2025年碳捕集技术发展前沿与趋势预测报告

碳捕集技术发展前沿与趋势预测 2 0 25年1月1 2日 北京理工大学能源与环境政策研究中心http://ceep.bit.edu.cn 能源经济预测与展望研究报告发布会 主办单位：北京理工大学能源与环境政策研究中心碳中和系统工程北京实验室碳中和系统与工程管理国际合作联合实验室（教育部）能源经济与环境管理北京市重点实验室国家自然科学基金“能源与气候变化”基础科学中心中国煤炭学会碳减排工程管理专业委员会协办单位：北京理工大学管理学院北京经济社会可持续发展研究基地中国“双法”研究会能源经济与管理研究分会中国能源研究会能源经济专业委员会《能源与气候变化》编辑部《煤炭经济研究》编辑部 特别声明 本报告是由北京理工大学能源与环境政策研究中心研究团队完成的系列研究报告之一。如果需要转载，须事先征得中心同意并注明“转载自北京理工大学能源与环境政策研究中心系列研究报告”字样。 碳捕集技术发展前沿与趋势预测 执笔人：魏一鸣、康佳宁、刘兰翠、刘贺磊、舒雅琳、邓一敏、刘力、赵阳、刘胤彤作者单位：北京理工大学能源与环境政策研究中心联系人：康佳宁研究资助：国家自然科学基金项目（72488101，72474023，72104025） 北京理工大学能源与环境政策研究中心北京市海淀区中关村南大街5号邮编：100081电话：010-68918551传真：010-68918651E-mail: kangjianing@bit.edu.cn网址：http://ceep.bit.edu.cn Center for Energy and Environmental Policy ResearchBeijing Institute of Technology5 Zhongguancun South Street, Haidian District, Beijing 100081,ChinaTel: 86-10-68918551Fax: 86-10-68918651E-mail: kangjianing@bit.edu.cnWebsite:http://ceep.bit.edu.cn 碳捕集技术发展前沿与趋势预测 2024年，《联合国气候变化框架公约》第二十九次缔约方大会（COP29）正式通过了《巴黎协定》关于碳移除减排量的授权机制，国际社会在支持碳捕集利用与封存（CCUS）技术发展方面达成了广泛共识，进一步明确了CCUS技术在推动化石燃料系统减排及达成全球净零排放目标方面具有不可或缺的作用。对我国而言，CCUS技术也是实现碳中和目标的重要技术组成。CCUS技术涵盖了二氧化碳捕集、运输、利用以及封存等多个环节，其中，碳捕集作为核心技术环节，具有碳源多样、技术密度高、资金需求大、工艺复杂等显著特点，是决定CCUS项目投资和部署的关键因素。基于此，本报告立足我国碳中和目标下碳捕集技术的发展现状，结合国际发展趋势，着重研究了该技术的发展需求、前沿趋势及关键挑战，并提出相应的发展建议。 一、全球碳捕集技术发展前沿趋势 在碳中和目标与经济高质量发展的双重推动下，我国对CCUS技术的需求极为迫切（实现碳中和需要CCUS提供5-15亿吨CO2/年的减排量）。作为当前实现化石能源低碳化利用的唯一途径，CCUS技术不仅是保持碳中和目标下电力系统灵活性的关键手段，也是钢铁、水泥等难减排行业在尚未出现颠覆性减排技术时的可行选项。然而，当前碳捕集技术高昂的成本对上述行业的低碳转型带来了较大压力。同时因排放源各异，各行业适配的碳捕集技术在工艺、设备、材料及成 本等方面具有较大差异，制约着CCUS的进一步推广[1]。在此背景下，超前研究并部署高效、低能耗的碳捕集材料，推进核心工艺变革升级，进一步提高各类碳排放源浓度下捕集技术的成熟度，形成碳捕集技术新体系，是推动CCUS技术广泛应用的关键。 全球碳捕集技术正朝着稳定高效、低能耗和低成本趋势发展，亟需立足全球视野和我国国情，识别全球碳捕集技术前沿进展及我国的差距，促进关键核心技术攻关和成果产业化，推动我国在全球碳捕集技术竞争中抢占战略优势地位。 