年Climeworks公司在冰島成立Orca工業(yè)廠房，每年可從空氣中脫除并永久儲(chǔ)存CO2約4 000 t[22]。Climeworks公司采用了模塊化手段，通過(guò)碳捕集單元進(jìn)行堆疊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中單元裝置技術(shù)的先進(jìn)性與有效性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳捕集效率的突破。工作原理是通過(guò)風(fēng)扇吸入周?chē)諝?，使其通過(guò)“高選擇性過(guò)濾材料”。當(dāng)過(guò)濾材料吸入足量 CO2后，單元裝置關(guān)閉，過(guò)濾器加熱至 100 ℃，使得氣體釋放并被收集起來(lái)。據(jù)國(guó)際能源署[13]報(bào)道，2020年全球有 15個(gè)從空氣中直接捕集CO2的工廠在運(yùn)作，每年捕獲CO2約1×104t。按照《巴黎協(xié)定》中的氣候目標(biāo)，國(guó)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(dá)到1 000×104t[13]。

3 碳利用

3.1 地質(zhì)利用

常溫常壓下，CO2為無(wú)色無(wú)味氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑。當(dāng)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為0 ℃時(shí)，CO2熱導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)吸附、降黏、傳導(dǎo)等特性，在地質(zhì)領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用：①CO2在地層中可萃取輕質(zhì)原油，降低油水界面張力，能用于提高石油采收率（見(jiàn)圖3、圖4）；②輕質(zhì)原油與CO2組合的溶浸液能夠溶解鈾鹽，可用于鈾礦開(kāi)采；③稠油油藏和凝析氣藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中均面臨流動(dòng)性問(wèn)題，CO2具有黏度低、流動(dòng)性強(qiáng)的特性，可強(qiáng)化稠油及凝析氣藏開(kāi)采；④作為傳導(dǎo)介質(zhì)，CO2的流動(dòng)性優(yōu)于水，有利于水敏儲(chǔ)集層保護(hù)，可用于干熱巖開(kāi)發(fā)；⑤CO2在煤層及頁(yè)巖儲(chǔ)集層中的吸附性強(qiáng)于 CH4，利用競(jìng)爭(zhēng)吸附可提高煤層氣及頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)效果。

圖3 CO2提高驅(qū)油采收率模式圖

圖4 常規(guī)-非常規(guī)油氣聚集類(lèi)型與CO2驅(qū)油模式圖（據(jù)文獻(xiàn)[23]修改）

3.2 化工利用

化工利用是以化學(xué)轉(zhuǎn)化為手段，在高效催化劑的作用下，使 CO2與還原劑反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物，將溫室氣體轉(zhuǎn)化為高附加值化工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)的創(chuàng)收增效。從化學(xué)反應(yīng)角度出發(fā)，CO2可以被還原成多種含碳有機(jī)化學(xué)品。但與“以CO2為原料的化學(xué)品合成”這一科學(xué)問(wèn)題不同，“CO2資源化利用”還需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在大宗化學(xué)品生產(chǎn)中，用CO2加氫制CH4、C2H6O，已有工業(yè)化應(yīng)用案例。電催化和可見(jiàn)光催化是實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化成CH4的有效策略，關(guān)鍵是高活性和高選擇性的催化劑。例如，Rao等[24]報(bào)道了 1種鐵基分子級(jí)光催化劑，在室溫、常壓可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下可高效催化 CO2還原制 CH4，總選擇性高達(dá) 82%，量子產(chǎn)率為0.18%。Lin等[25]實(shí)現(xiàn)了非銅基催化劑上串聯(lián)催化CO2電化學(xué)還原制甲烷，通過(guò)酞菁鈷（CoPc）和鋅-氮-碳串聯(lián)催化劑，有效將 CO2電化學(xué)還原為 CH4，CH4生成速率比單獨(dú)酞菁鈷或鋅-氮-碳提高 100倍以上，這為CO2電催化還原制碳?xì)浠衔锾峁┝诵虏呗?。在精?xì)化學(xué)品生產(chǎn)方面，綜合考慮環(huán)境友好與新能源新材料技術(shù)支撐方向，優(yōu)先以電池液、環(huán)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(duì)象。

3.3 生物利用

生物利用是通過(guò)前沿科學(xué)技術(shù)探索，借助人工光合作用或仿生催化技術(shù)，將 CO2轉(zhuǎn)化為生物肥料、生物燃料、人造淀粉等產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)固碳的同時(shí)，將CO2“回歸生命體”再次進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。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(duì)CO2高排放，模擬植物光合作用中CO2光催化還原機(jī)制（PCR），探索并突破人工光合作用技術(shù)及CO2光催化還原制備高附加值產(chǎn)品成為研究趨勢(shì)[7,27-29]。Ayuba[27]研發(fā)了可將CO2還原成醋酸、乙烯的有效催化劑——S.ovata細(xì)菌，在模擬燈光照射超過(guò)100 h條件下建立了1個(gè)獨(dú)立的可有效生產(chǎn)乙酸的太陽(yáng)能系統(tǒng)，與植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)，進(jìn)一步證明了人工光合作用的可行性。利用遺傳學(xué)方法重構(gòu)嗜熱細(xì)菌（別稱熾熱火球菌，Pyrococcus furiosus），直接利用大氣中的CO2轉(zhuǎn)化成 3-羥基丙酸，用于生產(chǎn)丙烯酸樹(shù)脂和其他化工品。整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程釋放出來(lái)的 CO2量與制造它所需的CO2量相同，實(shí)現(xiàn)了碳平衡，并產(chǎn)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(yáng)能至化學(xué)品（Solar-to-chemical）”開(kāi)辟了 1 條新的路徑（（1）式—（5）式），具有現(xiàn)實(shí)意義[30-31]。

