石油勘探与开发 >

2024 , Vol. 51 >Issue 4: 924 - 936

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20240021

碳中和新能源新领域

碳中和“超级能源系统”内涵、路径及意义——以鄂尔多斯盆地为例

  • 邹才能 , 1, 2 ,
  • 李士祥 , 1 ,
  • 熊波 1 ,
  • 陈艳鹏 2 ,
  • 张国生 2 ,
  • 谢小平 1 ,
  • 刘翰林 2 ,
  • 马锋 2 ,
  • 梁英波 2 ,
  • 朱凯 1 ,
  • 关春晓 1 ,
  • 潘松圻 1 ,
  • 侯梅芳 2 ,
  • 袁懿琳 2 ,
  • 罗双涵 3
展开
  • 1 中石油深圳新能源研究院有限公司，深圳 518000
  • 2 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 3 西南石油大学经济管理学院，成都 610000
李士祥（1981-），男，湖北钟祥人，博士，中石油深圳新能源研究院有限公司教授级高级工程师，主要从事能源战略、地热能与非常规油气地质等研究。地址：广东省深圳市南山区南山大道1110号，中石油深圳新能源研究院，邮政编码：518000。E-mail：

邹才能（1963-），男，重庆北碚人，博士，中国科学院院士，中国石油天然气集团有限公司新能源首席专家，中国石油勘探开发研究院教授级高级工程师，主要从事常规及非常规油气地质学理论研究与实践、新能源、能源战略等研究。地址：北京市海淀区学院路20号，中国石油勘探开发研究院院办，邮政编码：100083。E-mail：

收稿日期: 2024-01-09

  修回日期: 2024-05-31

  网络出版日期: 2024-08-02

基金资助

国家自然科学基金(42072187)

中国石油天然气集团有限公司重大专项(2021ZZ01-05)

收起

Connotation, pathway and significance of carbon neutrality “super energy system”: A case study of the Ordos Basin, NW China

  • ZOU Caineng , 1, 2 ,
  • LI Shixiang , 1 ,
  • XIONG Bo 1 ,
  • CHEN Yanpeng 2 ,
  • ZHANG Guosheng 2 ,
  • XIE Xiaoping 1 ,
  • LIU Hanlin 2 ,
  • MA Feng 2 ,
  • LIANG Yingbo 2 ,
  • ZHU Kai 1 ,
  • GUAN Chunxiao 1 ,
  • PAN Songqi 1 ,
  • HOU Meifang 2 ,
  • YUAN Yilin 2 ,
  • LUO Shuanghan 3
Expand
  • 1 PetroChina Shenzhen New Energy Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, China
  • 2 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
  • 3 School of Economics and Management, Southwest Petroleum University, Chengdu 610000, China

Received date: 2024-01-09

  Revised date: 2024-05-31

  Online published: 2024-08-02

Fold

摘要

超级含油气盆地为推动社会进步和人类发展提供了能源基础，在气候变化与“碳达峰碳中和”背景下，构建兼顾能源生产与碳中和的“超级能源系统”是转型方向。在加快构建以新能源、新电力、新储能、新智能“四新为主”的绿色+智慧能源体系框架下，以巨量地下煤炭/石油/天然气/地热与地上丰富风光能源资源高度叠合、化石能源与新能源融合协同开发利用的区域性智慧用能系统构成的“超级能源系统”与以碳循环为主线的碳中和系统相融合，在传统含油气盆地中研究选择具备建成世界级能源生产与碳中和示范大基地条件的碳中和“超级能源盆地”。鄂尔多斯盆地区位优势明显，化石能源和新能源资源丰富，CO2源汇匹配优势显著，具备建成世界级能源生产与碳中和盆地的基础条件，以鄂尔多斯盆地为代表的碳中和“超级能源盆地”给出了传统含油气盆地转型方向。“煤炭+石油+天然气+新能源+CCUS（碳捕集、利用与封存）/CCS（碳捕集与封存）”融合发展理念与模式下，盆地区域内基本实现碳中和，进一步夯实能源生产保供能力，助力“双碳”目标实现，建立现代能源产业体系，推动地区绿色可持续发展。在中国率先建成以鄂尔多斯盆地为代表的世界级碳中和“超级能源系统”示范盆地，将重塑超级能源盆地勘探开发新理念与新模式，对全球“碳中和”下的能源革命具有重大意义。