国际碳捕集技术在成本、能耗和适用性方面不断优化，代际演进特征凸显。第一代技术以化学吸收法中的基础胺溶剂为主，尽管技术相对成熟并实现了工业化应用，但是高能耗与高成本限制了其大规模部署。第二代技术通过复配胺溶剂的优化显著提升了能效。美国成功将捕集能耗降低至2.6 GJ/吨CO2，捕集成本降至70美元/吨；而英国进一步优化工艺后，实现了2.4GJ/吨CO2的能耗水平，捕集成本降低至60美元/吨。第二代技术的发展标志着碳捕集技术在能耗和经济性方面取得了显著进展。而第三代技术，则凭借新型材料与工艺的突破，成为了当前碳捕集技术研发的前沿方向。以欧洲开发的相变溶剂技术为例，该技术通过材料创新将能耗进一步降低至2.2 GJ/吨CO2，捕集成本压缩至39美元/吨。第三代技术不仅在技术的经济性和适用性上实现了显著提升，还为钢铁、水泥等高碳排放行业带来了更具竞争力的减排方案。碳捕集技术的代际发展，遵循着由工艺改进向技术革新的演进路径，为未来更大规模、更广范围的技术应用创造了可能。 新型捕集技术发展迅速。传统的CO2捕集技术主要分为燃烧后捕集、燃烧前捕集、富氧燃烧。其中，燃烧后捕集技术应用最为广泛，涵盖化学吸收、物理吸附、膜分离和低温精馏等多种方法。化学吸收法以单胺和复配胺溶剂为代表，是目前最为成熟的技术，已广泛应用于燃煤电厂和工业烟气捕集项目（见附表1）；物理吸附法适用于高压气体分离场景，尤其是天然气处理领域；膜分离技术和低温精馏法在特定条件下表现出高效的分离能力，特别适用于高浓度气源的处理。与此同时，新型捕集技术正迅速发展，包括但不限于电化学捕集、固态吸附、催化解吸、界面捕集以及利用微生物或藻类进行CO2固定等方法。而DAC技术主要依赖于吸附法或吸收法，通过高效的材料和化学反应，从大气中直接捕集CO2并将其存储或转化为有用资源，目前，美国、挪威、冰岛、肯尼亚和阿联酋等国家已经开始进行大规模的部署和示范。尽管多种捕集技术各具优势，但它们仍面临高能耗和高成本等技术经济挑战，需要通过持续的研发和优化以实现大规模应用。 全球范围内碳捕集技术研发受到广泛重视，专利申请数量庞大，增长迅速。如图1所示，自2005年开始碳捕集技术专利数量呈快速增长趋势，年均增速达18.7%。截至目前，世界范围内与碳捕集技术直接关联的专利有40383项，其中近10年公开的专利数量达32685项。中国、美国和世界知识产权组织的CCUS专利数量位居世界前三，专利总数分别为31210项、4203项、3755项，三者专利总量约占全球总量的71.1%。我国碳捕集专利申请后发先至，自2013年起超越美国，现今申请总量稳居全球首位。 国内外二氧化碳捕集项目发展各具特色。我国已投运项目多数采用化学吸收法。美国的碳捕集项目采用技术更为多元化，重点集中在天然气处理（6个）、生物能源（5个）和直接空气捕集（2个）等多个新型碳捕集技术领域。欧盟则着力推动CO2捕集产业的规模化和商业化，尤其在天然气处理和直接空气捕集领域。相较于美欧，我国在直接空气捕集等新兴技术研发上起步较晚，整体水平尚待提升。 4美欧等国正通过明确的战略规划与激励政策，积极推动碳捕集技术的创新与规模化应用。在战略层面，2024年2月，美国首次将碳捕集等碳管理技术纳入关键和新兴技术清单，显示出其在国家战略层面的重视。此外，美国能源部提出，到2030年计划将碳捕集成本降低90%，同时依托5000多英里的CO2管道和墨西哥湾储存潜力拓展下游市场；欧盟方面亦提出到2030年至少建设10个大规模碳捕集与存储项目，并期望在2040年实现捕集CO2的三分之一得到有效利用。在资金激励方 面，美国45Q税收抵免政策可对DAC项目提供最高180美元/每吨CO2的补贴，对其他碳捕集项目补贴最高85美元/吨；加拿大通过C-59法案对DAC项目提供最高60%税收抵免，对其他碳捕集项目补贴50%，并通过加速折旧政策降低资本支出成本。