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

減少碳排放來應(yīng)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(gè)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(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略是破解氣候危機(jī)、資源環(huán)境約束、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略，也是我國主動擔(dān)當(dāng)大國責(zé)任、推動構(gòu)建人類命運(yùn)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(shí)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(shí)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(biāo)實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)前我國亟需解決的問題。

 

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

 

扎根領(lǐng)域 科研不輟

 

2006年，魏寧于武漢大學(xué)巖土工程專業(yè)博士畢業(yè)后，進(jìn)入中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，加入了溫室氣體減排的研究隊(duì)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(xué)技術(shù)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(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的過程。據(jù)魏寧介紹，CCUS技術(shù)具有規(guī)模化、技術(shù)成熟度較高與傳統(tǒng)化石能源結(jié)構(gòu)相融等特點(diǎn)，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(shí)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(biāo)托底，因此成為世界各國科學(xué)家與能源企業(yè)深入研究的對象和前沿技術(shù)。

 

魏寧在CCUS技術(shù)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，作為主要技術(shù)支撐專家之一，支撐與協(xié)助了國內(nèi)外多個(gè)全流程CCS項(xiàng)目，包括：中國首個(gè)10萬噸/年規(guī)模的國家能源集團(tuán)鄂爾多斯全流程CCS項(xiàng)目及后續(xù)擴(kuò)大、華能150萬噸全流程CCUS項(xiàng)目、國家能源集團(tuán)榆林百萬噸/年二氧化碳地質(zhì)封存工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行、中海油千萬噸CCUS集群等項(xiàng)目。這些項(xiàng)目通過整合不同領(lǐng)域的專家、打通了不同碳排放源中開展二氧化碳捕集、運(yùn)輸與地質(zhì)封存的全鏈條技術(shù)體系與協(xié)同優(yōu)化體系。在其中形成了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，如：陸相低滲地層內(nèi)安全高效注入技術(shù)、場地篩選技術(shù)、場地綜合評價(jià)、項(xiàng)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(shù)、深地安全監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)等，為規(guī)?；瘻p排技術(shù)貢獻(xiàn)自己的力量。

 

針對我國陸海地質(zhì)條件復(fù)雜、傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)-經(jīng)濟(jì)-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?cái)?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(jì)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(gè)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?fù)浼凹夹g(shù)經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域綠色低碳開發(fā)進(jìn)程也開始起步了，魏寧與研究團(tuán)隊(duì)聚焦于油氣增產(chǎn)和降碳減排，在“碳排放源頭管控技術(shù)體系創(chuàng)建與應(yīng)用”中取得了工程-數(shù)據(jù)-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-策略等多維的成果創(chuàng)新。

 

首先，團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)有國家/行業(yè)溫室氣體統(tǒng)計(jì)分析方法以通用性為主，缺乏領(lǐng)域特點(diǎn)的針對性的問題，開展了碳排放統(tǒng)計(jì)分析方法的研究，與中海油北京研究總院團(tuán)隊(duì)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(jì)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(jì)工作效率及準(zhǔn)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(biāo)難界定的問題，開展油氣開發(fā)項(xiàng)目碳排放約束性指標(biāo)分析模型的研究和適用于行業(yè)/企業(yè)特點(diǎn)的內(nèi)部碳經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法技術(shù)研究，創(chuàng)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和多因素關(guān)聯(lián)的碳價(jià)格預(yù)測模型，首次建立了企業(yè)內(nèi)部碳價(jià)格參數(shù)體系。

 

