碳捕集、利用与封存（CCUS）已成为工业部门减排的关键技术。本综述针对CCUS链条中的二氧化碳（CO2）输送环节展开系统性分析，覆盖管道、船舶、铁路及公路四种输送模式，从技术性能、经济可行性与基础设施需求三个维度进行对比评估。文献计量分析结果表明，英国在CCUS输送相关研究领域的发文量居全球首位，反映出其强劲的研究活跃度与政策支持力度。研究结果显示，管道输送仍是大规模连续运输最具成本效益的方案，而船舶运输则为长距离与离岸应用场景提供了灵活性。铁路与公路运输凭借其运营灵活性，更适用于小规模或部署初期的场景。区域对比分析表明，北美与欧洲的输送基础设施较为成熟，而其他地区尚处于发展早期阶段。尽管已取得显著进展，该领域仍面临高昂资本支出、基础设施局限与监管不确定性等重大挑战。未来的发展需要集成化输送网络、技术创新与更强有力的政策支持。本综述为优化CO2输送系统、支撑大规模CCUS部署及全球脱碳努力提供了深入见解。
1. 引言
气候变化已成为最紧迫的全球性挑战，主要由人类活动导致的温室气体（GHG）排放激增驱动。《巴黎协定》等国际协议制定了限制全球温升的宏伟目标，实现这些目标需要可再生能源部署、能效提升与先进碳管理技术的协同发展。碳捕集、利用与封存（CCUS）因其在难以完全脱碳的工业部门中的关键作用而成为核心解决方案。CCUS流程涵盖从电厂及重工业等主要排放源捕集CO2 ，并将其输送至封存或利用端。捕集的CO2 可永久封存于地质构造中，或用于提高石油采收率、化学合成及合成燃料生产等领域，推动循环碳经济发展。截至2024年，全球已投运超过9000公里的专用CO2 管道，年输送量超过7000万吨，主要集中在北美。管道因其效率与经济性成为短中期距离的首选，但在缺乏管网或经济上不可行的场景下，船舶、铁路及公路运输正日益受到关注。输送方式的选择取决于地理约束、经济考量与监管框架等多重因素。尽管CCUS整体受关注度提升，但现有研究多呈碎片化，往往孤立分析单一运输模式，缺乏对区域差异与政策一致性的综合考量，因此亟需对CO2 输送进行系统性研究，以支撑大规模CCUS部署。
2. 碳管理策略概述
实现全球净零排放需要整合多种碳管理策略，同时降低源头排放、促进碳再利用并实现永久封存。虽然风能、太阳能和水电等可再生能源及能效提升显著改变了全球能源系统，但钢铁、水泥和化工等高能耗工业部门的完全脱碳仍面临挑战。碳利用路径将捕集的CO2 转化为燃料、化学品、聚合物和建筑材料，支持循环碳利用并激励投资，但目前市场规模尚不足以抵消巨大的全球排放量。碳封存提供了最永久的减缓方案，咸水层、枯竭油气藏和玄武岩构造等地质构造提供了巨大的全球封存容量，但其大规模部署受制于高昂的初始成本、长期监测的不确定性以及监管与公众接受度问题。在此背景下，CCUS提供了一种综合途径，可直接减少能源密集型产业与化石燃料发电的排放，并在结合生物能源与碳捕集封存（BECCS）或直接空气捕集（DAC）时实现净负排放，成为全球净零战略的关键组成部分。
3. CCUS输送的研究趋势
3.1 出版物趋势
研究人员基于Scopus数据库进行了文献计量分析，检索策略涵盖了2000年至2025年的期刊论文、综述与会议论文，确保全面覆盖CO2 管道、船舶及相关经济与监管研究。分析显示，相关出版物在早期数量有限，2010年后稳步增长，2024年左右急剧上升，反映了气候目标、政策支持与技术进步的推动作用。
3.2 主要贡献国家与机构
英国在CCUS输送领域的发文量最高，其次是挪威与美国。中国、荷兰亦表现出较强的研究产出，德国、韩国、意大利、澳大利亚和瑞典贡献中等，显示出广泛的国际参与度。机构层面，SINTEF Energi AS、荷兰应用科学研究组织（TNO）和SINTEF基金会最为活跃，查尔姆斯理工大学、乌得勒支大学和帝国理工学院等高校在跨国合作中发挥了核心作用。
3.3 关键词分析
通过VOSviewer进行的聚类分析识别出四个主要集群：红色集群代表经济与系统层面的“成本效益分析”、“投资”与“运输基础设施”；绿色集群反映“温室气体”、“全球变暖”等环境与排放议题；蓝色集群聚焦“管道”、“腐蚀”与“杂质”等技术工程挑战；黄色集群则包含连接各领域的“碳捕集与封存”等整合概念，凸显了该领域的跨学科特性。
4. CCUS输送方法与技术
CO2 输送是连接捕集端与封存/利用端的枢纽。基于相图特性，管道通常在超临界相下运行以实现高效稳定流动；船舶与公路/铁路运输则多采用制冷加压的液态CO2 （约223 K，7 bar）；固态与气态CO2 因损耗大或密度低，较少用于大宗运输。
4.1 管道
管道是大规模CCUS项目中最广泛采用的方案，通过将CO2 压缩至密相（液态或超临界）以降低体积并提升流动性。超临界CO2 （临界点为31.1°C和73.9 bar）因兼具高密度与低粘度而被优选。管道材质主要采用高强度碳钢并辅以防腐涂层，若含有硫化氢等高腐蚀性杂质则需使用不锈钢或特种合金。管道通常埋地铺设，直径介于4至24英寸，操作压力在70至200 bar之间，需配备压缩站以维持长距离输送压力。监控方面依赖数据采集与监控系统（SCADA）及泄漏检测系统，并设有紧急切断阀。尽管建设成本高昂（如500公里管道需5亿至10亿美元）且面临征地与审批难题，管道在处理百万吨级年输量时具有最低的单位成本，且技术成熟度高。未来发展方向包括应用耐腐蚀新材料、扩建跨境网络、智能化监测系统以及利用现有天然气管网进行改造。