在集群化建设方面，美国《基础设施投资和就业法案》（IIJA）支持多个区域性碳捕集示范项目，为每个项目提供约6亿美元财政支持，并推动29个以DAC为中心的概念项目；欧洲通过创新基金和《净零工业法案》推动区域性碳捕集集群建设，聚焦钢铁、化工、水泥等行业。其中，英国的“北方碳捕集集群”和“赫尔省碳捕集集群”、荷兰和比利时共建的跨国界“北海碳捕集集群”都是通过构建区域性合作平台和共享基础设施，来促进碳捕集技术创新和成本降低的典范。 二、我国碳捕集技术发展现状与面临的挑战 我国已发展形成适配多种浓度不同规模排放源的碳捕集技术。截至2024年11底，我国已投运和规划建设中的CCUS示范项目超120项，CO2捕集能力达600万吨CO2/年。低成本、低能耗的新一代碳捕集技术呈现快速发展态势，正由中试逐步向工业示范过渡。同时，碳捕集项目应用场景明显增多，涉及煤炭、石油、天然气、新能源等能源生产领域，以及电力、化工、钢铁、水泥、建筑、交通等多个应用场景[2]，已呈现规模化发展趋势。 我国碳捕集技术成本整体处于全球中等偏低水平，具有一定的发展优势。从已投运项目的捕集成本来看，我国煤化工和石油化工领域 的一体化驱油示范项目捕集成本相对较低，为105～250元/吨CO2。电力、水泥仍是国内捕集成本较高的行业，捕集成本分别为200～600元/吨CO2和305～730元/吨CO2，但整体均低于国外约350～977元/吨CO2和686～1280元/吨CO2的捕集成本[3]。 我国碳捕集技术与国际水平呈现“并跑”与“跟跑”并存的状态。具体而言，我国的化学吸收法已在能耗和成本控制方面取得了显著突破，与国际水平齐平。以国能泰州电厂项目为例，该项目采用第二代复配溶剂技术，实现能耗下降至2.2~2.4 GJ/吨CO2，捕集成本低于250元/吨CO2，相关指标达到全球领先水平。化学吸附技术也实现了关键进展，国能锦界千吨级项目通过固体胺吸附材料的应用，将能耗控制在2.2-2.4 GJ/吨CO2，展现了良好的技术经济性。然而，我国在第三代技术领域仍面临挑战。目前，第三代技术多处于工业化探索阶段。以相变溶剂技术为例，其在部分示范项目中实现了较低能耗（目标2.2GJ/吨CO2），但距离商业化规模应用仍需技术和工艺的进一步突破。此外，直接空气捕集、低温精馏和膜分离技术在国内的应用大多停留在中试阶段，与国际成熟项目相比尚有差距。要在前沿领域实现超越，我国亟需加大技术创新力度，深化关键技术研发，同时推动新技术的规模化验证和推广，以进一步提升国际竞争力。 尽管我国在碳捕集技术领域取得了显著进展，但仍面临以下挑战： 第一，相对发达国家高度重视碳捕集专利的全球布局，我国在专利申请全球化方面的考虑尚显不足。如图2所示，我国机构几乎仅限于在本国申请专利，在国外专利布局较少，这或将对我国未来CO2捕 集专利的海外技术转移构成严重制约。而发达国家则在全球积极申请CO2捕集专利，以占领全球CCUS技术市场，构建围绕核心技术群的全球保护战略。美日专利在全球申请的保护国家数为我国专利的2.5倍以上。特别是，美国和日本均把我国视为核心专利布局的重点目标国，这或将给我国碳捕集技术创新带来一定的技术壁垒挑战。 第二，CCUS项目总体进展仍然缓慢，规模效应不显著，碳捕集技术仍处于成本曲线的高点。碳捕集技术的部署仍面临高昂的初期资本投入挑战，已成为发展工业点源捕集和直接空气捕集最具挑战的技术难题。高成本主要来源于设备购置、运营维护及能源消耗，加之部分技术的成熟度不足，尤其对于低浓度排放源（热电厂、水泥行业），碳捕集的总成本大大高于其他行业。此外，碳捕集技术的成本发展趋势还存在很大的不确定性，关键影响因素包含技术进步速度、项目投融资成本、市场和基础设施完善程度、政策环境等。反过来，高成本与高不确定性又将进一步影响碳源企业部署碳捕集技术的积极性，从而制约CCUS的大规模发展。 第三，碳排放源复杂性导致碳捕集技术面临适配性挑战。中国