**碳捕集与封存（CCS）**是一系列技术的总称，涵盖捕集二氧化碳（CO₂）、对其进行处理和运输，并将其长期封存，而不是释放到地球大气层中。这些技术主要用于减少工业设施和能源生产的排放。封存通常是将 CO₂ 注入深部地质构造，这些构造因能够有效封存 CO₂ 而被选用。CCS 针对的是一种导致气候变化的重要温室气体，但其成效取决于捕集、运输和封存整个链条的表现。(iea.org)
范围与相关概念
碳捕集仅指分离阶段：捕集 CO₂ 本身并不能确保这种气体不会进入大气。CCS 则将捕集与持久封存结合起来。范围更广的术语**碳捕集、利用与封存（CCUS）**还包括将捕集的 CO₂ 用于产品或工业过程。利用并不一定意味着永久封存；燃料和许多化学品最终都会释放其中的碳，而某些矿物产品则能将碳保留更长时间。(iea.org)
针对化石燃料排放应用 CCS，主要是防止新增排放进入大气，并不能移除空气中已有的 CO₂。当 CCS 与直接空气捕集或使用可持续来源生物质的工艺相结合时，可以为二氧化碳移除作出贡献。生物能源碳捕集与封存（BECCS）捕集的是生物质生长过程中先前吸收的碳。这类系统能否实现净移除，取决于其全生命周期排放以及封存的持久性。(iea.org)
捕集技术
捕集方法取决于气流的组成、压强和来源。能源系统采用的三种主要方法是：
- **燃烧后捕集：**在燃烧后从废气中分离 CO₂。分离技术包括液体吸收（化学）、固体吸附和膜分离。
- **燃烧前捕集：**先将燃料转化为混合气体，从中分离 CO₂，再将富氢气流用于能源生产。
- **富氧燃烧：**燃料在富氧环境而非普通空气中燃烧，产生主要由 CO₂ 和水组成的废气。这使 CO₂ 的分离更为简单，但需要制氧和额外的净化处理。(netl.doe.gov)
工业碳捕集处理的不仅是燃料燃烧产生的 CO₂，也包括水泥生产等制造工艺产生的 CO₂。对于高浓度工艺气流和低浓度废气，捕集技术的适用性与成本存在显著差异。(ipcc.ch)
预处理与运输
捕集的 CO₂ 在运输前需要经过预处理和压缩。管道和船舶可以连接排放源与封存场地，也可以采用铁路和卡车运输。共享的运输与封存基础设施可以为同一工业集群内的多个设施提供服务，减少各排放主体单独建设系统的需要。因此，在建设捕集设施的同时，也必须配套发展运输能力，并确保能够利用合适的封存场地。(iea.org)
地质封存
主要的封存选择包括陆上和海上的深部咸水地层以及枯竭油气藏。CO₂ 储存在岩石孔隙中，而不是专门建造的地下储罐内。合适的场地需要具备足够的孔隙率、满足注入要求的渗透率，以及能够限制 CO₂ 向地表迁移的地质屏障。常规咸水地层封存通常选择深度超过约 800 米的地层，那里的压强和温度可使 CO₂ 保持致密状态。(energy.gov)
注入的 CO₂ 可通过多种机制被封存：
- **构造与地层圈闭：**低渗透率岩层和地质构造阻止 CO₂ 向上迁移。
- **残余圈闭：**彼此不连通的 CO₂ 被固定在孔隙中。
- **溶解圈闭：**CO₂ 溶解于地层流体中。
- **矿物圈闭：**溶解的碳与岩石组分发生反应，转化为稳定的矿物。
这些机制的相对重要性随地质条件和时间而变化。另一种方法是将溶解于水的 CO₂ 注入玄武岩等反应性岩石，以促进矿物形成。矿化速率因场地而异，不应假定不同封存地层中的速率相同。(energy.gov)
监测与密封性保障
封存管理包括场地特征评估、井的建设、注入期间的监测，以及注入结束后的维护。监测内容包括井的完整性、CO₂ 羽流的移动、地层压强变化，以及对地下水可能造成的影响。现有井和地质通道也需要接受评估，因为它们可能削弱封存的密封性。(epa.gov)
在美国，环境保护署通过第 VI 类井计划监管专用于 CO₂ 地质封存的注入活动，其中规定了场地评估、建设、测试、监测、财务责任和关闭等方面的要求。这些要求主要旨在保护地下饮用水源。更广泛而言，政府间气候变化专门委员会认为，经过适当选择和管理的地质场地能够将 CO₂ 与大气永久隔离。(epa.gov)
减排表现与经济性
**CO₂ 捕集量并不等于 CO₂ 减排量。**捕集和压缩会消耗能量，运输和封存也会带来额外需求。对于使用化石燃料的系统，上游排放——包括燃料生产过程中释放的甲烷——同样会影响整体表现。生命周期评价必须计入这些排放、未被捕集的 CO₂ 以及任何泄漏，而不能将捕集比例直接视为总排放的减少比例。(ipcc.ch)
CCS 的成本取决于气体组成、设施规模、能源供应、运输距离和封存条件。经济评估会区分每吨 CO₂ 的捕集成本与每吨 CO₂ 的减排成本：后者考虑了系统运行所产生的相关排放。资金需求、能否利用合适的封存场地、基础设施的协调建设以及政策安排，都可能制约 CCS 的部署。因此，CCS 被视为减排措施的组成部分之一，尤其适用于难以脱碳的工业排放源，而不是减少化石燃料使用或部署其他低排放技术的通用替代方案。(ipcc.ch)
参考来源
- Carbon capture, utilisation and storage - Fuels & Technologies - IEAiea.org
- About CCUS – Analysis - IEAiea.org
- CCUS in the transition to net-zero emissions – CCUS in Clean Energy Transitions – Analysis - IEAiea.org
- CCUS in Clean Energy Transitions – Analysis - IEAiea.org
- Carbon Capture | netl.doe.govnetl.doe.gov
- Advanced Combustion | netl.doe.govnetl.doe.gov
- DOE Explains...Carbon Sequestration | Department of Energyenergy.gov
- Report of the Interagency Task Force on Carbon Capture and Storage, August 2010energy.gov
- Class VI - Wells used for Geologic Sequestration of Carbon Dioxide | US EPAepa.gov
- Chapter 6: Energy systemsipcc.ch
- Chapter 11: Industryipcc.ch
- Summary for Policymakersipcc.ch