关键词： 超级能源系统; 碳中和系统; 碳中和“超级能源系统”; 碳中和“超级能源盆地”; 鄂尔多斯盆地

本文引用格式

邹才能 , 李士祥 , 熊波 , 陈艳鹏 , 张国生 , 谢小平 , 刘翰林 , 马锋 , 梁英波 , 朱凯 , 关春晓 , 潘松圻 , 侯梅芳 , 袁懿琳 , 罗双涵 . 碳中和“超级能源系统”内涵、路径及意义——以鄂尔多斯盆地为例[J]. 石油勘探与开发, 2024 , 51(4) : 924 -936 . DOI: 10.11698/PED.20240021

Abstract

Super oil and gas basins provide the energy foundation for social progress and human development. In the context of climate change and carbon peak and carbon neutrality goals, constructing an integrated energy and carbon neutrality system that balances energy production and carbon reduction becomes crucial for the transformation of such basins. Under the framework of a green and intelligent energy system primarily based on “four news”, new energy, new electricity, new energy storage, and new intelligence, integrating a “super energy system” composed of a huge amount of underground resources of coal, oil, gas and heat highly overlapping with abundant wind and solar energy resources above ground, and a regional intelligent energy consumption system with coordinated development and utilization of fossil energy and new energy, with a carbon neutrality system centered around carbon cycling is essential. This paper aims to select the traditional oil and gas basins as “super energy basins” with the conditions to build world-class energy production and demonstration bases for carbon neutrality. The Ordos Basin has unique regional advantages, including abundant fossil fuel and new energy resources, as well as matching CO2 sources and sinks, position it as a carbon neutrality “super energy basin” which explores the path of transformation of traditional oil and gas basins. Under the integrated development concept and mode of “coal + oil + gas + new energy + carbon capture, utilization and storage (CCUS)/carbon capture and storage (CCS)”, the carbon neutrality in super energy basin is basically achieved, which enhance energy supply and contribute to the carbon peak and carbon neutrality goals, establish a modern energy industry and promote regional green and sustainable development. The pioneering construction of the world-class carbon neutrality “super energy system” demonstration basin in China represented by the Ordos Basin will reshape the new concept and new mode of exploration and development of super energy basins, which is of great significance to the global energy revolution under carbon neutrality.

Key words： super energy system; carbon neutrality system; carbon neutrality super energy system; carbon neutrality super energy basin; Ordos Basin

