近年来，应对气候变化、促进可持续发展的观念越来越深入人心，各行各业也都逐渐明确了自己的温室气体减排目标，并且不断探索可行的碳减排路径，航运业也不例外。在脱碳浪潮日益汹涌澎湃的大趋势下，CCUS技术的减排潜力再度被寄予厚望，频频出现在有关减排的重要讨论中，成为当之无愧的行业热词。
CCUS发展步入新纪元
人们在讨论CCUS(Carbon capture, utilization and storage)技术时，经常会用到不同的术语，例如CCS(Carboncapture and storage)和CCU(Carbon capture and utilization)。CCS是一种用于捕获燃煤发电或其他类型的工业活动产生的二氧化碳的过程。为了防止二氧化碳进入大气，将其从发电厂或工业活动中捕获并永久封存起来。CCS技术主要涉及二氧化碳的捕集、运输和封存三个步骤。CCU则涉及对捕集二氧化碳的利用，例如用来生产醇类燃料或化学品。而CCUS包括二氧化碳捕集、利用与封存各个环节，据IEA(国际能源署)称，CCUS涵盖了CCS和CCU以及二氧化碳利用和封存同时进行的场景，例如应用在EOR(强化采油)或建筑材料中实现部分或全部二氧化碳永久封存。将捕集的二氧化碳用于工业用途可以为CCUS设施提供潜在的收入来源，降低二氧化碳捕集成本。
CCUS这一概念虽然近几年才引发公众的广泛关注，但该技术的诞生和发展却由来已久。据全球碳捕集与封存研究院(Global Status of CCS)称，早在20世纪30年代，碳捕获设备就在工业界有了商业化应用，例如用于天然气、氢气以及其他气体流的净化。1952年，美国大西洋炼油公司申请了世界首个CO2-EOR(二氧化碳强化采油)专利。1970年，美国能源公司雪佛龙宣布了一项计划，向SACROC(Scurry Area Canyon Reef运营商委员会)的CO2-EOR项目投入1.75亿美元，第二年又宣布将以相同金额建造一条220英里的二氧化碳运输管道。1972年，该项目在美国德克萨斯州西部的Kelly-Snyder油田SACROC区块正式投产，这也是世界首次以商业规模注入二氧化碳来提高石油采收率。80年代，美国继续建设二氧化碳运输管道，并开始广泛部署CO2-EOR项目，随后该技术也在全球范围拓展开来。随着越来越多商业化二氧化碳驱油项目的投入运营，关于碳捕获、利用与封存技术的研究与发展越来越深入和多元，该技术在应对气候变化方面的潜在作用也引发了越来越多的探讨。
2001年，联合国气候变化框架公约(UNFCCC)在其第7次缔约方大会(COP7)上邀请政府间气候变化专门委员会(IPCC)编写一份关于碳捕集与封存的技术报告。为此，IPCC在2002年11月举办了一次研讨会，提出了编写二氧化碳捕集与封存特别报告的提议。经过100多位作者的共同努力，IPCC在2005年12月召开的COP11上正式将报告递交给了UNFCCC。该报告指出，CCS是缓解气候变化的行动组合中的一种可选方案，具有减少缓解气候变化整体成本以及增加实现温室气体减排灵活性的潜力。2014年，IPCC第五次评估报告进一步总结称，如果没有CCUS，缓解气候变化的成本可能会增加138%，而且如果不使用CCUS技术，可能根本无法实现气候控制目标。IEA在其《能源转型中的CCUS》报告中指出，CCUS缓解气候变化的潜能在几十年前就得到了认可，但该技术的部署却相当缓慢，因此对于全球二氧化碳减排的影响尚且有限，其原因在于：出于商业考虑和缺乏一致的政策支持，许多计划中的CCUS项目没有取得进展。在没有激励政策或排放惩罚的情况下，CCUS可能根本没有任何商业价值。其次，安装基础设施的成本过高，整合二氧化碳供应链中的不同要素相当困难，在某些应用中安装或扩大CCUS设施存在技术风险，以及如何确保融资等问题都阻碍了对CCUS项目的投资。此外，一些公众对碳封存，尤其是陆上封存的抵制也影响了该技术的应用。不过，在各国减排目标加强以及新的政策激励措施的支持下，近几年CCUS项目迎来了持续增长，与此同时CCUS的成本一直在下降，能够提高CCUS经济效益的新型商业模式已经出现，相关技术正在进步，吸引了越来越多决策者和投资人的兴趣，CCUS的发展已然步入新的纪元。