目前，微藻固碳技術(shù)主要以微藻固定CO2轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)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(jī)底物還原成高附加值化學(xué)品的過(guò)程。在非穩(wěn)電力尚無(wú)法有效并入電網(wǎng)體系的今天，微生物電合成 CO2還原技術(shù)的研究與推廣，既可實(shí)現(xiàn)CO2固定，又可將自然能源（風(fēng)能、光能）通過(guò)電能轉(zhuǎn)化以高附加值化學(xué)品的形式儲(chǔ)存下來(lái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微生物細(xì)胞能量與物質(zhì)的高效耦合代謝[32]。通過(guò)細(xì)菌改造后的沼澤紅假單胞菌（rhodopseudomonas palustris），以CO2、光能和太陽(yáng)能發(fā)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(yīng)裝置，在相同菌群與電極電流密度條件下，庫(kù)倫效率為原油的14倍，乙酸生成速率是生物膜MES反應(yīng)器的10倍以上，有效解決了微生物電合成產(chǎn)物合成速率較低的問(wèn)題[34-35]。

4 碳封存

CO2封存是通過(guò)工程技術(shù)手段將捕集的 CO2注入深部地質(zhì)儲(chǔ)集層，實(shí)現(xiàn)CO2與大氣長(zhǎng)期隔絕的過(guò)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(zhì)封存潛力為（2～21）×1012t CO2，歐洲地質(zhì)封存潛力約為0.355×1012t CO2，中國(guó)地質(zhì)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(gòu)造完整，地質(zhì)勘探基礎(chǔ)良好，是目前CO2封存的第2大方式[36-38]。

4.1 封存機(jī)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(xué)封存，其中物理封存包括地質(zhì)構(gòu)造封存和殘余氣封存，化學(xué)封存包括溶解封存和礦化封存[39-42]。CO2地質(zhì)封存與其進(jìn)入地層后的 CO2流固反應(yīng)密切相關(guān)。CO2進(jìn)入巖石后處于超臨界狀態(tài)，與地層水、油氣等混溶形成多相流體，并與礦物發(fā)生物質(zhì)交換，或?qū)σ延械V物形成溶蝕，或形成新的礦物，從而改變儲(chǔ)集層的孔隙結(jié)構(gòu)（見(jiàn)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(yīng)，證實(shí)在現(xiàn)今地層條件下 CO2可與巖石反應(yīng)生成碳酸鈣從而實(shí)現(xiàn)有效的碳封存；Mohamed等[45]研究了CO2封存過(guò)程中硫酸鹽沉淀問(wèn)題，通過(guò)對(duì)溫度、注入速度等對(duì)比性研究，提出溫度是影響硫酸沉淀的主要參數(shù)，注入速率沒(méi)有顯著影響，即便硫酸濃度較低，高鹽度條件下硫酸鈣也發(fā)生沉淀現(xiàn)象；Liu等[46]在研究美國(guó)中西部Mt.Simon砂巖地層中CO2封存時(shí)，考慮了區(qū)域流體流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)大量的長(zhǎng)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(qū)過(guò)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(zhǎng)石和微晶石英未發(fā)生明顯的溶蝕作用；Elkhoury等[48]研究了裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)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(qū)高NaCl和富硫酸鹽地層水中CO2封存的相關(guān)問(wèn)題，系統(tǒng)分析了Ca2+、S2-、Fe2+和Si4+等反應(yīng)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(zhǎng)組 7段致密砂巖為例，系統(tǒng)分析了 CO2封存過(guò)程中礦物與物性變化，指出鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石及方解石溶蝕作用強(qiáng)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(duì)儲(chǔ)集性能具有重要的影響。從固碳礦物來(lái)看，除了方解石、白云石及蒙脫石等固碳礦物外，筆者還發(fā)現(xiàn)了菱鐵礦和高嶺石等固碳礦物。從 CO2水巖反應(yīng)前后場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡原位對(duì)比圖可以看出，反應(yīng)后菱鐵礦礦物的粒徑與形態(tài)均呈明顯的增大趨勢(shì)（見(jiàn)圖5a—圖5c），高嶺石分布的面積也呈明顯的增大（見(jiàn)圖 5d—圖 5f）。中長(zhǎng)期超臨界 CO2注入砂巖地層的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了高嶺石與菱鐵礦對(duì)固碳的貢獻(xiàn)（見(jiàn)圖6）。伴隨封存時(shí)間從200年增長(zhǎng)至1 000年，沉淀區(qū)高嶺石與菱鐵礦的分布面積逐漸增大；在封存時(shí)間為 1 000年時(shí)，沉淀區(qū)菱鐵礦體積變化系數(shù)為0.004 50（見(jiàn)圖6c），高嶺石體積變化系數(shù)（瞬時(shí)體積與初始體積的差除以初始體積）為0.002 86（見(jiàn)圖6f），分布范圍最遠(yuǎn)可達(dá)距離注入井600 m的范圍。