0 引言

传统超级含油气盆地为人类社会生存发展提供了重要的能源基础，但以CO2为代表的温室气体过度排放导致全球气候变暖引发的一系列气候事件[1⇓⇓⇓-5]，对人类的生存发展构成了威胁。近年来全球平均气温已明显高于工业化前期[6]，中国地表年平均气温上升水平也明显高于全球水平[7⇓-9]。在“本世纪末控制全球温度升高1.5 ℃”[10]全球倡议目标下，超级盆地能源生产必须向低碳化和零碳化发展，向油气和新能源融合发展[11-12]。构建兼顾能源生产与碳中和的“超级能源系统”是超级含油气盆地的转型方向[13]。
全球目前正处于“4个转换叠加期”：科技革命第5次向第6次“转换期”，工业革命第3次向第4次“转换期”，能源转型由化石能源向新能源“转换期”，强国转型由大国向大而强“转换期”，4个“转换期”叠加迎来转型的关键期。中国能源结构处于“三期”叠加时代，代表着“过去”的煤炭时代“未去”（2022年煤炭消费占比仍为56%[11]），代表着“现在”的化石能源时代“即在”（2022年化石能源消费占比为83%[11]），而代表着“未来”的新能源时代“已来”（2022年新能源消费占比为17%），转型挑战与机遇并存。过去，谁控制油气资源，谁就锁住能源安全“命脉”；未来，谁控制新能源技术，谁就掌控能源安全“命根”。
全球能源发展环境发生了深刻变化，主要表现为“四期叠加”，国际格局动荡变革期、极端气候灾害频发期、能源行业低碳转型期和新一轮科技革命爆发期。能源转型与能源安全同等重要，能源转型具有长期性、曲折性、艰巨性，能源安全具有科学性、灵活性、储备性。本文基于能源安全性、经济性和清洁性的化石能源“不可能三角”矛盾，提出了能源转型革命“四轮驱动”：技术创新+双碳目标的前轮牵引，能源经济+能源安全的后轮驱动。能源转型加快化石能源“清洁化”、新能源“规模化”、集中分散“协同化”、多能管理“智慧化”的“四化发展”。能源安全突出能源创新和能源革命，能源创新围绕“煤炭清洁化工程、稳油和增气工程、新能源提速工程、绿色与智慧工程”的“四大科创工程”，能源革命坚持能源生产的“独立性”、能源供给的“绿色性”、能源储备的“安全性”、能源消费的“高效性”、能源管理的“智慧性”、能源成本的“经济性”的“六性原则”。加快规划建设“绿色+智慧能源体系”的新型能源体系，由高碳基能源向低碳基能源和零碳基能源发展，建设以新能源为主、新电力为主、新储能为主、新智能为主的“四新为主”新型能源体系，为人类绿色生活、绿色地球建设，提供绿色动能。
中国2020年提出“双碳”目标，要求加快促进生态文明建设，保障能源安全高效，推动经济转型升级，引领应对气候变化。当前，中国能源消费总体进入中低速增长阶段[11]，从2000—2005年的年均增长12.2%降至2015—2020年的2.8%，预计2035年前后进入峰值平台期，约43.3×108 t标准油（61.8×108 t标准煤），而后基本稳定，消费结构将由“一煤独大”转向“多元并存、多能互补”，可再生能源占比将稳步增长。
中国油气企业面临保供和低碳化转型的双重压力，坚持“先立后破”的能源转型方针，在“碳中和”前相当长的一段时间里，中国能源转型必须坚持“油气与新能源融合发展”[14-15]。传统含油气盆地正向新型碳中和“超级能源盆地”升级，以同时满足规模化能源供给和低碳减排要求。在国内选择具备建成世界级能源生产与碳中和示范大基地条件的传统含油气盆地，率先建设新型碳中和“超级能源盆地”，对践行“油气与新能源融合发展”有较强的示范效应，对于国家和地方能源转型以及相关能源企业转型发展有重大战略意义。
本文从能源生产系统与碳中和系统科学融合的视角，提出“超级能源系统”、碳中和“超级能源系统”概念，剖析传统超级含油气盆地和新型超级能源盆地特点，揭示超级能源盆地未来绿色协同发展方向和趋势。分析鄂尔多斯盆地煤炭、石油、天然气、风能、太阳能、地热能、伴生资源等资源优势，研究盆地CO2捕集、利用与封存（CCUS）及CO2捕集与封存（CCS）的现状与潜力，探讨碳中和“超级能源盆地”的建设路径与开发模式，以期为含油气盆地能源生产与碳中和目标的实现提供科学指导与技术支撑。