CCUS如何与海洋结缘
全球碳捕集与封存研究院发布的《2021全球CCS现状》报告显示，仅在过去一年中，全球二氧化碳存储容量就上涨了32%，目前共有135个商业CCS设施(其中27个已全面投入运营)，覆盖水泥、钢铁、氢气、发电和直接空气捕集等不同行业领域。对捕集二氧化碳进行利用的设施也在增加，而且对EOR的依赖正在显著降低，据IEA称，目前计划中的CCUS项目与EOR相关的不到一半，近三分之一的计划项目将开发具有共享二氧化碳运输和储存基础设施的工业CCUS中心。尽管之前大部分CCUS项目捕集的二氧化碳主要封存在陆地上，但海洋环境也是一个很有吸引力的封存选址。当下，全球范围内已经有一些海上碳封存项目获得投资或者正在运营，尤其是在北海地区。海上碳封存的可行性已得到验证，1996年，挪威能源巨头Equinor公司在其位于北海的Sleipner油田启动了全球首个二氧化碳捕集与封存项目，从该油田的天然气中捕集的二氧化碳被封存在海床以下1000米处的砂岩储层中。自2008年以来，从Snøhvit和Albatros油田捕集的二氧化碳经过压缩后被运回封存在咸水层。这个工业规模的示范项目已被视为行业最佳实践，Sleipner的经验还被用于指导制定关于二氧化碳地质封存的欧盟指令，也用于修订《伦敦议定书》和OSPAR公约，以允许在海上地质构造中储存二氧化碳。
日益紧迫的减排压力是CCUS发展势头增强背后的一个重要推力。严格的气候控制目标催生了各种各样的新型减排方案，CCUS正是其中之一。随着越来越多国家相继制定碳中和战略，CCUS所扮演的重要角色也将愈加凸显。在这样的背景下，各行各业也不得不加快探索适合自己的脱碳路径，CCUS也为难以减排的海运行业提供了合规的可行选项。IEA认为，CCUS必须同基于可再生能源的电气化、生物能源以及氢能一起成为全球能源转型的四大关键支柱，而且它也是为数不多的几个能够帮助航运业这样的长途运输脱碳的选项之一。为了满足日益严格的减排法规要求，航运业正在积极研究如何利用CCUS技术减少船舶碳排放，因此船载CCUS系统应运而生。
据中国船级社上海规范研究所法规与绿色技术研究部主任简炎钧介绍，船载CCUS系统主要由二氧化碳捕获、提纯液化、存储与转移四个模块构成。首先，船上尾气进入捕获模块分离出二氧化碳，然后在提纯液化模块对捕获的二氧化碳进行降温、压缩、干燥提纯、制冷后转化为液态二氧化碳，提纯液化后的二氧化碳再输送到存储模块。对于捕集储存的液态二氧化碳通过转移模块，可以在港口直接过驳给二氧化碳运输船，或在专业港口进行卸载，提供给处理工厂用于碱、醇等化工品的原料或地质、生物利用，也可以制成干冰在指定海域投入海底封存。船舶二氧化碳主要来源于发动机和燃油锅炉排放的尾气，二氧化碳浓度和分压较低较，一般采用化学吸收法，其原理为通过吸收液的温度变化来实现二氧化碳的吸收和释放，从而实现将二氧化碳从尾气中分离捕获。其主要流程为在吸收单元，吸收剂与尾气中的二氧化碳发生化学反应形成稳定的液体中间化合物，然后在分离单元，将中间化合物加热到一定温度后释放出二氧化碳气体，同时还原的吸附剂降温后返回吸收单元，由此不断循环，实现二氧化碳的分离捕获。目前，航运业已经开展了不少船上应用CCUS技术可行性的研究和示范项目验证。
CCUS海上应用遍地开花
