Major contribution to carbon neutrality by China’s geosciences and geological technologies

In the context of global climate change, geosciences provide an important geological solution to achieve the goal of carbon neutrality, China’s geosciences and geological technologies can play an important role in solving the problem of carbon neutrality. This paper discusses the main problems, opportunities, and challenges that can be solved by the participation of geosciences in carbon neutrality, as well as China’s response to them. The main scientific problems involved and the geological work carried out mainly fall into three categories: (1) Carbon emission reduction technology (natural gas hydrate, geothermal, hot dry rock, nuclear energy, hydropower, wind energy, solar energy, hydrogen energy); (2) carbon sequestration technology (carbon capture and storage, underground space utilization); (3) key minerals needed to support carbon neutralization (raw materials for energy transformation, carbon reduction technology). Therefore, geosciences and geological technologies are needed: First, actively participate in the development of green energy such as natural gas, geothermal energy, hydropower, hot dry rock, and key energy minerals, and develop exploration and exploitation technologies such as geothermal energy and natural gas; the second is to do a good job in geological support for new energy site selection, carry out an in-depth study on geotechnical feasibility and mitigation measures, and form the basis of relevant economic decisions to reduce costs and prevent geological disasters; the third is to develop and coordinate relevant departments of geosciences, organize and carry out strategic research on natural resources, carry out theoretical system research on global climate change and other issues under the guidance of earth system science theory, and coordinate frontier scientific information and advanced technological tools of various disciplines. The goal of carbon neutrality provides new opportunities and challenges for geosciences research. In the future, it is necessary to provide theoretical and technical support from various aspects, enhance the ability of climate adaptation, and support the realization of the goal of carbon peaking and carbon neutrality.     

“双碳”背景下石油地质学的理论创新与迈向能源发展多元化新时代

“双碳目标”已成为我国能源发展基本国策。如何开展这一大背景下的石油地质研究及如何推动能源多元化发展,是石油科技工作者面前的现实问题。本文对2000—2020年我国二氧化碳排放、油气能源消费、油气储量、产量等进行分析研究后认为,在“碳达峰”与“碳中和”应对全球气候变化的大背景之下,21世纪内石油和天然气仍将担任能源家族中的重要角色。我国石油工业要立足于理论和实践的自主创新,实现“万米级的超深层常规油气革命和纳米级超致密储层的非常规页岩油气革命”,实现超常规发展和低碳绿色转型发展。油田注水开发是我国提高采收率的核心技术,今后应大力推广注二氧化碳驱油技术,以达到增油与减排的双重目的,创新二氧化碳捕集与埋存技术以发展石油工业的减碳产业。21世纪为能源发展的多元化时代,水电、风能和太阳能等3类可再生能源开发利用是实现双碳目标的基本保障,地热能、生物质能和海洋能是重要推手;22世纪人类将建成一个由可再生能源和新能源保障的经济社会,氢能源将是未来最具发展潜力的新能源。     

地球科学与碳中和：现状与发展方向

碳中和是当前世界关注的热点,地球科学可以在其中发挥很大的作用。在国际上,政府间气候变化专门委员会、国际能源署、能源转型委员会,以及在国家层面,政策咨询小组已就CO_2减排可能的实现方式提出了一系列模型和预测情景,表明要实现碳中和,电将代替化石燃料成为全球能源的主要载体。在全球迫切需要减排的背景下,地球科学为实现《巴黎协定》气候目标提供地质解决方案至关重要,主要科学问题涉及:储热与地热;干热岩;水电储能;压缩空气储能;核能;碳捕集与储存;氢经济;能源转型需要的矿产原材料。这就需要地球科学:一是对岩石进行地球化学和地质体的岩石力学特征描述,以便在可能开展脱碳的地区储存CO_2和建立绿色能源系统;二是进一步揭示电动汽车电池和风力涡轮机等所需矿产资源的起源和成因;三是从小型实验室尺度扩大到试点、工业化和商业化全尺度规模;四是要了解公众对地下脱碳技术的态度,保证项目安全性。碳中和目标为地球科学研究提供了新的机遇,未来发展需要从多方面提供支持;提高对地球科学在实现脱碳方面关键作用的认识,并发展技术,打造产业链,实现可持续发展。     