1 碳中和“超级能源系统”的内涵

能源属性具有“三性”特征，煤炭资源的有限性与高碳性、油气资源的短缺性与稀缺性、新能源的无限性与绿色性。“超级能源系统”涵盖了一次能源、二次能源和三次能源（见图1），是以一次能源的地下能源和地上能源、二次能源的过程性能源和含能体能源、三次能源的数字世界能源和终极能源等多种能源组成的系统。并且在人类进步与能源发展过程中，产生以及即将产生诸多的能源工业，一次能源的地下能源产生了煤炭工业、石油工业、天然气工业、地热工业，一次能源的地上能源产生了新能源工业，二次能源产生了煤电工业、绿电工业、绿氢工业，三次能源将产生数字世界工业、人造太阳能工业。碳中和系统是指一个组织、团体或个人，在一段时期内CO2的排放量，通过森林碳汇、人工转化、地质封存等技术，实现以CO2、CH4等为主的温室气体“净零排放”[6,16]。
图1 超级能源系统及能源工业变革框架图
能源形成演化与人类创新活动密不可分，自地球形成以来，能源利用形式经历了原始阶段的光能和热能，工业革命阶段的热能和机械能，科技革命阶段的微波能和电能，以及未来终极能源阶段的可控核聚变（人造“小太阳”），实现能源从太阳中来，到“太阳”中去[15]（见图2）。能源生产与利用由碳基一次能源向清洁零碳三次能源发展的“超级能源系统”，其“能量回归”形式与“碳中和”发展异曲同工。
图2 能源生产形式与能源利用形式演化模式图[15]
基于对“超级能源系统”与碳中和系统的理解，以某超级盆地为单元，分析地下煤炭、石油、天然气、地热及多种伴生能源，地上风能、太阳能、水能、电力、氢气等多种能源融合协同开发利用的区域性智慧用能系统，并以碳循环为主线，以化石能源和新能源利用与CCUS/CCS绿色、协同、可持续发展为目标，提出了碳中和“超级能源系统”。
碳中和“超级能源系统”是指达到界定资源量规模的地下煤炭、石油、天然气、地热、伴生矿产与地上风能、光能高度耦合，化石能源与新能源融合协同开发利用的区域性智慧用能系统，区域系统内以碳循环为主线，能源生产利用、CO2利用与封存达到“净零排放”，实现能源安全供给、碳排放与碳吸收之间的动态平衡。

2 碳中和“超级能源盆地”的内涵

2.1 传统超级含油气盆地

传统超级含油气盆地普遍定义为多套油气层叠置、原始油气可采储量规模超过13.6×108 t（100×108 bbl）油当量、剩余可采储量超过6.8×108 t（50×108 bbl）油当量，基础设施相对完备的盆地。目前，全球共有超级含油气盆地44个，其石油和天然气产量占全球总产量90%以上。其中，油气储量规模在136×108 t（1 000×108 bbl）油当量以上的超级含油气盆地10个[17-18]，约占全球油气总储量的3/4。
中国油气储/产量主要来自松辽、四川、鄂尔多斯等大盆地。其中，松辽、渤海湾、鄂尔多斯3大盆地石油探明储量占全国77%、原油产量占全国70%；鄂尔多斯、四川、塔里木、松辽4大盆地天然气探明储量占全国93%，鄂尔多斯、塔里木、四川3大盆地天然气产量占全国81%。

2.2 新型碳中和“超级能源盆地”

未来超级能源盆地将拥有丰富油气资源、可获得低成本新能源、具备规模化碳捕集和封存（CCS）能力[19-20]。伍德麦肯兹咨询公司[18]根据清洁能源的可用性和CCS潜力将超级盆地划分为具有强大的可再生能源和CCS潜力的顶级超级能源盆地､具有良好的可再生能源或CCS潜力的可能超级能源盆地，以及缺乏强大可再生能源和CCS潜力的处于不利地位的超级盆地。中国的鄂尔多斯盆地属于顶级超级能源盆地。
新型碳中和“超级能源盆地”，应具备化石能源储量规模和生产能力大、新能源规模化生产与利用成本低、储气库储能库规模和数量多、规模化碳捕集和地下储存能力强、基础设施和管网系统相对完备等特点。基于此，将碳中和“超级能源盆地”定义为发育纵向多套叠置的油气储层和咸水层，原始石油地质储量规模超100×108 t、剩余地质储量超50×108 t，原始天然气地质储量规模超10×1012 m3、剩余地质储量超5×1012 m3，年产油当量超5 000×104 t，原始煤炭资源量超1×1012 t、年产煤炭能力超10×108 t，太阳光年辐照总量超4 000 MJ/m2、年有效利用时间超1 200 h，风功率密度超150 W/m2、年利用时间超2 000 h，CCUS/CCS源汇匹配俱佳、CO2封存潜力超100×108 t，地热资源量折合标准煤超100×108 t，管网体系发达、日供气量超1×108 m3，储备系统初具规模、有效库容超100×108 m3的盆地。

