什么是CCS？把CO2封存在海底之下的原理｜日本苫小牧30万吨实证与封存战略

什么是CCS——不是"不排放"，而是"捕集并封存"CO2的技术

CCS是Carbon dioxide Capture and Storage（二氧化碳捕集与封存）的缩写。如果说节能和可再生能源是"不排放CO2"的技术，那么CCS就是在无论如何都会排出的CO2进入大气之前将其捕获，并永久封存于地下深处的技术。从发电厂、钢铁厂、水泥厂、制氢装置等大型排放源的气体中只分离收集CO2，再通过管道或船舶运输，以高压注入地下800〜3,000米的地层。

构成CCS的三个步骤

• ①分离·捕集（Capture）：从废气中只提取CO2。代表性方法是让胺液吸收CO2的"化学吸收法"，苫小牧实证也采用了这一方式
• ②运输（Transport）：用管道或液化CO2运输船把捕集的CO2运往封存地点。在排放源与适宜封存地相距遥远的日本，船舶运输是重要选项
• ③注入·封存（Storage）：通过注入井把CO2送入地下深处的"储层"，将其永久封存在地层之中

与CCUS的区别——"利用"还是"封存"

相似的词汇还有CCUS（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage）。正如其中的"U（Utilization＝利用）"所示，它是一个总称，还包括把捕集的CO2用作化学品、合成燃料、混凝土原料等的举措。但放眼全球，可利用的CO2数量与排放量相比微乎其微。要可靠地把大量CO2与大气隔离，地质封存（S）才是主要路径。

为什么CCS现在受到关注？因为存在"无论如何都减不掉的排放"。水泥在煅烧原料石灰石的工艺本身就会排出CO2，即使把燃料换成可再生能源也无法归零。钢铁、化工以及远洋航运、航空同样是难以脱碳的领域。IPCC（政府间气候变化专门委员会）的报告中，把升温控制在比工业化前高1.5℃以内的多数情景都纳入了CCS，将其定位为处理"节能和可再生能源减排之后仍然残留的排放"的现实选项。

创造"负排放"的应用形态——BECCS与DACCS

CCS还有超越单纯减排、净减少大气中CO2的"负排放"应用形态。其一是BECCS（生物质能＋CCS）。植物在生长过程中从大气吸收CO2，若用这些植物作燃料发电，再把产生的CO2捕集封存，算下来大气中的CO2就净减少了。其二是DACCS（直接空气捕集＋封存），用巨大的风机和吸附材料直接从大气中滤取CO2并封存。两者都面临成本高的课题，但作为能够"偿还"过去超排部分的少数手段，在1.5℃目标情景中被赋予重要角色。它们也是有了海底地层这一封存归宿才得以成立的技术。

为什么是"海底之下"——封住CO2的地层原理

提到CCS，人们也许会想象"在地下挖个大洞储存CO2"的画面，但实际完全不同。CO2进入的是砂岩等岩石颗粒之间的微小孔隙。可以想象成让高压CO2一点点渗入原本充满盐水（地层水）的孔隙。封存地点有两种类型：再利用开采完毕的油气田，以及利用充满盐水的"咸水层"。全球最大的封存潜力在于后者，挪威的斯莱普内尔和苫小牧都属于咸水层型。

储层与盖层——"海绵"与"盖子"的组合

封住CO2离不开两类地层的组合。其一是储层——由粗颗粒砂岩等构成、孔隙众多、如海绵般的地层。其二是盖层（Caprock）——由颗粒细密的泥岩等构成、CO2无法穿透的地层。较轻的CO2会试图在地层中上浮，但盖层如同盖子般挡住其上升。这一组合与天然气和石油在地下留存数百万年的构造完全相同。CCS正是人为利用了自然界早已验证的"封存机制"。

深度同样重要。在地下约800米以深，温度和压力条件会让CO2进入接近液体的高密度"超临界状态"，同样重量的体积缩小到地表的几百分之一。正因如此，有限的地层才能高效储存大量CO2。

随时间推移"更加安全"的四种圈闭机制

• 构造圈闭：盖层这个"盖子"从物理上阻止CO2上升（封存初期的主角）
• 残余圈闭：岩石孔隙的毛细管力把CO2捕获成小气泡，使其无法移动
• 溶解圈闭：CO2溶入地层水后变重下沉（浮力本身消失）
• 矿物圈闭：经过数百至数千年与岩石成分反应，变为碳酸盐矿物成为石头

值得注意的是，这些圈闭机制随时间推移依次发挥作用。封存之初依赖盖层，但岁月越久，CO2越会溶解、矿化，逐渐接近无从泄漏的状态。与"封存会不会随时间变得不稳定"的直觉相反，从地球化学角度看，稳定性反而与日俱增。