圖5 鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組7段砂巖CO2水巖反應(yīng)前后礦物對(duì)比

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組7段砂巖CO2封存過(guò)程中菱鐵礦與高嶺石含量時(shí)空變化

伴隨封存時(shí)間的增長(zhǎng)，地層條件下 CO2封存方式會(huì)發(fā)生變化。以松遼盆地南部乾安地區(qū)扶余油層為例，基于ToughReact數(shù)值模擬軟件，系統(tǒng)模擬了10 000年CO2封存方式演變。數(shù)值模擬結(jié)果表明，從第10年到第10 000年，CO2封存方式從以構(gòu)造殘余封存為主（占比 83%）逐漸變?yōu)闃?gòu)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(jiàn)圖7）。封存方式的演變是在時(shí)間框架內(nèi)地質(zhì)、工程一體化綜合演變的結(jié)果?？傮w來(lái)看，CO2封存是1項(xiàng)復(fù)雜工程，在實(shí)施前應(yīng)充分調(diào)研封存點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造、巖石組分、孔隙結(jié)構(gòu)、地層水分布、溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)特征，并認(rèn)真評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)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(chǔ)集層傾角、儲(chǔ)集層非均質(zhì)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(chǔ)集層厚度、最大注入速度、地溫梯度、儲(chǔ)集層頂深、滲透率、壓力梯度和孔隙度等[41,50-51]。隨著技術(shù)的發(fā)展，利用CO2礦化處理廢棄物成為碳封存的重要選項(xiàng)，其中 CO2摻入混凝土成為極具前景的大規(guī)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(shí)間CO2封存方式對(duì)比

4.2 咸水層封存潛力

目前咸水層 CO2封存潛力評(píng)價(jià)方法包括容積法、容量系數(shù)法、快速直觀動(dòng)態(tài)法等[53-55]。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）評(píng)估，美國(guó) 36個(gè)盆地累計(jì)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(guó)擁有（2～21）×1012t CO2的封存潛力[56]。北美碳封存圖冊(cè)（NACSA）顯示，美國(guó)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(guò)0.1×1012t CO2[54]。歐盟Geo Capacity項(xiàng)目評(píng)估認(rèn)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(zhì)封存潛力約為1 400×108t CO2，主要分布在日本島嶼周?chē)娣e較大的沉積盆地，包括東京灣盆地、大阪灣盆地、九州地區(qū)北部區(qū)域及伊勢(shì)灣盆地[7]。韓國(guó)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(xiàng)盆地的封存潛力約為0.4× 108t CO2；韓國(guó)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(jì)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(guó)、菲律賓和越南總封存潛力約為540×108t CO2[56-57]。

中國(guó)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(zhǔn)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(gè)陸上咸水層封存區(qū)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(xiàng)目存在能耗和成本過(guò)高、長(zhǎng)期封存安全性和可靠性不確定等問(wèn)題，CO2驅(qū)油與封存一體化研究成為油氣工業(yè)CO2封存的重要方向[37,60]。目前，全球，全球CO2驅(qū)油項(xiàng)目超過(guò)140個(gè)，其中121個(gè)項(xiàng)目在美國(guó)，CO2驅(qū)油技術(shù)主要在美國(guó)得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，年產(chǎn)油量維持在0.15×108t左右，提高采收率 7%～22%，每桶油生產(chǎn)成本 18～28美元，已成為其第 1大提高采收率技術(shù)。近年來(lái)，美國(guó)以提高采收率25%為目標(biāo)，積極研發(fā)新一代CO2驅(qū)油技術(shù)，例如納米顆粒穩(wěn)態(tài) CO2泡沫擴(kuò)大波及體積技術(shù)、增加 CO2驅(qū)油流度控制的硅酸鹽聚合物凝膠研究、CO2驅(qū)油與封存規(guī)劃軟件研究、CO2驅(qū)油中的流度控制與地質(zhì)力學(xué)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(kāi)展的CCS項(xiàng)目數(shù)和封存量上看，CO2捕集、驅(qū)油與封存（CCS-EOR）是主要方式和方向（見(jiàn)表1）。