3 鄂尔多斯盆地建设碳中和“超级能源系统”有利条件

鄂尔多斯盆地化石能源和新能源资源丰富，区位优势明显，CO2源汇匹配优势显著，目前最具建成世界级多种能源生产与碳中和示范大基地的基础条件。

3.1 区位优势明显

以秦岭、吕梁山、阴山为界的鄂尔多斯盆地，横跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、山西5省区，面积37×104 km2 [21]，位于中国内陆腹地和陆上丝绸之路经济带主干道，坐落于黄河“几”字湾里[22]，是落实国家黄河流域综合规划的主阵地。“十四五”规划明确将重点发展九大清洁能源基地、四大海上风电基地，包括黄河“几”字湾清洁能源基地[23]。盆地内能源通道密集，西气东输、陕京等15条能源主干线在此交会，具备建成中国陆上天然气管网中心和“一带一路”能源合作枢纽的条件。在资源优势、区位优势、政策优势的扶持下，鄂尔多斯盆地有望率先建成中国碳中和“超级能源系统”示范盆地。

3.2 资源基础雄厚

鄂尔多斯盆地化石资源全国居前，新能源资源较好，是全国最大能源生产基地。盆地内大型能源生产企业集聚，“三桶半油”——中国石油天然气集团有限公司（简称“中国石油”）、中国石油化工集团有限公司（简称“中国石化”）、中国海洋石油集团有限公司、陕西延长石油（集团）有限责任公司和年产1×108 t以上的“五大煤”——国家能源投资集团有限责任公司（简称“国家能源集团”）、中国中煤能源集团有限公司（简称“中国中煤”）、晋能控股集团有限公司、陕西煤业化工集团有限责任公司、山西焦煤集团有限责任公司，均在盆地内从事能源生产。
煤炭、石油、天然气等矿产资源丰富。埋深2 000 m以浅煤炭资源量约2×1012 t，占全国35.5%。截至2022年底，盆地已累计探明石油地质储量81.6×108 t、天然气地质储量6.86×1012 m3 [21]，分别占到全国的19%和32%。风光资源丰富。平均风功率密度154~420 W/m2，年累计利用时间3 000 h以上[11]；太阳光年辐照总量在4 500~5 600 MJ/m2，年有效利用时间1 400~1 600 h[11]。
CCUS/CCS源汇匹配俱佳，高浓度碳源和地质埋存碳汇利用吻合度高。盆地内煤化工产业集中，高浓度碳源量大质优，现阶段可捕集量约1×108 t/a，具备建成规模CCUS/CCS产业的潜力[24]。盆地内低渗—致密油层、深部不可采煤层、深部咸水层、枯竭油气藏的CO2有效封存潜力达150×108 t以上[6]。
地热资源相对丰富，属于中低温盆地，大地热流值一般在56~70 mW/m2，大部分区域地温梯度在2.5~3.0 ℃/100 m[25⇓⇓-28]。刘润川等[25]认为盆地内部分层位水热型地热资源量折合标准煤249.4×108 t，王贵玲等[26]认为盆地地热资源量折合标准煤503.0×108 t，蔺文静等[27]认为盆地部分层位储集热能折合标准煤870.8×108 t。
铀矿、氦气等多种伴生资源也较丰富，具备实施多能协同开发的自然资源条件。砂岩型铀矿储层主要为侏罗系直罗组和白垩系环河组，具有埋深浅、砂泥互层、地下水活跃等有利条件，预测铀资源总量达50×104 t以上[29]，勘探前景良好。氦气在庆阳、苏里格、宜川、子洲米脂、榆林等气田均有发现[30]，各气田氦气含量在0.03%~0.14%，高氦气含量区域主要分布于盆地西缘和南缘[31]。