那么，日本有多少"收纳空间"？据地球环境产业技术研究机构（RITE）等的调查，日本周边海底之下合计约有1,460亿吨的巨大封存潜力，规模超过日本100年的年排放量。对四面环海的日本而言，海底之下正是最大的封存宝库。这也是CCS被称为"海洋技术"的缘由。

苫小牧实证试验——日本首次实现30万吨注入

谈论日本的CCS，绕不开在北海道苫小牧市近海实施的"苫小牧CCS大规模实证试验"。受经济产业省和NEDO（新能源产业技术综合开发机构）委托，日本CCS调查株式会社（JCCS）作为实施主体，于2012年度开始建设设施。2016年4月开始注入CO2，2019年11月22日达成累计30万吨（300,110吨）的目标。从CO2的分离捕集到运输、注入、监测，这是日本首个以与商用项目相同的构成完整运行的全链条实证。

CO2从哪里来

注入的CO2来自毗邻的出光兴产北海道炼油厂制氢装置排出的尾气。这种气体中CO2浓度高达约52%，通过胺液化学吸收法进行分离捕集，以高纯度CO2送入海底之下。"炼油厂的废气，由管道相连的隔壁设施处理后直送海底"——这是产业排放源与封存地紧邻的理想布局。

两口注入井与两个储层

在苫小牧，面向性质不同的两个储层，从陆地向海底之下斜向钻探了两口注入井。其一是深约1,000〜1,200米的萌别层——由砂岩构成、孔隙丰富的地层，实证注入的30万吨几乎全部封存于此。其二是深约2,400〜3,000米的泷之上层，同时验证了向火山岩地层注入的可能性。两个地层之上都确认存在泥岩质盖层。

实证舞台迈向"CO2运输枢纽"

注入结束后的苫小牧，正成为日本CCS下一阶段的舞台。2023年，世界首艘以低温低压方式运输液化CO2的实证试验船"EXCOOL"建成，并开展了把在京都府舞鹤市火力发电厂捕集的CO2远距离海运至苫小牧的实证。在排放源与封存地相距遥远的日本，"能否用船安全地大量运输CO2"是实用化的生命线，而这道题的答案正在苫小牧的海上被验证。此外，苫小牧地区还被定位为先进CCS项目的国内候选区域之一，实证积累的地质数据、运营经验和地方信任，正化作通往商业化的跑道。

与日本全国年排放量（约10亿吨规模）相比，30万吨只是很小的数字。但这次实证的价值不在数量，而在于用实测数据证明了"在日本的地质、法律制度和社会条件下，CCS全链条能够安全运行"。如今海洋吸收CO2的能力已显现极限（详见海洋的碳吸收正在接近极限吗），人类亲手把碳送回地下这一选项的意义不容小觑。

安全性如何——地震、泄漏与监测的实测数据

公众对CCS的担忧可归结为两点："封存的CO2会不会漏出来？"以及"注入会不会引发地震（或者地震会不会导致泄漏）？"苫小牧实证的重大成果，就是用实测数据回答了这些问题。

北海道胆振东部地震告诉了我们什么

注入期间的2018年9月6日，苫小牧以东发生了最大震度7的北海道胆振东部地震（矩震级6.7）。虽然出现了"是不是CCS诱发了地震"的声音，但JCCS经专家验证后公布的报告认定：震源距注入地点约30公里，深度约37公里，位于远比储层（约1,000〜3,000米）更深的地壳内，与注入无关。更重要的是震后观测：储层的温度、压力数据没有异常，完全没有观测到显示封存CO2泄漏的数据。即使经受了震度5弱的摇晃，封存系统依然完好——这一事实成为地震之国日本推进CCS的宝贵实证数据。

"持续监视"的机制——五重监测

• 温度压力的常时观测：通过注入井和观测井的传感器24小时监视储层状态，一旦泄漏就会表现为压力变化
• 微震观测：布设检测地下细微震动的地震仪网络。自注入开始以来，注入点附近从未检测到微震
• 弹性波勘探：用人工声波给地下"拍X光片"，确认CO2的扩散是否在预想范围内
• 海洋环境调查：每年4次的四季调查分析海水水质、底质、浮游生物和底栖生物，并通过海底摄像观察有无气泡，从未发现CO2泄漏
• 停注后的持续监视：2019年注入结束后监测仍在继续，验证封存的长期稳定性