中國(guó)在20世紀(jì)60年代就在大慶油田探索CO2驅(qū)油技術(shù)，先后開(kāi)展了國(guó)家“973”、“863”及國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)等科技攻關(guān)，建成了吉林、長(zhǎng)慶的 CO2驅(qū)油與封存示范區(qū)。截至2020年，中國(guó)共進(jìn)行過(guò)21次CCUS封存試驗(yàn)、總封存量約為130×104t CO2[7]。CCUS試驗(yàn)包括吉林、大慶、長(zhǎng)慶和新疆等實(shí)驗(yàn)區(qū)的項(xiàng)目，其中吉林油田現(xiàn)場(chǎng)CCUS已連續(xù)監(jiān)測(cè)14年，驗(yàn)證了油藏封存安全性（見(jiàn)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(zhǔn)噶爾盆地，通過(guò)CO2強(qiáng)化石油開(kāi)采技術(shù)（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(guò)CO2強(qiáng)化天然氣開(kāi)采技術(shù)（CO2-EGR）可以封存約90×108t CO2。

表1 全球?qū)嵤┑拇笮虲O2封存項(xiàng)目情況簡(jiǎn)表

4.4 陸地碳匯

陸地碳匯是指陸地從大氣圈中吸收并儲(chǔ)存碳的總量，陸地碳庫(kù)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(kù)，據(jù)估計(jì)整個(gè)巖石圈碳總儲(chǔ)量約為9×1016t CO2，其中有機(jī)碳儲(chǔ)量約為2×1016t CO2，其中化石燃料中碳儲(chǔ)量約為（5～10）×1012t CO2[62-63]，地球共有約10×1016t CO2[64]。生物圈碳儲(chǔ)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(chǔ)量為（1.4～1.5）×1012t CO2[66-69]。

總體來(lái)看，1850—2018年全球碳循環(huán)系統(tǒng)源-匯體系碳排放-吸收量基本平衡（見(jiàn)圖8），表明全球生態(tài)系統(tǒng)正扮演著積極的碳匯角色。1900—2005年，美國(guó)陸地累計(jì)碳匯為（35.1～213.1）×108t CO2，俄羅斯陸地累計(jì)碳匯為（57.8～129.3）×108t CO2，加拿大陸地累計(jì)碳匯為（35.3～125.8）×108t CO2?？傮w來(lái)看，美國(guó)、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(tài)系統(tǒng)處于凈吸收狀態(tài)。通過(guò)對(duì)近 20年來(lái)中國(guó)耕作土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分析[70]，估算得到中國(guó)耕作土壤的年平均碳匯為（0.41～0.71）×108t CO2。中國(guó)《國(guó)家溫室氣體清單》表明，1994—2014年溫室氣體排放量增長(zhǎng)非?？?，2014年的排放量是2004年的3.3倍。與此同時(shí)，土地利用、土地利用變化與林業(yè)（LULUCF）碳匯量增長(zhǎng)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(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)正起著碳匯作用。

圖8 全球碳循環(huán)系統(tǒng)源-匯體系碳排放-吸收量分布（據(jù)文獻(xiàn)[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(chǔ)存在海洋中。因此，利用海洋“碳匯”作用，發(fā)展海洋低碳技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。2018年，深圳大鵬新區(qū)率先開(kāi)展覆蓋轄區(qū)海域的海洋碳匯核算研究，編制中國(guó)首個(gè)《海洋碳匯核算指南》，預(yù)示中國(guó)將開(kāi)始大力發(fā)展海洋碳匯[7]。

4.5.1 固碳機(jī)理

海洋固碳機(jī)理主要有兩類(lèi)，即受 CO2分壓影響的物理固碳和海洋動(dòng)植物參與的生物固碳，又可進(jìn)一步劃分為海洋物理固碳、深海封儲(chǔ)固碳、海洋生物固碳。海洋物理固碳是通過(guò)海洋物理泵的作用，海水中的CO2-碳酸鹽體系向深海擴(kuò)散和傳遞，最終變成碳酸鈣，沉積于海底，形成鈣質(zhì)軟泥，從而起到固碳作用。深海封儲(chǔ)固碳是通過(guò)在深海形成 CO2穩(wěn)定水合物，在遭受最高烈度地震或其他地質(zhì)劇變也能保持穩(wěn)定，能夠保證幾千年“安全無(wú)逃逸”；預(yù)計(jì)封儲(chǔ)在深海海底的液態(tài)CO2可穩(wěn)定保存2 000年以上，因此成為未來(lái)最理想的儲(chǔ)藏方法。海洋生物固碳主要通過(guò)藻類(lèi)、珊瑚礁、貝類(lèi)進(jìn)行固碳，通過(guò)光合作用固定 CO2，將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳?？紤]到分布范圍、固碳效率及生態(tài)環(huán)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(tài)體系固碳

海洋貯碳量約是大氣的50倍，以千年為時(shí)間單位考慮，海洋對(duì)調(diào)節(jié)大氣中CO2含量發(fā)揮了決定性作用。碳主要貯存在深海生物軟泥、濕地等環(huán)境。其中，廣袤深海洋底發(fā)育的深海生物軟泥約有1.2×1016t CO2以有機(jī)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(shí)，沿海濕地大量存在的硫酸根阻礙了 CH4的產(chǎn)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(duì)大氣溫室效應(yīng)的抑制作用更加明顯。