3.3 国家鼓励油气勘探开发与新能源融合发展

国家能源局要求加强油气勘探开发与新能源融合发展，大力推进新能源和低碳负碳产业发展，油气上游领域与新能源新产业融合、多能互补的发展新格局，持续推动能源生产供应结构转型升级，深入贯彻落实关于“加大油气资源勘探开发和增储上产力度”和“推动能源清洁低碳高效利用”等决策部署。国家发展和改革委员会和国家能源局明确支持油气企业探索推进风光气储氢一体化示范项目建设，鼓励油气企业充分发挥油气田能源资源丰富、开发利用条件好的优势，就近开发、就地消纳新能源。

3.4 中国石油发展新能源具有“4大优势”

中国石油矿权面积近100×104 km2，发展新能源具有丰富风光热资源与油气区高度重合、天然气资源能支撑调峰气电、上下游产业链业务清洁能源消纳市场巨大、油气田可变“电田、热田、氢田、碳田、储能田”等4大优势。
中国石油大多油气区风光热资源丰富，光伏有效利用时间在1 400 h以上，最高风功率密度大于300 W/m2 [11]，水热型地热资源量折合1.1×1012 t标准煤，年可采16×108 t标准煤[32]。天然气资源能支撑一定规模调峰气电，中国石油2022年天然气产量达到1 455× 108 m3，调峰气电可支撑1×108 kW风光大基地项目。中国石油能源消耗较大，上下游产业链业务市场消纳巨大，2022年终端用能以用电和用热为主，上下游全产业链业务提升电气化率，预计到2025年用电量为1 000×108 kW·h左右。中国石油的大量油气田可改作“电田、热田、氢田、碳田、储能田”，为绿色低碳转型发展提供重要的基础保障。

3.5 中国石油具备牵头建设碳中和“超级能源盆地”的基础和需求

鄂尔多斯盆地共登记矿权165个，面积22.1×104 km2。其中中国石油登记矿权100个，面积17.0×104 km2，拥有超过盆地3/4的矿权。中国石油正大力推进油气与新能源协同发展，拥有地下勘探开发资料和技术优势，具备发展CCUS/CCS产业领军企业基础。
中国石油具有牵头碳中和“超级能源盆地”建设的需求。随着勘探程度的提高，油气资源品位劣质化加剧[21,33]，地质对象转向致密、深层、盆地周边及外围成藏条件复杂区域，油气藏“低、深、难、小、散”特点更加突出，层位下移、品位更低、风险更大[33]，高效勘探难度越来越大，规模增储目标不明确，效益开发难度日渐增大。新能源发展面临指标获取困难，CCUS/CCS廉价碳源缺乏、跨省碳源调配不畅等挑战。中国石油可借助大基地建设，从政策支持、配套技术等多方面推动业务高质量发展。

4 鄂尔多斯盆地建设碳中和“超级能源盆地”的战略构想

传统含油气盆地是全球油气供应的主体，在碳中和与绿色发展的大势下，传统含油气盆地也是能源转型发展的主战场，必须向拥有丰富油气资源、可获得低成本新能源、具备规模化碳捕集和封存能力的新型碳中和“超级能源盆地”升级转型。美国墨西哥湾、欧洲北海油田等一些地区或机构正在实施或已在规划相关碳中和区域的建设。走好能源碳中和之路，率先将鄂尔多斯盆地建设为碳中和“超级能源盆地”，对国家、地方政府和相关能源企业都具有重大战略意义和较强示范效应。