團(tuán)隊(duì)針對我國海上CCUS項(xiàng)目實(shí)施較少，對于海洋地質(zhì)封存潛力與實(shí)施策略認(rèn)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(jià)技術(shù)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(shù)經(jīng)濟(jì)、源匯匹配、集群規(guī)劃、政策影響等算法與技術(shù)，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(jià)方法，同時(shí)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(jià)分析。最終形成了基于預(yù)可研尺度的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與陸海一體化CCUS 全鏈條技術(shù)經(jīng)濟(jì)與集群研究系統(tǒng)，建立全流程技術(shù)經(jīng)濟(jì)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?cái)?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(jì)-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(xiàng)目規(guī)劃評價(jià)系統(tǒng)，基于成本最優(yōu)的原則可實(shí)現(xiàn)集群式CCUS 項(xiàng)目規(guī)劃評價(jià)以及單源單匯和多源多匯項(xiàng)目集群模式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)。該項(xiàng)在國內(nèi)首次建立的陸海統(tǒng)籌的CCUS源匯匹配方案評價(jià)技術(shù)，全面服務(wù)于海上CCUS項(xiàng)目的研究設(shè)計(jì)，為項(xiàng)目源頭減碳提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)全面支撐國家在海上CCUS 領(lǐng)域的整體布局和戰(zhàn)略研究。

 

在陸地與海洋規(guī)模化CCS項(xiàng)目技術(shù)支撐方面，開發(fā)了場地尺度精細(xì)建模、評價(jià)與篩選方法、井場布局與高效注入工藝等技術(shù)、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(shù)、多參數(shù)監(jiān)測與風(fēng)險(xiǎn)評估等技術(shù)，為百萬噸/年規(guī)模及以上項(xiàng)目的高效與安全實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

 

聯(lián)合企業(yè) 廣泛應(yīng)用

 

2024年9月27日，中國造船工程學(xué)會在北京召開“海洋油氣領(lǐng)域碳排放源頭管控技術(shù)體系創(chuàng)建與應(yīng)用”項(xiàng)目成果評價(jià)會，專家組同意該項(xiàng)目通過科技成果評價(jià)，一致認(rèn)為該項(xiàng)目成果整體達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

 

目前，該項(xiàng)研究成果顯著、應(yīng)用廣泛，為CCUS 領(lǐng)域的發(fā)展做出了實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，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(jià)、生產(chǎn)現(xiàn)場溫室氣體的排放統(tǒng)計(jì)分析、企業(yè)內(nèi)部碳經(jīng)濟(jì)評價(jià)機(jī)制的建立、海上CCUS項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、碳中和油氣田的建設(shè)等領(lǐng)域得到了全面的應(yīng)用，為碳排放管控提供了基礎(chǔ)核心性技術(shù)支撐。

 

該研究整體從數(shù)據(jù)-技術(shù)-經(jīng)濟(jì)-策略四個(gè)維度率先構(gòu)建起海洋油氣領(lǐng)域碳排放源頭管控技術(shù)體系，在我國海上油氣開發(fā)領(lǐng)域得到了全面應(yīng)用，累計(jì)支持近1億噸二氧化碳排放總量的新項(xiàng)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(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

 

在行業(yè)層面，基于研究成果形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用到陸地與海域封存場地，引領(lǐng)影響了行業(yè)在該領(lǐng)域的發(fā)展。目前，與企業(yè)形成團(tuán)隊(duì)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(biāo)準(zhǔn)編制，將研究成果推廣應(yīng)用至整個(gè)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(jià)技術(shù)要求。構(gòu)建陸地與海域二氧化碳地質(zhì)封存標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)該領(lǐng)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(jià)方法和潛力的研究為多項(xiàng)國家級重要報(bào)告和研究的編制和開展提供了依據(jù)，為我國海上CCUS領(lǐng)域的整體布局規(guī)劃做出實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。基于本研究的成果，研究團(tuán)隊(duì)參與/承擔(dān)多項(xiàng)國家CCUS領(lǐng)域重要研究和報(bào)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(shù)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(lǐng)域的整體布局規(guī)劃做出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

 

據(jù)魏寧介紹，目前開發(fā)的部分技術(shù)成果已應(yīng)用于國家能源集團(tuán)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(xiàng)目中，共計(jì)22項(xiàng)，關(guān)鍵技術(shù)自主可控，系統(tǒng)分析技術(shù)成果支撐了國家科技部21世紀(jì)中心、生態(tài)環(huán)境部氣候司、中國科學(xué)院等戰(zhàn)略咨詢，社會效益顯著，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

 

科研路漫漫，任重而道遠(yuǎn)，碳封存技術(shù)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(chǔ)科學(xué)突破、創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推廣，助力“雙碳”目標(biāo)，讓我們拭目以待。(文/陳偉)