基于社会网络分析方法的二氧化碳地质封存风险传染特征研究

二氧化碳(CO₂)地质封存技术作为深度减排不可或缺的必要手段,对保护生态环境、推动全球中长期应对气候变化的国际合作以及推进社会绿色、循环、低碳发展具有重要意义。文章总结了二氧化碳地质封存项目全生命周期中可能出现的46个风险因素,运用社会网络分析方法构建风险网络关系模型,对二氧化碳地质封存项目风险因素间的传递作用关系进行了研究。通过风险网络整体与局部参数分析确定风险传递过程中的关键起始节点、关键致险节点、关键传递节点等关键因素,识别出三条潜在风险传递链：(1)地质灾害风险→CO₂供应、注入或运输意外中断风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(2)操作人员知识不足或无相应资质风险→人为泄漏风险→项目对环境的破坏风险→公众参与风险→预期外的建设或操作成本变化风险;(3)部门协调不当风险→人才招聘和管理风险→操作人员知识不足或无相应资质风险→预期外的建设或操作成本变化风险。研究旨在为二氧化碳地质封存项目风险研究提供理论创新与技术参考,进而促进CO₂捕集、利用与封存项目的健康发展。     

Carbon geological utilization and storage in China: current status and perspectives

As an emerging technology with the potential to enable large-scale utilization of fossil fuels in a low-carbon manner, carbon capture, utilization and storage (CCUS) is widely considered to be a strategic technology option to help reduce CO₂ emissions and ensure energy security in China. In principle, CCUS can be divided into three categories, namely chemical utilization, biological utilization and geological utilization. Of the three categories, carbon geological utilization and storage (CGUS) technology has obtained the most attention lately due to its ability to utilize underground resources and conditions, to generate further economic benefits, a feature that distinguishes it from other CO₂ reduction technologies. The CGUS technology related in this paper has various types, each with its own potential, difficulties and characteristics. This paper summarizes China’s research findings on the various types of CGUS technology, analyzes their research status, development potential, early opportunities and long-term contributions and recommends major geological utilization methods to policy makers and investors based on China’s natural resources and industrial characteristics. Besides, this paper analyzes the status, mechanisms and limitations of China’s relations with other countries in this field, as a means to promote research cooperation on an international level.     

煤矿区碳排放的确认和低碳绿色发展途径研究

开展煤矿区碳排放的系统评价和减排路径的综合分析,是落实我国碳达峰与碳中和愿景的具体行动。针对煤矿区碳排放源边界不清、核算模型缺乏及碳中和背景下发展方向等问题开展分析。通过文献查阅、资料收集等方法,厘清煤矿区碳排放源边界,并建立碳排放量核算模型,明确煤矿区低碳绿色发展方向。结果表明:煤矿区碳排放(CH₄和CO₂)来源可划分为自然排放和人为排放两大类,并细分为5种类型,针对不同碳排放源提出相应的数学模型;同时煤矿区要加大节能和低碳技术的投入,提高综合资源的利用程度和瓦斯的监测力度,加强绿色矿山修复和建设,积极参与碳市场和碳排放权交易及培育适应市场的管理模式等一系列措施,逐步实现低碳、绿色产业体系;此外,煤矿相关单位应高瞻远瞩,深入分析并发挥政府的低碳环保政策的作用,与相关高校加强合作,在我国碳减排目标下,大力推动煤制氢技术的发展,突破CO₂-ECBM和CCUS关键技术中的运输、封存选址、安全稳定性评价、成本降低等瓶颈问题,以期在双碳背景下碳减排过程中实现经济、环保双重效益。      

二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析

减少CO2的排放是国际社会当前迫切需要解决的问题,CO2捕获与地质封存技术由于其巨大的减排潜力和经济性近年来引起科学界和政治界的广泛关注。对该技术的主要技术环节和问题进行了分析,并对中国背景下的CO2捕获与地质封存技术的主要问题进行了探讨。     

海上CO2地质封存监测现状及建议

海上二氧化碳(CO₂)地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO₂地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO₂监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO₂地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO₂地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO₂地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO₂地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO₂地质封存示范项目的开展提供参考依据。     