海洋是除地質(zhì)碳庫(kù)外最大的碳庫(kù)，也是參與大氣碳循環(huán)最活躍的部分，海洋的固碳能力約為38.4×1012t CO2，年新增儲(chǔ)存能力為（5～6）×108t CO2。碳元素在海洋中主要以顆粒有機(jī)碳、溶解有機(jī)碳和溶解無(wú)機(jī)碳3種形態(tài)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(qū)”，而北大西洋、北太平洋是大氣CO2最重要的“碳匯區(qū)”，南大洋是另一個(gè)重要的 CO2匯聚區(qū)域。原因是表層海水溫度越低，其吸收 CO2的能力越強(qiáng)，在北大西洋、北太平洋和南大洋區(qū)域均存在寒冷的表層水沉降，且生物生產(chǎn)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(guó)渤海、黃海、東海和南海的面積約4.73×106km2，其海洋生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域碳循環(huán)在全球碳循環(huán)過(guò)程中占有重要地位，以年為尺度，渤海、黃海、東海、南海均表現(xiàn)為“碳匯”。海洋科技界比較公認(rèn)的研究結(jié)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(wú)可信的調(diào)查測(cè)算結(jié)果[71]。

5 碳金融

5.1 碳評(píng)價(jià)

作為碳工業(yè)體系的重要要素，碳市場(chǎng)和碳金融的發(fā)展成熟對(duì)推動(dòng)碳工業(yè)的快速發(fā)展意義重大。對(duì)碳足跡的追蹤核算及碳資產(chǎn)價(jià)值的評(píng)估已成為碳交易市場(chǎng)必要的內(nèi)在需求以及生態(tài)文明建設(shè)的客觀需要。碳足跡是溫室氣體排放的測(cè)度指標(biāo)，碳資產(chǎn)是在低碳經(jīng)濟(jì)下的1種新型重要資產(chǎn)。

5.1.1 碳足跡

碳足跡指在人類(lèi)生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)中所排放的溫室氣體折合成的碳當(dāng)量的總量，它是從產(chǎn)品全生命周期的角度出發(fā)，分析產(chǎn)品生命周期或與活動(dòng)直接和間接相關(guān)的碳排放，通過(guò)測(cè)量生命周期碳消耗產(chǎn)生的 CO2當(dāng)量來(lái)評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響[72]。碳足跡的核算主要通過(guò)在人口、系統(tǒng)或活動(dòng)的空間和時(shí)間邊界內(nèi)的所有相關(guān)源、匯和儲(chǔ)存，衡量特定人口、系統(tǒng)或活動(dòng)的CO2和CH4排放總量，并利用100年全球變暖潛力值計(jì)算CO2當(dāng)量[73]。

關(guān)于碳足跡的核算與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，是近15年碳評(píng)價(jià)領(lǐng)域最熱門(mén)的話題。PAS 2050規(guī)范和ISO 14067是目前廣泛采用的兩項(xiàng)碳足跡核算與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[74-75]。PAS 2050[74]規(guī)范由英國(guó)政府與英國(guó)碳信托基金、英國(guó)環(huán)境、食品和鄉(xiāng)村事務(wù)部合作完成的，于2008年正式發(fā)布，并在2011年進(jìn)行了修訂。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 14067[75]由來(lái)自30多個(gè)國(guó)家的107個(gè)專(zhuān)家共同制定，于2013年5月正式發(fā)布。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布為企業(yè)評(píng)估產(chǎn)品碳排放提供了統(tǒng)一的規(guī)范，是有效推動(dòng)綠色商品或服務(wù)評(píng)價(jià)的工具。

5.1.2 碳資產(chǎn)

碳資產(chǎn)是在低碳經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域內(nèi)，1種具有價(jià)值屬性的對(duì)象身上體現(xiàn)或潛藏的、可能適用于儲(chǔ)存、流通或財(cái)富轉(zhuǎn)化的有形資產(chǎn)和無(wú)形資產(chǎn)[76]。價(jià)值評(píng)估理論的基礎(chǔ)是資本預(yù)算理論，為研究?jī)r(jià)值和資本理論而提出。碳資產(chǎn)價(jià)值評(píng)估可采用一般經(jīng)濟(jì)學(xué)基礎(chǔ)，主要評(píng)估方法包括市場(chǎng)法、收益法、成本法及實(shí)物期權(quán)法[77-78]。

5.2 碳交易

碳交易是為促進(jìn)全球碳減排，采用市場(chǎng)機(jī)制建立溫室氣體排放權(quán)（減排量）交易，即一方憑購(gòu)買(mǎi)合同向另一方支付來(lái)獲得既定量的溫室氣體排放權(quán)的交易。碳交易市場(chǎng)監(jiān)管，是指通過(guò)法律、經(jīng)濟(jì)和行政手段，對(duì)碳排放權(quán)初始分配、權(quán)利行使、權(quán)利交易等問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)督管理[7]。中國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)于2021年7月16日正式啟動(dòng)，標(biāo)志著中國(guó)國(guó)家性質(zhì)的碳排放交易已拉開(kāi)帷幕。中國(guó)利用市場(chǎng)機(jī)制來(lái)對(duì)溫室氣體排放進(jìn)行調(diào)控并積極推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，有效助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