海底封存受国际条约与国内法管理

向海底之下封存CO2并非可以随意为之。在国际层面，规范废弃物海洋倾倒的《伦敦公约》1996年议定书经2006年修订，有条件地允许"将捕集的CO2封存于海底地层"；日本据此修订了海洋污染防止法，把海底CO2封存纳入环境大臣许可制。苫小牧实证正是在这一许可下实施的，前述每年4次的海洋环境调查也是依法履行的义务。"不是丢进海里，而是在监视之下封入海底岩层"——这条由国际规则明确划定的界线，其实鲜为人知。

世界的CCS——从持续封存30年的挪威到运行77个项目的今天

对于"CCS真的能实用吗"这个问题，答案已经积累了约30年。世界首个商业规模的海底封存，是挪威的斯莱普内尔（Sleipner）项目。在北海气田，天然气中含有的CO2在海上被分离，自1996年起持续注入海底约800〜1,000米深的乌特西拉砂层。累计封存量已超过2,300万吨，未发现大规模泄漏。挪威对CO2排放征收碳税，让企业产生了"与其排入大气不如埋入地下更便宜"的动机——这也是制度驱动技术的典范。

斯莱普内尔的约30年，对科学界而言也是宝贵的"长期观察记录"。每隔数年反复实施的弹性波勘探（4D地震勘探）不断成像地下CO2羽流向哪个方向、以多快速度扩散，用于校验模拟结果。通过解析预测与观测的偏差，人们对储层的理解不断加深，这些知识被苫小牧等世界各地项目的监测设计所继承。可以说，全球CCS正是站在这个北海先行者积累的数据之上。

急速扩张的全球项目

据国际智库Global CCS Institute的2025年报告，全球运行中的CCS项目达77个，比上一年的50个增长54%。在建项目47个，包含规划阶段的整体项目库达628个、年捕集能力4.16亿吨。运行中设施的捕集封存能力约为每年5,100万吨，待在建设施投运后有望翻倍。美国的税收抵免（45Q）和欧洲的基金等各国政策支持正在推动这股浪潮。

尤其受关注的是挪威的北极光（Northern Lights）项目。它于2025年开始接收其他公司工厂的液化CO2，堪称"CO2快递＋出租仓库"。排放企业无需自备封存地，只要用船把CO2送来就能存入海底——这一服务模式在封存适地分布不均的亚洲也备受期待，日本企业也在推进同类跨境CCS事业的研究。

因地区而异的"CCS面貌"

CCS的推进方式因地区而异。美国凭借税收抵免（45Q）这一强力激励，成为项目数量和捕集能力都居世界首位的集聚地。欧洲把北海海底视作"共同的CO2仓库"，主流是跨越国境汇集CO2的枢纽·集群模式。中国和中东的大型项目也已启动。而包括日本在内的亚太地区，存在排放量大却缺乏国内封存适地的国家（韩国、新加坡等），因此焦点在于构建用船舶运输液化CO2的跨境网络。对拥有造船和航运优势的日本来说，CO2运输船及其运营技术也是新产业的种子。

成本壁垒——封存一吨CO2要花多少钱

CCS在技术上已被证明可行，但普及的最大壁垒是成本。CCS不产出电力或产品这类"可出售之物"，投入的费用全部是碳对策成本。提交给资源能源厅研究会的RITE测算显示，从分离捕集到运输、封存的整条价值链都需要相应费用，其中占比最大的是分离捕集环节。要从废气中捕获低浓度的CO2需要大量能源，如何降低这一环节的成本已成为全球共同的技术竞赛。

另一个不容忽视的问题是"能源代价（energy penalty）"。分离、捕集、压缩并注入CO2本身就要消耗大量能源。也就是说，配备CCS的发电厂为了产出同样的电力必须燃烧更多燃料，相应的成本和资源随之增加。改良吸收液、改从燃烧前的气体中捕集、用薄膜分离等缩小这一代价的研究正在各国持续推进，捕集成本的下降将直接左右CCS普及的速度。

左右成本的三大因素

1. CO2浓度：像苫小牧那样浓度约52%的气体捕集相对便宜，而从火力发电废气（10%左右）中捕集则成本较高
2. 运输距离与方式：排放源与封存地相近用管道，相远则用液化CO2运输船。日本正在船舶运输技术开发上引领世界
3. 规模：相比年数十万吨，数百万吨规模的单吨成本大幅下降。枢纽化集约是关键

直面"延续化石燃料"的批评

CCS也面临根深蒂固的批评："它会成为继续排放的借口，延续化石燃料基础设施""这笔投资不如投给可再生能源"。事实上，把捕集的CO2注入油田以增产原油的案例（EOR）曾占多数，批评确有一定依据。关键在于顺序：先用节能和可再生能源削减能减的排放，再把CCS用于残留的排放。守住这一优先级，是CCS成为"最后一块拼图"而非"免罪符"的条件。