4.2 船舶
船舶运输为离岸封存或无管网地区提供了灵活性。CO2 需冷却至约-50°C并加压液化，装载于专用储罐中。该方式无需大规模固定基础设施，可通过增加船队规模灵活应对运量增长。船舶运输涉及显著的液化能耗与港口装卸设施建设成本，且受限于国际海事组织（IMO）的《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（IGC规则）及《伦敦公约》关于跨境运输的限制。虽然单位成本通常高于管道，但对于超过1000公里的长距离运输及分散排放源，船舶运输具有经济竞争力。未来趋势包括开发更大容量的液化CO2 （LCO2 ）运输船、优化运输工况参数，以及探索船载碳捕集与封存（OCCS）技术和替代燃料以减少自身排放。
4.3 铁路
铁路运输适用于管道不可行或受限的区域，使用高压或冷藏罐车，单车载重约60至80吨。新兴概念包括在轨道车上安装直接空气捕集（DAC）系统，利用再生制动能量进行碳移除。铁路利用了现有路网，初始投资低于管道，且在长距离运输中比公路更环保。研究表明，当年运输量低于约200万吨时，铁路运输可能比新建管道更具经济性。其局限性在于依赖于路网通达性，且存在脱轨等安全风险。未来发展聚焦于专用大型罐车设计、多式联运衔接以及利用电气化铁路降低排放。
4.4 公路
公路运输主要用于小规模、试点项目及CCUS部署初期。专用槽车运载量仅为2至30吨/批次，提供最高的点对点配送灵活性，但单位运输成本极高，且燃料消耗带来的碳足迹最大。其安全性需严防低温灼伤与窒息风险。由于运力和效率限制，公路运输不具备大规模扩展性，仅作为连接分散小型排放源或多式联运末端配送的补充手段。未来改进方向包括提升车辆燃油效率、采用替代燃料及轻量化储罐技术。
5. 技术经济分析比较
对比分析显示，管道运输的资本支出（CAPEX）极高但运营成本（OPEX）在大运量下最低；船舶运输CAPEX高且OPEX中包含昂贵的液化成本；铁路与公路运输则利用现有设施降低了CAPEX，但OPEX随距离显著增加。纯度要求方面，管道通常要求CO2 纯度高于95%-99%以防止腐蚀，而船舶、铁路和公路对此相对宽容。管道与船舶具备最高的可扩展性，但跨境监管复杂度高；铁路与公路部署灵活但监管相对简单。
6. 监管与政策框架
美国将CO2 管道作为危险液体由管道与危险品安全管理局（PHMSA）依据联邦法规第49篇第195部分监管，目前正修订规则以覆盖气态运输。欧盟通过碳排放交易体系（ETS）和创新基金激励基础设施发展，但跨境法律框架仍在完善。船舶运输主要受IMO的IGC规则管辖，《伦敦公约》对跨境封存运输施加了双边协议限制。铁路与公路运输则分别遵循各国危险货物运输通用法规。统一的CO2 流纯度标准与跨境监管协调是全球推广的关键。
7. 各大洲CCUS输送的比较分析
7.1 北美
北美拥有全球最成熟的CO2 管道网络（美国超8000公里），主要服务于提高石油采收率（EOR）。政策上依托45Q税收抵免提供强力支持，但州际监管碎片化及公众接受度是主要挑战。目前正在推进区域CO2 枢纽建设以整合多源排放。
7.2 欧洲
欧洲采取政策驱动型模式，以北海区域的Northern Lights和Porthos等项目为代表，强调开放接入基础设施与跨境合作。海运是其一大特色，旨在连接分散的工业集群与封存场址。
7.3 亚洲
亚洲发展不均。中日韩引领研发，日本与韩国侧重于离岸封存与船舶运输；中国正推进大型试点项目，但管网建设仍处于早期。东南亚国家如印尼和马来西亚正成为潜在的区域封存中心。
7.4 澳大利亚
澳大利亚拥有丰富的地质封存资源，但排放源与封存点距离遥远，导致管道建设成本高昂，因此倾向于发展航运与内陆枢纽相结合的模式，如Gorgon项目。
7.5 非洲
非洲尚处于起步阶段，仅有少量试点项目（如南非的SACCCS），面临资金匮乏与监管缺失的挑战，但具备巨大的长期封存潜力。
8. 挑战与未来展望
主要挑战包括高昂的全链条成本、不完善的跨境监管框架、公众接受度低以及长期封存责任的不确定性。未来需通过数字化技术（物联网、数字孪生）、新材料（抗腐蚀合金、纳米材料）及混合运输模式（管道+船舶）来提升安全性与经济性。国际协作、碳定价机制与公私合营模式将是降低投资风险、推动规模化部署的关键。
9. 结论
CCUS是实现难以电气化行业脱碳及达成净负排放的必要工具。尽管面临成本、技术与监管障碍，但通过强有力的政策支持、持续的技术创新、共享基础设施建设及国际合作，CCUS能够显著提升全球减排成效，助力实现低碳未来。
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