碳交易市場(chǎng)主體包括控排企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)、個(gè)人投資者、交易機(jī)構(gòu)、注冊(cè)登記機(jī)構(gòu)、第3方機(jī)構(gòu)、技術(shù)支持機(jī)構(gòu)和政府等。碳市場(chǎng)交易產(chǎn)品包括碳排放權(quán)（碳排放配額）和減排信用等。碳排放權(quán)是由政府基于碳排放總量目標(biāo)發(fā)放，代表著對(duì)碳排放空間的使用權(quán)；減排信用是指將企業(yè)/居民的自發(fā)減排行為，按照標(biāo)準(zhǔn)方法學(xué)計(jì)算減排量，并被主管部門(mén)認(rèn)定[7]。碳交易整體工作流程分為企業(yè)注冊(cè)、配額發(fā)放、配額交易、排放量核查、企業(yè)履約以及注銷(xiāo)6大步驟。圖9展示了全球碳交易市場(chǎng)發(fā)展標(biāo)志性事件。截至2021年，國(guó)際碳行動(dòng)伙伴組織（ICAP）的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，全球已有38個(gè)國(guó)家級(jí)司法管轄區(qū)和24個(gè)州、城市或地區(qū)正開(kāi)展碳交易市場(chǎng)[7]。司法管轄區(qū)占全球GDP的54%；正在運(yùn)行的24個(gè)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(chǎng)發(fā)展標(biāo)志性事件

6 挑戰(zhàn)與展望

6.1 主要挑戰(zhàn)

6.1.1 中國(guó)CO2排放量偏大，碳工業(yè)建設(shè)難度大

與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)濟(jì)體比，中國(guó)國(guó)情與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)具有特殊性，在建立碳工業(yè)體系、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)方面付出的努力將遠(yuǎn)超歐美經(jīng)濟(jì)體。歐美部分國(guó)家已實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與碳排放的絕對(duì)脫鉤，總體上碳排放進(jìn)入穩(wěn)定下降通道。而中國(guó)GDP總量雖躍居全球第2位，但人均GDP剛突破1.26×104美元，發(fā)展不平衡、不充分的問(wèn)題仍然比較突出，發(fā)展的能源需求不斷增加，碳排放尚未達(dá)峰，排放總量偏大。2021年中國(guó)CO2排放量105×108t，位居全球第1，約占全球總量的31%，實(shí)現(xiàn)碳中和、建設(shè)碳工業(yè)所需的碳減排量遠(yuǎn)高于其他經(jīng)濟(jì)體，難度極大。

6.1.2 中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中碳占比偏高，碳工業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)難度大

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

中國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，2021年煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量比重為54.7%，非化石能源占17.3%，發(fā)電廠發(fā)電量中火電占比 72%，與全球能源結(jié)構(gòu)以“油氣為主”的能源結(jié)構(gòu)具有本質(zhì)差異。按照2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，中國(guó)碳減排時(shí)間偏短，難度更大。英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家早在1990年開(kāi)啟國(guó)際氣候談判之前就實(shí)現(xiàn)了碳達(dá)峰，美國(guó)、加拿大、西班牙、意大利等國(guó)在2007年左右實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，這些國(guó)家從碳達(dá)峰到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的窗口期短則40余年，長(zhǎng)則60～70年，甚至更長(zhǎng)。而中國(guó)從 2030年前碳排放達(dá)峰到2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間跨度僅有30年，減排任務(wù)艱巨，能源系統(tǒng)要快速消除占比84%的化石能源影響，實(shí)現(xiàn)零碳排放，面臨的挑戰(zhàn)極為艱巨。

6.1.3 引領(lǐng)支撐碳工業(yè)建立的創(chuàng)新體系偏弱，尚未建立完整工業(yè)格局

與石油天然氣工業(yè)類(lèi)似，碳工業(yè)是完整的工業(yè)體系，不僅涉及到地球系統(tǒng)內(nèi)碳全生命周期循環(huán)，涵蓋了碳生成、碳捕集、碳利用、碳封存的理論技術(shù)研發(fā)，而且包括了碳金融、碳交易與碳市場(chǎng)。作為獨(dú)立的工業(yè)體系，具有獨(dú)立的效益和規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)是碳工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在目前狀況下，受全球氣候變化影響，全球碳工業(yè)理論技術(shù)研發(fā)進(jìn)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(jī)構(gòu)扶持，多數(shù)項(xiàng)目才能生存。例如，加拿大威利斯頓盆地Weyburn-Midale CO2監(jiān)控與封存項(xiàng)目得到了國(guó)際能源署的支持。單純的CCS項(xiàng)目受政策變化、經(jīng)濟(jì)效益、長(zhǎng)期封存安全性和可靠性不確定等問(wèn)題的影響難以為繼，部分規(guī)劃項(xiàng)目已被迫終止。高額的投資及成本是阻礙CCS產(chǎn)業(yè)大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的瓶頸。目前，碳工業(yè)體系在項(xiàng)目規(guī)模、技術(shù)研發(fā)、政策激勵(lì)仍面臨重大挑戰(zhàn)，碳金融市場(chǎng)仍需進(jìn)一步發(fā)展完善。