随着二氧化碳海上运输与封存的技术和商业应用越来越成熟，以及CCUS对航运减排的作用越来越受重视，该技术与海洋产业的联系日益紧密，海上 CCUS项目以及船载碳捕集研发也在全球范围内如火如荼地铺展开来。2016年，恰逢Sleipner油田的CCS项目运行20周年，Equinor联合挪威科技工业研究院(SINTEF)等机构成立了二氧化碳封存数据联盟，旨在通过开放数据共享来推动CCS技术的创新和发展，并于2018年启动了二氧化碳数据共享(CO2 DataShare)计划。2021年3月，由Equinor、壳牌和道达尔共同投资的“北极光”二氧化碳运输和储存项目的开发计划经过数年筹备终于获得挪威石油和能源部批准。“北极光”项目是挪威大型CCS项目“Longship”的一部分，将从工业中捕获二氧化碳，并通过液态二氧化碳运输船将其从捕获地点运输到挪威西海岸的陆上终端，然后再通过管道输送到北海进行海底封存。该项目预计将从2024年开始运营，一期工程计划每年封存150万吨二氧化碳，后续逐步增加容量。此外，还有英国的Acorn、HyNet North West与荷兰的Porthos项目涉及到海上碳封存。
除了欧洲之外，亚洲、澳洲和美洲等地区也在积极部署海上CCUS项目。2021年8月，中国海洋石油集团有限公司对外宣布，我国首个海上二氧化碳封存示范工程在南海珠江口盆地正式启动，该项目将把海上油田开发伴生的二氧化碳永久封存于800米深海底储层，每年封存约30万吨、总计超146万吨。日本在2016年启动了Tomakomai CCS示范项目，每年将捕集10万吨二氧化碳并封存在Tomakomai港区的海上储层中。澳大利亚早在2009年就设立了CarbonNet项目，计划每年在澳大利亚东南沿海的巴斯海峡封存500万吨二氧化碳，预计到2030年投入使用。而美国也在探索在墨西哥湾开展海上碳封存项目，2021年，埃克森美孚宣布将建造价值1000亿美元的CCUS枢纽，捕集并利用管道将二氧化碳运输到墨西哥湾进行海上封存。
与此同时，在CCUS的船上应用方面，航运业也在大力投入研发。2019 年，NYK Line、Teekay、Knutsen OAS、Vale等领先的船东和租船人在丹麦海事发展中心开展了名为DecarbonICE的船上碳捕集与储存解决方案研究。该项目将以低温过程捕获船舶废气中产生的二氧化碳，并将其转化为干冰，在船上将干冰输送到海底沉积物中永久封存。2020年，三菱造船与川崎汽船、日本海事协会合作开展了“CC-Ocean”海洋碳捕获项目，以验证船载二氧化碳捕集系统的可行性。该项目在“CORONA UTILITY”号运煤船上安装了一个小型二氧化碳捕获装置，用于从船舶发动机排放的废气中分离并捕获二氧化碳，这是世界首次商船运营期间的碳捕集操作。芬兰洗涤塔制造商瓦锡兰也关注到了在船上废气排放点进行碳捕集的潜力，其初步发现表明，在船上进行碳捕获和封存“在技术上是可行的”，该公司正在开展相关测试。
此外，油运公司Stena Bulk与石油和天然气气候倡议(OGCI)组织也在2021 年合作开展了一项研究，旨在探索在大型商船进行碳捕集的潜力。研究结果表明，大型油轮实施碳捕集和储存在技术上是可行的，实施CCS技术的最大挑战可能是安装和运营成本，储罐、压缩机和其他设备会产生巨大的前期资本支出。同时运行CCS系统需要耗费大量能量，因此运营费用也会增加。然而，研究也指出，这些挑战并非无法克服，如果采用与碳捕集和储存技术兼容性良好的发动机，这些成本可以大大降低。同时，荷兰海事技术公司Value Maritime宣布开发了一种船载二氧化碳捕集和储存解决方案，该方案通过二氧化碳捕集模块从船舶废气中捕集二氧化碳，并将其填充到二氧化碳 “电池”中，二氧化碳“电池”指的是一种可以无限次充放二氧化碳的储存设施。Value Maritime的首个二氧化碳捕集模块和二氧化碳电池于2021年10月在Visser Shipping旗下的一艘1040TEU集装箱船Nordica上进行安装使用。随着二氧化碳捕集模块和二氧化碳电池安装上船，Value Maritime成为了全球首家在运营船舶上安装碳捕集和储存设施的公司。