技術創新碳減排 助力雙碳促發展——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，最終轉化為碳減排的成效。

 

“碳達峰、碳中和”戰略是破解氣候危機、資源環境約束、實現可持續發展與經濟結構轉型升級的戰略，也是我國主動擔當大國責任、推動構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，實現國內煤炭與油氣基產業的綠色低碳轉型和雙碳目標實現，是當前我國亟需解決的問題。

 

為從規劃、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特點，從數據-指標-經濟-方案多維度率先構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，引領了行業在該領域的發展。

 

扎根領域 科研不輟

 

2006年，魏寧于武漢大學巖土工程專業博士畢業后，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中滲流規律、新型CGUS(二氧化碳地質利用與封存)科學技術與宏觀戰略層面的研究。

 

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生產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，最終實現二氧化碳減排的過程。據魏寧介紹，CCUS技術具有規?；?、技術成熟度較高與傳統化石能源結構相融等特點，甚至可將二氧化碳資源化，能產生資源和環境協同效益，同時能夠降低綜合碳減排成本和減緩能源結構巨變帶來的沖擊，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驗，作為主要技術支撐專家之一，支撐與協助了國內外多個全流程CCS項目，包括：中國首個10萬噸/年規模的國家能源集團鄂爾多斯全流程CCS項目及后續擴大、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、運輸與地質封存的全鏈條技術體系與協同優化體系。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、項目與集群規劃、二氧化碳封存過程與資源增采協同技術、深地安全監測與預警技術等，為規?；瘻p排技術貢獻自己的力量。

 

針對我國陸海地質條件復雜、傳統技術難以統籌規劃的難題，在國際上首次構建起“數據-技術-經濟-策略”四維一體CCUS決策系統;1)公里級數字孿生平臺：集成地質勘探數據與沉積盆地數據，形成1 km×1 km精度陸海封存數字底板，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與能源行業，大型央企(電力與油氣企業)和近二十個CCS工程開展了系統評估;3)CCUS系統評估與源匯匹配算法群：開發管網自動尋優模型，基于多要素成本曲面自動形成CCUS集群拓撲及技術經濟特征，大幅度提升二氧化碳管網與CCUS 集群的求解效率與空間分辨率。

 

創新突破 建樹頗豐

 

近年來，隨著我國海洋油氣產業的不斷發展，我國海洋領域綠色低碳開發進程也開始起步了，魏寧與研究團隊聚焦于油氣增產和降碳減排，在“碳排放源頭管控技術體系創建與應用”中取得了工程-數據-技術-經濟-策略等多維的成果創新。

 

首先，團隊針對現有國家/行業溫室氣體統計分析方法以通用性為主，缺乏領域特點的針對性的問題，開展了碳排放統計分析方法的研究，與中海油北京研究總院團隊在國內首次建立了規范海洋油氣生產溫室氣體數據排放統計分析方法，健全海上油氣田生產碳排放數據體系，提升統計工作效率及準確性。針對油氣行業碳排放受儲量、地質特征、海域環境條件等多種因素影響，碳排放指標難界定的問題，開展油氣開發項目碳排放約束性指標分析模型的研究和適用于行業/企業特點的內部碳經濟評價方法技術研究，創建基于數據驅動和多因素關聯的碳價格預測模型，首次建立了企業內部碳價格參數體系。

 

團隊針對我國海上CCUS項目實施較少，對于海洋地質封存潛力與實施策略認識不足，對于陸海統籌的全流程方案的系統性研究缺乏的現狀，從陸海統籌規劃降碳的角度開展CCUS源匯匹配評價技術的研發，構建海域二氧化碳地質封存場地適宜性、分級封存容量、技術經濟、源匯匹配、集群規劃、政策影響等算法與技術，建立全海域的盆地-區帶-場地多尺度的海上二氧化碳封存地質條件與潛力評價方法，同時構建中國海域碳地質封存數據庫，并完成了中國及毗鄰區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濟分析與陸海一體化CCUS 全鏈條技術經濟與集群研究系統，建立全流程技術經濟性與CCUS集群分析與規劃方法。建立沿海碳源數據庫及中國近海CCUS場地數據庫，提出管線路由自動尋優模型，可基于地貌、城市、鐵路、公路、生態紅線、水深等“工程-社會-經濟-環境”多約束要素下的成本曲面與管網自動尋優方法。開發CCUS項目規劃評價系統，基于成本最優的原則可實現集群式CCUS 項目規劃評價以及單源單匯和多源多匯項目集群模式的技術經濟性的評價。該項在國內首次建立的陸海統籌的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，同時全面支撐國家在海上CCUS 領域的整體布局和戰略研究。

 

在陸地與海洋規?；疌CS項目技術支撐方面，開發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、多資源與碳封存協同工藝、深井多參數與多相流體保真取樣技術、多參數監測與風險評估等技術，為百萬噸/年規模及以上項目的高效與安全實施奠定了基礎。

 

聯合企業 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 領域的發展做出了實質性的貢獻，在企業、行業和國家層面均產生了極高的影響力。

 

在企業層面，成果在新增產能的碳排放影響評價、生產現場溫室氣體的排放統計分析、企業內部碳經濟評價機制的建立、海上CCUS項目的規劃設計、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。

 

該研究整體從數據-技術-經濟-策略四個維度率先構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，為企業新增產能的源頭碳排放管控提供強有力的技術支撐。

 

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

 

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，為我國海上CCUS領域的整體布局規劃做出實質性貢獻。基于本研究的成果，研究團隊參與/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》、生態環境氣候司的《東營碳捕集利用與封存技術產業路線圖》等國家和其他區域路線圖的規劃，為我國CCUS領域的整體布局規劃做出了實質性貢獻。

 

據魏寧介紹，目前開發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現場、中聯煤二氧化碳增采煤層氣示范現場、華能隴東二氧化碳地質封存項目中，共計22項，關鍵技術自主可控，系統分析技術成果支撐了國家科技部21世紀中心、生態環境部氣候司、中國科學院等戰略咨詢，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，碳封存技術從現在的研發與示范到未來商業化，還有很長的路，仍需砥礪前行。魏寧表示，他們將繼續基礎科學突破、創新技術研發和產業應用推廣，助力“雙碳”目標，讓我們拭目以待。(文/陳偉)