6.2 應(yīng)對(duì)舉措

6.2.1 堅(jiān)定不移開(kāi)展碳工業(yè)體系建設(shè)，保障 2060年前如期實(shí)現(xiàn)碳中和

碳工業(yè)的建立與發(fā)展實(shí)現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，是保護(hù)地球生態(tài)系統(tǒng)、維護(hù)人類(lèi)綠色健康發(fā)展的重要保障，是中華民族偉大復(fù)興與構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的必由之路。開(kāi)展碳工業(yè)體系建設(shè)，必須綜合考慮地球系統(tǒng)內(nèi)碳的產(chǎn)生、演化和消亡體系，重點(diǎn)開(kāi)展碳捕集、碳利用、碳封存及碳交易體系建設(shè)，尤以碳交易市場(chǎng)建設(shè)為重。下步工作應(yīng)加強(qiáng) 3方面研究：①建立科學(xué)合理的全球碳排放權(quán)分配、交易、監(jiān)管與標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家碳排放權(quán)的合理分配；②建立全球碳數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家級(jí)、大洋級(jí)、大洲級(jí)碳數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取與更新，為全球碳工業(yè)體系提供科學(xué)依據(jù)；③加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，建立碳工業(yè)體系國(guó)家發(fā)展路線，明確碳工業(yè)與能源、建筑、金融等工業(yè)關(guān)系。

6.2.2 大力發(fā)展新能源，推動(dòng)中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)革命性轉(zhuǎn)換

建立與發(fā)展碳工業(yè)體系，需從根本上改變中國(guó)能源生產(chǎn)與消費(fèi)格局。2021年中國(guó)能源消費(fèi)格局呈現(xiàn)以化石能源為主“一大三小”的特征，煤炭在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(jiàn)圖2）；預(yù)計(jì)到2060年，中國(guó)能源消費(fèi)格局將轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕履転橹鞯摹叭∫淮蟆?，即煤炭、石油和天然氣在一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比分別為5.0%、5.6%和9.4%，新能源占比達(dá)80%（見(jiàn)圖2），占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，必須加大新能源扶持力度，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、加大投資及不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局的，助力新能源時(shí)代提速加快到來(lái)。

6.2.3 加快建立全產(chǎn)業(yè)的碳工業(yè)科技創(chuàng)新體系

科技創(chuàng)新是贏得未來(lái)的關(guān)鍵，可為構(gòu)建新發(fā)展格局、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展提供有利支撐。為加快碳工業(yè)的發(fā)展，科技創(chuàng)新體系應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng) 3方面工作：一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制定國(guó)家級(jí)發(fā)展規(guī)劃，合理優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局。緊密?chē)@力爭(zhēng)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略，從中國(guó)實(shí)際國(guó)情出發(fā)，在國(guó)家層面開(kāi)展碳工業(yè)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略設(shè)計(jì)，合理布局與碳相關(guān)的產(chǎn)業(yè)體系，建立從碳的產(chǎn)生、捕集、運(yùn)輸、利用、封存與交易的全產(chǎn)業(yè)鏈。二是加大科技投入，制定適用性扶持政策，推動(dòng)理論技術(shù)創(chuàng)新。系統(tǒng)梳理制約碳工業(yè)體系健康發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與瓶頸生產(chǎn)難題，設(shè)立國(guó)家級(jí)、省部級(jí)、公司級(jí)重大科技項(xiàng)目，集中優(yōu)勢(shì)力量重點(diǎn)攻關(guān)；建立碳工業(yè)理論技術(shù)體系，助力產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。三是加強(qiáng)“碳中和學(xué)”學(xué)科建設(shè)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系，培養(yǎng)碳工業(yè)專(zhuān)業(yè)人才。建設(shè)碳工業(yè)學(xué)，發(fā)展完善學(xué)科理論體系；圍繞碳工業(yè)的核心環(huán)節(jié)，積極研究并制訂國(guó)際與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)中國(guó)成為碳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的制訂者、推動(dòng)者與引領(lǐng)者；在科研院所與高等院校開(kāi)設(shè)碳工業(yè)學(xué)相關(guān)課程，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)化人才，保障碳工業(yè)體系的人才基礎(chǔ)。

6.3 未來(lái)展望

碳工業(yè)體系是全球公認(rèn)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，是人類(lèi)社會(huì)高度發(fā)展的產(chǎn)物，不僅涉及到傳統(tǒng)能源行業(yè)、建筑行業(yè)與金融行業(yè)，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)與地球綠色發(fā)展具有重要影響。與其他環(huán)境保護(hù)行動(dòng)一樣，以碳中和為核心的碳工業(yè)體系是人類(lèi)保護(hù)共同家園的現(xiàn)實(shí)行動(dòng)。碳工業(yè)是全人類(lèi)的一場(chǎng)去碳化的能源革命、生態(tài)化的科技革命、綠色化的工業(yè)革命，將為人類(lèi)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)帶來(lái)新的變革。