论煤地质学与碳中和

煤基碳排放构成了中国碳排放总量中最重要的部分,做好煤基碳减排和煤炭高效洁净低碳化利用是实现“碳中和”国家目标的重要途径,碳中和背景下的煤地质学发展值得关注。系统评述与碳中和相关的煤地质学研究领域,分析煤地质学在碳中和研究与工程实践中的作用和应用前景,探讨碳中和背景下煤地质学的重要发展方向。取得以下认识:推进清洁煤地质研究、服务煤的高效洁净化燃烧,勘探开发煤系天然气低碳燃料、优化一次能源结构和化石能源结构,开展煤化工资源勘查与开发地质保障研究、推动煤炭的低碳能源转化和新型煤化工产业发展,深化瓦斯地质研究、提高煤矿瓦斯（井下）抽采率、控制煤矿瓦斯的大气排放和泄漏,研究煤层甲烷天然逸散和煤层自燃排放、控制煤层露头的天然排放,发展煤层CO₂地质封存与煤层气强化开发（CO₂-ECBM）技术、推动碳捕获、利用与封存（CCUS）技术发展及其在火力电厂烟气碳减排中的商业化应用,研究煤炭勘查企业的碳足迹、实现企业净零排放,是与煤地质学紧密相关的碳减排技术路径;其中煤层甲烷与煤系气高效勘探开发、深部煤层CO₂-ECBM、煤层露头气体逸散与自燃发火控制、洁净煤地质与煤炭精细勘查是碳中和背景下煤地质学优先发展的重要领域。      

A sensitivity analysis of factors affecting in geologic CO2 storage in the Ordos Basin and its contribution to carbon neutrality

To accelerate the achievement of China’s carbon neutrality goal and to study the factors affecting the geologic CO₂ storage in the Ordos Basin, China’s National Key R&D Programs propose to select the Chang 6 oil reservoir of the Yanchang Formation in the Ordos Basin as the target reservoir to conduct the geologic carbon capture and storage (CCS) of 100000 t per year. By applying the basic theories of disciplines such as seepage mechanics, multiphase fluid mechanics, and computational fluid mechanics and quantifying the amounts of CO₂ captured in gas and dissolved forms, this study investigated the effects of seven factors that influence the CO₂ storage capacity of reservoirs, namely reservoir porosity, horizontal permeability, temperature, formation stress, the ratio of vertical to horizontal permeability, capillary pressure, and residual gas saturation. The results show that the sensitivity of the factors affecting the gas capture capacity of CO₂ decreases in the order of formation stress, temperature, residual gas saturation, horizontal permeability, and porosity. Meanwhile, the sensitivity of the factors affecting the dissolution capture capacity of CO₂ decreases in the order of formation stress, residual gas saturation, temperature, horizontal permeability, and porosity. The sensitivity of the influencing factors can serve as the basis for carrying out a reasonable assessment of sites for future CO₂ storage areas and for optimizing the design of existing CO₂ storage areas. The sensitivity analysis of the influencing factors will provide basic data and technical support for implementing geologic CO₂ storage and will assist in improving geologic CO₂ storage technologies to achieve China’s carbon neutralization goal.©2022 China Geology Editorial Office.     

利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位,但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术,是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段,也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术,探讨了煤炭开发地下空间的利用现状,围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术,重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式,系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差,将其用作梯级储水库(抽水蓄能);或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能),既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率,又可避免土地资源浪费,尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库,但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价,即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究,查明储能空间稳定性主控因素及其权重,构建选址指标体系与评价方法,重点查...     

世界地热能开发利用现状与展望

地热能作为一种零碳、清洁能源,其开发利用对于碳中和具有重要价值。2015-2020年,全球新增地热发电约3649 GW,增长约27%;地热直接利用总装机容量增长52.0%。两者之和,所用热能比2015年增长72.3%。全球每年地热直接利用可防止7810万t碳和2.526亿t CO₂排放到大气中。世界地热能发展呈现五大趋势：（1）发展非常规地热系统;（2）向海上地热资源开发进军;（3）降低钻探成本与石油热能协同生产;（4）加大浅层地热能的开发利用;（5）加强含水层热能储存技术研发。     

Optimal selection of different CCS technologies under CO2 reduction targets

In China, carbon capture and storage (CCS) is recognized as one of the most promising technologies through which to achieve a large reduction in CO₂ emissions in future. The choice among different CCS technologies is critical for large-scale applications. With the aim of developing instructive policy suggestions for CCS development, this study proposed an interval programming model to select the optimal CCS technology among the different CCS technologies available in China. The analysis results indicate that the selection of CO₂ capture technologies should be based on the actual situation of the project and industry being targeted. If the government implements mandatory CO₂ emission reductions, storage in deep saline aquifers is the optimal choice for CO₂ sequestration when oil prices are low and the number of available CO₂ emission permits is large. In contrast, enhanced oil recovery is the optimal choice when oil prices increase and the availability of CO₂ emission permits decreases. It is critical that the government reduce the operating cost and the cost of CO₂ capture in particular.