日本的战略——从CCS事业法到2050年路线图

宣布2050年碳中和的日本，已从"要不要用CCS"进入"如何让它赶上进度"的阶段。其背景是预计带动150万亿日元以上官民投资的GX（绿色转型）大潮。CCS被明确定位为与可再生能源、氢能并列的投资领域，近几年三大政策支柱相继到位：长期路线图、法律，以及先行项目支持。

① CCS长期路线图——2050年每年1.2〜2.4亿吨

经济产业省研究会于2023年3月汇总的"CCS长期路线图"最终报告提出目标：到2030年营造可启动CCS事业的环境，到2050年实现每年约1.2亿〜2.4亿吨的CO2封存能力。这相当于日本目前年排放量的一到两成。倒推可知，2030年以后每年都需要新增600万〜1,200万吨的封存量，日程刻不容缓。

② CCS事业法——让封存成为"事业"的规则

2024年5月，《二氧化碳封存事业法（CCS事业法）》成立。这是日本首部正式的CCS法制，把包括海底之下在内的地下CO2封存定位为许可制事业，规定了封存权的设定、监测义务，以及封存结束后向JOGMEC（能源金属矿物资源机构）移交管理的机制。"谁、在哪里、以什么责任封存"由法律确定后，企业做出投资判断的基础得以建立。

③ 先进CCS项目——朝着2030年开业奔跑的项目群

JOGMEC自2023年度起启动了集中支持示范项目的"先进CCS项目"计划。2024年6月，选定了以2030年前开始封存为目标的9个项目（国内封存5个、海外封存4个）。9个项目合计以每年约2,000万吨的CO2封存为目标，设计工作正在推进。对象既包括北海道、九州西部近海等国内海底，也包括用船舶把液化CO2运往马来西亚和大洋洲封存的跨境构想，从分离捕集到运输封存的整条价值链获得一体化支持。

在航运领域，CO2专用运输船的建造和向氨、氢等新燃料的转换也在同步推进（详见国际航运的脱碳）。CCS并非孤立的技术，而是作为卷动港湾、航运和能源产业的"海洋脱碳基础设施"的一部分启动的。

遗留的课题——成本分担与地方共识

制度基础虽已齐备，课题依然存在。第一，费用由谁承担。CCS成本最终如何反映到电价和产品价格中，如何与碳定价机制组合，仍在讨论之中。第二，与地方的共识构建。对生活在封存地周边的人们、尤其是以海为业的渔民来说，对向海底注入某种物质的事业感到不安是自然的。正如苫小牧实证通过反复的居民说明会和信息公开推进那样，公开数据、正面回答疑问的姿态，才是这项技术的社会基石。仅靠技术和法律，CCS是转不起来的。

碳中和格局中的CCS——与"最后一块拼图"相处之道

正如前文所见，CCS不是魔法杖。它成本高昂、封存量有上限，还潜藏着沦为"继续排放的借口"的危险。即便如此，只要水泥、钢铁等领域仍有无法消除的排放，2050年净零排放就只能靠"减排技术"与"捕集封存技术"的组合拳来实现——这是国内外科学界的共识。

不应忘记的是，自然界同样拥有"封存碳的机制"。红树林和海草繁茂的海藻场通过光合作用吸收CO2，把碳封存在海底泥沙中长达数百年——这就是堪称天然版CCS的蓝碳。人工CCS负责工厂烟囱排出的大量CO2，蓝碳则在滋养沿岸生态系统的同时积蓄碳——把两者看作分工不同的伙伴而非竞争对手，理解才最为均衡。

此外，CCS还有守护海洋健康的技术这一面。大气中CO2越多，海洋吸收后酸化越严重，贝类和珊瑚就越难形成外壳和骨骼。能从源头减少排入大气CO2的CCS，兜兜转转也是在减轻海洋生物的负担。海底之下的岩层——"海洋最深的地方"——反过来守护着海面的珊瑚礁和海藻场。这样一想，这项技术与海洋的关系便呈现出别样的面貌。

我们能做什么

• 正确认知：既不是"埋入地下很危险"，也不是"有CCS就高枕无忧"，而是了解实证数据与课题两面后再作判断
• 用能源选择表达立场：选择可再生能源电力、使用节能产品，就是向社会表明"先减排"这一优先顺序
• 参与地方讨论：封存候选地附近会举行居民说明会和意见征集。熟悉当地海域的居民视角，是支撑事业安全与信任的力量
• 用行动守护海洋碳循环：参加海藻场、滩涂保护活动和捡拾垃圾，是守护自然碳吸收能力最切身的贡献