①?gòu)哪茉锤锩?，碳工業(yè)將加速世界能源體系低碳化、無(wú)碳化轉(zhuǎn)型，世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。以中國(guó)為例，2021年以煤炭、石油和天然氣為主體的碳基能源消費(fèi)比例 80%，以新能源為主體的零碳能源消費(fèi)比例約15.9%；預(yù)計(jì)到2060年，零碳能源與碳基能源發(fā)生革命性轉(zhuǎn)換，零碳能源消費(fèi)比例提升至 80%。在此基礎(chǔ)上，中國(guó)碳排放由當(dāng)前的 105×108t左右降低至20×108t左右，實(shí)現(xiàn)碳減排總量85×108t、碳減排比例80%的雙降。因此，在碳工業(yè)體系下，新能源已由新資源上升為新戰(zhàn)略與新使命，為推動(dòng)能源強(qiáng)國(guó)建設(shè)、實(shí)現(xiàn)全球碳中和發(fā)揮重要作用。

②從生態(tài)化科技革命看，科技革命是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力，是工業(yè)革命和能源革命的推動(dòng)力，科學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。世界正處于第4次工業(yè)革命和第6次科技革命時(shí)期，這是1次以原子能技術(shù)、智能化技術(shù)、空間技術(shù)和生物工程技術(shù)為主要標(biāo)志，涉及新能源、新材料、信息、空間、海洋和生物等諸多技術(shù)領(lǐng)域的信息控制科技革命。碳中和的目標(biāo)與新一輪科技革命的融合，將指引科技革命向著生態(tài)化方向發(fā)展。新的科技革命和工業(yè)革命將推動(dòng)第 3次世界能源轉(zhuǎn)型，尤其碳中和目標(biāo)下，新一輪科技革命的低碳化和生態(tài)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(shù)將成為主導(dǎo)力量，綠色、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展將是新科技革命的重要主題。

③從綠色化工業(yè)革命看，以大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的先進(jìn)信息技術(shù)掀起了第 4次工業(yè)革命浪潮。碳工業(yè)革命將改變傳統(tǒng)高碳、粗放的發(fā)展模式，加快構(gòu)建低碳、環(huán)保、高效的綠色發(fā)展模式。碳工業(yè)引發(fā)的科技革命將使社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大變革，保障碳中和目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。在人類(lèi)工業(yè)化過(guò)程中，將催生以 CCUS為核心的碳工業(yè)，以綠氫為核心的氫工業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)。

發(fā)展碳工業(yè)體系、建設(shè)碳中和社會(huì)是人類(lèi)拯救地球、拯救人類(lèi)文明的壯舉，需要每個(gè)人、每個(gè)企業(yè)、每個(gè)國(guó)家認(rèn)同并發(fā)展碳中和社會(huì)思想，建立碳中和社會(huì)秩序，彌補(bǔ)以往對(duì)地球造成的破壞。碳工業(yè)是保證地球家園擁有清新的空氣、宜人的溫度、旺盛的生機(jī)、清潔的空間的基本條件，當(dāng)整個(gè)人類(lèi)社會(huì)都被納入碳中和的體系，人類(lèi)將重新獲得并長(zhǎng)久擁有一個(gè)綠色宜居地球。

7 結(jié)語(yǔ)

地球系統(tǒng)中的 CO2分為黑碳、灰碳和藍(lán)碳，3種“碳”在地球系統(tǒng)內(nèi)部相互轉(zhuǎn)化，減小黑碳比例、提高灰碳特別是藍(lán)碳比例是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的關(guān)鍵。

提出了碳工業(yè)體系概念，碳工業(yè)是人類(lèi)綠色發(fā)展的必然趨勢(shì)和選擇。構(gòu)建以CCUS/CCS為基礎(chǔ)的低成本、高能效的碳工業(yè)體系，是世界各國(guó)重大新興產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)能源清潔利用和碳中和目標(biāo)的戰(zhàn)略性措施。明確了4個(gè)方面的碳工業(yè)體系內(nèi)涵。

碳工業(yè)體系的建立，助力中國(guó)化石能源與非化石能源供應(yīng)格局的革命性演變，從2021年到2060年實(shí)現(xiàn)4個(gè)“80%”的轉(zhuǎn)變。碳工業(yè)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(zhàn)略意義。

碳工業(yè)體系發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)，針對(duì)性提出建設(shè)碳工業(yè)體系、大力發(fā)展新能源和加快建立全產(chǎn)業(yè)的CO2工業(yè)科技創(chuàng)新體系3項(xiàng)應(yīng)對(duì)舉措。全球碳中和背景下，發(fā)展碳工業(yè)體系，中國(guó)力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，對(duì)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體意義重大。碳工業(yè)的發(fā)展將大幅提升人類(lèi)幸福感，為建設(shè)人類(lèi)生態(tài)文明與宜居地球做出重要貢獻(xiàn)。