碳捕集与封存 (CCS) 是一种收集和储存 CO2 气体的技术。

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，CCS)，就是将捕获、压缩后的二氧化碳运输到指定地点进行长期封存的过程。CCS技术包括二氧化碳捕集、运输以及封存三个环节。根据碳封存地点和方式的不同,可将碳封存方式分为地质封存,海洋封存、碳酸盐矿石固存以及工业利用固存等。

在将CO2封存到地下之后，为了防止其泄漏和或迁移，需要密封整个存储空间。目前认为比较可行的办法是利用常规的地质圈闭构造，它包括气田、油田和含水层，对于前两种，由于他们是人类能源系统基础的一部分，人们已熟悉他们的构造和地质条件，所以利用它们来储存CO2就比较便利和合算，而含水层由于其非常普遍，因此在储存CO2方面具有非常大的潜力。

碳捕获和封存(CCS)是捕获、储存或利用CO 2气体的过程。由于以下几个原因，CCS 受到了浓厚的兴趣：

· 它减少了CO 2排放。

· 它有助于维持已经建成并可能已支付费用的碳基基础设施的价值(例如燃煤水泥厂)。

· 它有助于维持地下碳基资产的价值，否则这些资产将因脱碳而无法燃烧(例如煤炭、石油和天然气)。

· 它为石油公司提供了一种在脱碳世界中利用其核心竞争力的方法，因为 CCS 在机械上类似于天然气开采，只是方向相反。

目前，全世界每年有 4000 万吨 CO 2通过 CCS 处理(Mt/yr);然而，全球排放量大约高出 1000 倍。由于成本原因，CCS 没有取得进一步进展，并且缺乏迫使市场吸收这一额外成本的政府干预。然而，在对气候变化的日益关注和 CCS 成本降低的推动下，CCS 最终可能会流行起来。

要扩大 CCS，需要协调封存地点的调查、CO 2管道网络的建设以及现有碳基基础设施的改造。同步需要一个长期战略，了解 CCS 可能如何展开，并制定相应的计划。本文概述了 CCS，并讨论了长期的 CCS 战略可能是什么样子。

什么是碳捕获和封存?

CCS 包括三个步骤：捕获、运输和存储。

· 捕获涉及从气流中提取CO 2 。例如，可以从燃烧天然气发电的设施的废气中提取 CO 2 。在捕获之前，大约 10% 的废气是 CO 2，而其余大部分是氮气。捕获需要将CO 2从氮气中分离出来。

· 运输通常涉及在管道中 移动 CO 2 。

· 储存需要将 CO 2置于地下，或以某种方式使用它。存储成本通常只占 CCS 总成本的一小部分。

随着来源中的 CO 2变得更稀，提取成本增加。例如，从具有 85% CO 2废气的乙醇生产中提取 CO 2 (~$15/tCO 2 ) 比从具有 10% CO 2废气的天然气发电中提取CO 2 (~$60/tCO 2 ) 更容易。更困难的是直接空气捕获 (DAC)，它涉及从大气中提取 CO 2 。空气中含有 0.042% ( 420ppm ) CO 2，提取成本为数百美元/tCO 2。

为了储存，通常将 CO 2气体转化为压力≥72 ATM (1058psi) 的液体，并将该液体注入地表以下 800 米或更深处。一个注射到已经有这些压力的液体的部位，这表明它们可以承受压力。现有的石油和天然气田通常是很好的候选者，因为它们的地下动态已经得到很好的了解。有关详细信息，请参阅DOE 2017 CCS 存储报告。

当将 CO 2气体压缩成液体时，体积减小 3000 比 1，密度变得与水相似(即一立方米重约一公吨)。理论上，人们可以将一年的液态CO 2储存在直径为 20.8 公里、高度为 100 米的地下圆筒中(34Gt/yr 全球 CO 2排放量 = 100m x 3.14 x 10,400m^2 / 1e9)。

捕获世界上 30% 的 CO 2需要多少成本?

世界目前排放大约 34Gt/yr 的 CO 2。如果通过 CCS 处理 10Gt/yr，成本为每吨 100 美元($/tCO 2)，那么全球每年的总成本将为 1T 美元(10G x 100 美元)。如果 16% 由美国处理，那么在达到 1.6Gt/yr 的水平后，消费者每年的成本将为 $160B 。如果建造超过 10 年，那么消费者的成本在第 1 年为 $16B，在第 2 年为 $32B，在第 10 年之后为每年 $160B。公众对这些数字不满意;因此，需要进行研发以降低 CCS 成本。

什么限制了 CCS 的部署?

10Gt/yr 规模的 CCS不受地下存储可用性的限制，也不受技术限制。相反，它受到 CCS 成本的限制，从 40 美元到 150 美元/tCO 2不等。较低的数字适用于具有高浓度 CO 2的过程，例如乙醇生产。然而，在大多数 CCS 应用中，成本超过 100 美元/tCO 2。