技術創(chuàng)新碳減排 助力雙碳促發(fā)展——記中國科學院武漢巖土力學研究所魏寧研究員

減少碳排放來應對氣候變化已經(jīng)變成全球共識。截至目前，全球已有130多個國家做出碳中和承諾，并配套以針對性的政策與行動將承諾落地，最終轉(zhuǎn)化為碳減排的成效。

 

“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略是破解氣候危機、資源環(huán)境約束、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略，也是我國主動擔當大國責任、推動構(gòu)建人類命運共同體的迫切需要。

 

我國是能源大國，煤炭與油氣在能源與工業(yè)中的占比畸高;同時我國石油對外依賴度依然超過70%。如何在保障國家能源安全前提下，實現(xiàn)國內(nèi)煤炭與油氣基產(chǎn)業(yè)的綠色低碳轉(zhuǎn)型和雙碳目標實現(xiàn)，是當前我國亟需解決的問題。

 

為從規(guī)劃、設計源頭做好新項目碳排管控，中國科學院武漢巖土力學研究所魏寧研究員所在的研究團隊，針對陸地與海域的地質(zhì)特點，從數(shù)據(jù)-指標-經(jīng)濟-方案多維度率先構(gòu)建起陸海領域碳排放源頭管控技術體系，為落實碳排放“雙控”做出重要貢獻，引領了行業(yè)在該領域的發(fā)展。

 

扎根領域 科研不輟

 

2006年，魏寧于武漢大學巖土工程專業(yè)博士畢業(yè)后，進入中國科學院武漢巖土力學研究所，加入了溫室氣體減排的研究隊伍。此后，他主要從事二氧化碳在巖土介質(zhì)中滲流規(guī)律、新型CGUS(二氧化碳地質(zhì)利用與封存)科學技術與宏觀戰(zhàn)略層面的研究。

 

什么是CGUS?就是指二氧化碳的捕集、利用與封存(Carbon Capture, Utilization and Storage)是指將二氧化碳從能源與工業(yè)生產(chǎn)等排放源或空氣中捕集分離，并輸送到適宜的場地開展利用或封存，最終實現(xiàn)二氧化碳減排的過程。據(jù)魏寧介紹，CCUS技術具有規(guī)?；?、技術成熟度較高與傳統(tǒng)化石能源結(jié)構(gòu)相融等特點，甚至可將二氧化碳資源化，能產(chǎn)生資源和環(huán)境協(xié)同效益，同時能夠降低綜合碳減排成本和減緩能源結(jié)構(gòu)巨變帶來的沖擊，為碳中和目標托底，因此成為世界各國科學家與能源企業(yè)深入研究的對象和前沿技術。

 

魏寧在CCUS技術上深入探索研究近20年，積累了深厚的理論知識與豐富的實踐經(jīng)驗，作為主要技術支撐專家之一，支撐與協(xié)助了國內(nèi)外多個全流程CCS項目，包括：中國首個10萬噸/年規(guī)模的國家能源集團鄂爾多斯全流程CCS項目及后續(xù)擴大、華能150萬噸全流程CCUS項目、國家能源集團榆林百萬噸/年二氧化碳地質(zhì)封存工程的設計與運行、中海油千萬噸CCUS集群等項目。這些項目通過整合不同領域的專家、打通了不同碳排放源中開展二氧化碳捕集、運輸與地質(zhì)封存的全鏈條技術體系與協(xié)同優(yōu)化體系。在其中形成了一系列關鍵技術突破，如：陸相低滲地層內(nèi)安全高效注入技術、場地篩選技術、場地綜合評價、項目與集群規(guī)劃、二氧化碳封存過程與資源增采協(xié)同技術、深地安全監(jiān)測與預警技術等，為規(guī)模化減排技術貢獻自己的力量。

 