     

基于城市化的中国能源消费前景分析及对碳排放的相关思考

工业化和城市化是中国未来的两大发展趋势.以往对中国未来能源消费及碳排放的预测大都是从工业化层面出发,忽略了城市化过程导致的生活能源消费的巨大增量.推动城市化进程是提升生活质量、满足人的基本权利的重要手段;立足城市化进程,保障人均能源消费及碳排放空间是确保人人享有基本的生存权和发展权的重要基础.从对中国城市化进程的发展态...     

Serviceability-related reliability for mainshock-damaged reinforced concrete piers considering the aftershock-induced seismic hazards

To investigate the impact of carbon emission reduction paths on energy demand and CO₂ emissions in China, in this study, quantitative carbon emission reduction paths in the period 2014–2020 are established by decomposing the target for emissions reduction. An optimization model of energy demand, into which reduction paths are incorporated, is then constructed from a goal-oriented perspective. The results suggest that energy consumption varies under different emission reduction paths. Coal demand is found to be much more sensitive to the choice of emission reduction path than other forms of energy; in particular, it responds strongly to the decreasing reduction path. We conclude that the decreasing reduction path is a better means than the increasing reduction path of achieving China’s emission reduction target for 2020 with the least amount of energy and the least amount of CO₂ emissions.     

中国煤炭甲烷管控与减排潜力

甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层...     

碳捕获和存储技术综述及对我国的影响

近十多年来，气候变化问题已被列为全球环境问题之首，并且日益成为国际社会关注的热门话题。其重要的焦点就是如何控制温室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险的人为干扰的水平上。为此，国际上提出了许多新观点和新技术以达到上述目标。其中的碳捕获和存储就是一项关注于研究和开发CO2的分离、捕获、运输和存储的技术方法。分析了碳捕获和存储所涉及的科学和方法学问题，包括概念、技术流程、技术潜力以及涵盖的环境、经济和社会因素。在此基础上，分析评价了其对我国能源和经济的影响。最后提出了我国今后在开展碳捕获和存储研究、能力建设等方面的建议。     

中国煤炭资源保障程度和绿色勘查开发途径

文中进一步厘定了煤炭资源/储量的概念,全面分析了我国煤炭资源勘查开发现状,深入阐述了我国煤炭资源保障程度,认为煤炭资源总体丰富,可采、预可采储量不足,服务年限少,区域煤炭资源保障不平衡,优质炼焦用煤稀缺,中东部地区煤炭资源压覆严重,中西部煤炭开发的生态环境问题突出。在分析煤炭资源保障程度基础上,根据煤炭安全高效绿色勘查开发的基本要求,提出了煤炭资源绿色勘查技术、煤矿高精度高效安全开采地质探测技术、煤矿水害探测与防治技术、煤矿绿色充填开采关键技术、采煤沉陷综合治理与生态环境恢复再造技术、煤矿瓦斯井上井下联合抽采技术、废弃矿山资源综合利用和环境恢复技术研究、煤矿高矿化度矿井水及固废处理技术、洁净煤技术的基础地质研究、煤系多能源矿产综合勘查开发和利用技术、煤炭地下气化与煤层气联合协调勘查开发技术、煤源雾霾研究和二氧化碳地质封存技术十二项煤炭绿色勘查开发的技术途径。     

压缩空气地质储能研究现状及工程案例分析

压缩空气地质储能可为大规模部署风能、太阳能等间歇性清洁能源提供灵活、高效的储能方案,从而促进能源结构转型,加快碳达峰、碳中和战略目标的实现。在介绍压缩空气地质储能概念与分类的基础上,从理论分析、技术方法、经济成本等方面总结了该领域的研究现状与发展趋势,详细叙述了利用盐腔、含水层、枯竭油气田作为储气库的典型储能工程案例及关键参数与经验,分析了压缩空气地质储能在我国的应用前景和不同储气库的特性及其关键影响因素,指出不同类型储气库地质储能的适宜条件,为促进清洁能源可持续开发利用提供科学参考。     

国外低品位铜矿分布与利用技术现状

我国是矿产资源大国,但随着国民经济的高速发展,我国对铜矿的依存度逐年上升,据海关统计,目前已达70%,因此我国大力提倡绿色矿业,发展适宜处理的低品位、难选冶铜矿的提取技术及矿渣和尾矿的综合利用,提高铜矿利用率。通过从MRDS、MEG和InfoMine等矿产数据库中提取矿床数据,对国外低品位铜矿床的分布、可利用情况、矿床类型、开采利用技术及成矿控制因素等方面开展调查统计分析,并选取重要矿床进行典型案例分析,为我国低品位铜矿综合利用提供可借鉴的依据。