針對我國陸海地質(zhì)條件復雜、傳統(tǒng)技術難以統(tǒng)籌規(guī)劃的難題，在國際上首次構(gòu)建起“數(shù)據(jù)-技術-經(jīng)濟-策略”四維一體CCUS決策系統(tǒng);1)公里級數(shù)字孿生平臺：集成地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)與沉積盆地數(shù)據(jù)，形成1 km×1 km精度陸海封存數(shù)字底板，分辨率較國際主流模型提升10倍;2)分級場地容量-場地適宜性-經(jīng)濟性-空間匹配多維評估方法體系：并首次對中國陸地與海域咸水層與油田的碳封存資源量與場地適宜性，煤電、鋼鐵、水泥與化工等煤基工業(yè)與能源行業(yè)，大型央企(電力與油氣企業(yè))和近二十個CCS工程開展了系統(tǒng)評估;3)CCUS系統(tǒng)評估與源匯匹配算法群：開發(fā)管網(wǎng)自動尋優(yōu)模型，基于多要素成本曲面自動形成CCUS集群拓撲及技術經(jīng)濟特征，大幅度提升二氧化碳管網(wǎng)與CCUS 集群的求解效率與空間分辨率。

 

創(chuàng)新突破 建樹頗豐

 

近年來，隨著我國海洋油氣產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，我國海洋領域綠色低碳開發(fā)進程也開始起步了，魏寧與研究團隊聚焦于油氣增產(chǎn)和降碳減排，在“碳排放源頭管控技術體系創(chuàng)建與應用”中取得了工程-數(shù)據(jù)-技術-經(jīng)濟-策略等多維的成果創(chuàng)新。

 

首先，團隊針對現(xiàn)有國家/行業(yè)溫室氣體統(tǒng)計分析方法以通用性為主，缺乏領域特點的針對性的問題，開展了碳排放統(tǒng)計分析方法的研究，與中海油北京研究總院團隊在國內(nèi)首次建立了規(guī)范海洋油氣生產(chǎn)溫室氣體數(shù)據(jù)排放統(tǒng)計分析方法，健全海上油氣田生產(chǎn)碳排放數(shù)據(jù)體系，提升統(tǒng)計工作效率及準確性。針對油氣行業(yè)碳排放受儲量、地質(zhì)特征、海域環(huán)境條件等多種因素影響，碳排放指標難界定的問題，開展油氣開發(fā)項目碳排放約束性指標分析模型的研究和適用于行業(yè)/企業(yè)特點的內(nèi)部碳經(jīng)濟評價方法技術研究，創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和多因素關聯(lián)的碳價格預測模型，首次建立了企業(yè)內(nèi)部碳價格參數(shù)體系。

 

團隊針對我國海上CCUS項目實施較少，對于海洋地質(zhì)封存潛力與實施策略認識不足，對于陸海統(tǒng)籌的全流程方案的系統(tǒng)性研究缺乏的現(xiàn)狀，從陸海統(tǒng)籌規(guī)劃降碳的角度開展CCUS源匯匹配評價技術的研發(fā)，構(gòu)建海域二氧化碳地質(zhì)封存場地適宜性、分級封存容量、技術經(jīng)濟、源匯匹配、集群規(guī)劃、政策影響等算法與技術，建立全海域的盆地-區(qū)帶-場地多尺度的海上二氧化碳封存地質(zhì)條件與潛力評價方法，同時構(gòu)建中國海域碳地質(zhì)封存數(shù)據(jù)庫，并完成了中國及毗鄰區(qū)域主要海域盆地封存潛力的評價分析。最終形成了基于預可研尺度的技術經(jīng)濟分析與陸海一體化CCUS 全鏈條技術經(jīng)濟與集群研究系統(tǒng)，建立全流程技術經(jīng)濟性與CCUS集群分析與規(guī)劃方法。建立沿海碳源數(shù)據(jù)庫及中國近海CCUS場地數(shù)據(jù)庫，提出管線路由自動尋優(yōu)模型，可基于地貌、城市、鐵路、公路、生態(tài)紅線、水深等“工程-社會-經(jīng)濟-環(huán)境”多約束要素下的成本曲面與管網(wǎng)自動尋優(yōu)方法。開發(fā)CCUS項目規(guī)劃評價系統(tǒng)，基于成本最優(yōu)的原則可實現(xiàn)集群式CCUS 項目規(guī)劃評價以及單源單匯和多源多匯項目集群模式的技術經(jīng)濟性的評價。該項在國內(nèi)首次建立的陸海統(tǒng)籌的CCUS源匯匹配方案評價技術，全面服務于海上CCUS項目的研究設計，為項目源頭減碳提供技術依據(jù)，同時全面支撐國家在海上CCUS 領域的整體布局和戰(zhàn)略研究。

 

在陸地與海洋規(guī)?；疌CS項目技術支撐方面，開發(fā)了場地尺度精細建模、評價與篩選方法、井場布局與高效注入工藝等技術、多資源與碳封存協(xié)同工藝、深井多參數(shù)與多相流體保真取樣技術、多參數(shù)監(jiān)測與風險評估等技術，為百萬噸/年規(guī)模及以上項目的高效與安全實施奠定了基礎。

 

聯(lián)合企業(yè) 廣泛應用

 

2024年9月27日，中國造船工程學會在北京召開“海洋油氣領域碳排放源頭管控技術體系創(chuàng)建與應用”項目成果評價會，專家組同意該項目通過科技成果評價，一致認為該項目成果整體達到了國際先進水平。

 

目前，該項研究成果顯著、應用廣泛，為CCUS 領域的發(fā)展做出了實質(zhì)性的貢獻，在企業(yè)、行業(yè)和國家層面均產(chǎn)生了極高的影響力。

 

在企業(yè)層面，成果在新增產(chǎn)能的碳排放影響評價、生產(chǎn)現(xiàn)場溫室氣體的排放統(tǒng)計分析、企業(yè)內(nèi)部碳經(jīng)濟評價機制的建立、海上CCUS項目的規(guī)劃設計、碳中和油氣田的建設等領域得到了全面的應用，為碳排放管控提供了基礎核心性技術支撐。

 

該研究整體從數(shù)據(jù)-技術-經(jīng)濟-策略四個維度率先構(gòu)建起海洋油氣領域碳排放源頭管控技術體系，在我國海上油氣開發(fā)領域得到了全面應用，累計支持近1億噸二氧化碳排放總量的新項目投資決策，為企業(yè)新增產(chǎn)能的源頭碳排放管控提供強有力的技術支撐。

 

在行業(yè)層面，基于研究成果形成行業(yè)標準和團體標準，應用到陸地與海域封存場地，引領影響了行業(yè)在該領域的發(fā)展。目前，與企業(yè)形成團隊開展《海域二氧化碳地質(zhì)封存容量評估》《海域二氧化碳地質(zhì)封存場地篩選》的標準編制，將研究成果推廣應用至整個行業(yè)，以建立和規(guī)范油氣行業(yè)包括陸上和海上油氣企業(yè)的新增產(chǎn)能的碳評價技術要求。構(gòu)建陸地與海域二氧化碳地質(zhì)封存標準，引領整個行業(yè)該領域的發(fā)展。

 

在國家層面，該研究中對于海上CCUS封存場地評價方法和潛力的研究為多項國家級重要報告和研究的編制和開展提供了依據(jù)，為我國海上CCUS領域的整體布局規(guī)劃做出實質(zhì)性貢獻?；诒狙芯康某晒芯繄F隊參與/承擔多項國家CCUS領域重要研究和報告編制，包括國家科技部牽頭的《中國二氧化碳捕集利用與封存路線圖》、生態(tài)環(huán)境氣候司的《東營碳捕集利用與封存技術產(chǎn)業(yè)路線圖》等國家和其他區(qū)域路線圖的規(guī)劃，為我國CCUS領域的整體布局規(guī)劃做出了實質(zhì)性貢獻。

 

據(jù)魏寧介紹，目前開發(fā)的部分技術成果已應用于國家能源集團鄂爾多斯煤制油CCS現(xiàn)場、中聯(lián)煤二氧化碳增采煤層氣示范現(xiàn)場、華能隴東二氧化碳地質(zhì)封存項目中，共計22項，關鍵技術自主可控，系統(tǒng)分析技術成果支撐了國家科技部21世紀中心、生態(tài)環(huán)境部氣候司、中國科學院等戰(zhàn)略咨詢，社會效益顯著，具有廣闊的推廣應用前景。

 

科研路漫漫，任重而道遠，碳封存技術從現(xiàn)在的研發(fā)與示范到未來商業(yè)化，還有很長的路，仍需砥礪前行。魏寧表示，他們將繼續(xù)基礎科學突破、創(chuàng)新技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應用推廣，助力“雙碳”目標，讓我們拭目以待。(文/陳偉)