4.1 碳中和“超级能源盆地”的示范意义

4.1.1 进一步夯实化石能源生产保供能力

鄂尔多斯盆地已建成国家级煤化工示范工程，在煤炭生产保障国家能源安全方面不可或缺。2022年，盆地原煤总产量15.6×108 t，约占全国的34.2%，其中国家能源集团来自鄂尔多斯盆地原煤产量超3×108 t（总产量6×108 t[34]），陕西煤业化工集团有限责任公司产量1.57×108 t[35]。在煤化工产业方面，国家能源集团现有33个煤化工项目，4个国家级示范工程，产能规模位居世界第1，中国中煤已建成榆林年产60×104 t煤制烯烃、图克年产100×104 t合成氨和175×104 t尿素等煤化工项目，2023年底总产能1 000×104 t以上[36]。
在国内传统能源盆地中，中国油气产量主要来自鄂尔多斯、松辽、四川等大盆地。2022年，鄂尔多斯盆地生产原油3 763×104 t、天然气694×108 m3，油当量9 290×104 t（见图3），占中国2022年原油产量（2.05×108 t）、天然气产量（2 178×108 m3）的比例分别为18%和32%。根据各大盆地近40年来已探明技术可采油气储量，结合各大盆地资源潜力分析，初步预测2050年前的一段时期内，鄂尔多斯盆地每年石油和天然气探明技术可采储量占几大主要产油气盆地的比例分别为27%~39%和22%~42%，平均分别约31%和26%（见图4），在国内油气供给中处于重要地位。进一步夯实鄂尔多斯盆地油气生产能力，有助于提升油气净贡献率和综合能源供应能力，保障国家能源安全。
图3 2022年中国陆上主要含油气盆地油气产量汇总图
图4 石油及天然气探明技术可采储量潜力预测图

4.1.2 通过CCUS/CCS助力“双碳”目标实现

中国行业碳排放量中，能源活动、工业过程、农业及其他占比分别为85.5%，15.4%，-0.9%。碳排放来自于化石能源燃烧的能源活动中，发电、钢铁、建材、交通和其他行业碳排放占比分别为44%，19%，14%，14%，9%；碳排放来自于CaCO3分解等的工业过程中，水泥石灰、钢铁化工和其他行业碳排放占比分别为53%，31%，16%[37]。中国一次能源生产过程碳排放结构中，化石能源产生CO2排放量占总排放量的83.6%（见表1）[37]，能源低碳化零碳化是实现“双碳”目标的重要环节。
表1 中国一次能源生产过程碳排放结构表[37]
能源类型 占碳排放总量的比例/% 碳排放结构
能源 占比/%
化石能源 83.6 煤炭 56.7
石油 18.9
天然气 8.0
非化石能源 16.4 水电 9.1
风电 3.1
核电 2.4
光伏 1.8
实施CCUS项目注入2~3 t CO2可多采出1 t原油[6]，可实现碳封存与提高原油采收率双重效益。截至2022年底，中国累计注CO2超760×104 t，埋存率50%~80%。中国石油已累计注CO2 563×104 t，占全国的74%；中国石化已累计注CO2 182×104 t。
如果不采取减碳措施，依据温室气体排放核算方法进行统计和核算，预测鄂尔多斯盆地年碳排放总量为10 069.47×104 t[38]（见表2）。初步估算，鄂尔多斯盆地低渗—致密油层、深部不可采煤层、深部咸水层、枯竭油气藏的CO2封存潜力超150×108 t。高浓度碳源量大质优，现阶段可捕集量约1×108 t/a，具备建成规模CCUS/CCS产业潜力，是盆地内化石能源生产碳减排的重要途径。外部机构预测到2060年，中国约有20×108 t必要的CO2排放，需要通过林业碳汇和地下埋存消除，CCUS/CCS将成为实现碳中和的“兜底”技术[39]。鄂尔多斯盆地的CCUS/CCS产业发展实践将助力“双碳”目标实现[24,40]。
表2 鄂尔多斯盆地主要能源生产相关碳排放测算
项目 产量/104 t 排放因子 碳排放量/104 t
石油 3 763 0.172 800 650.25
天然气 694 1.144 300 794.14
煤炭 155 900 0.007 794 1 215.08
煤化工 6 917.00
石化 493.00
合计 10 069.47

注：煤炭排放因子仅考虑开采用能过程CO2排放量；煤化工项目主要包括宁东、榆横、榆神工业园，数据来源于长庆油田CCUS油田规划材料[38]；中国石油长庆石化公司、中国石油庆阳石化公司、中国石油宁夏石化公司共排放493×104 t

4.1.3 推动现代能源产业体系建立

推进能源科技自立自强，突破能源清洁开发利用技术，以新能源及负碳的“自用”推动化石能源产业绿色发展，以新能源及负碳的“他用”以及化石能源深加工推动油气、煤炭生产向综合能源开发利用和新材料制造基地转型发展，形成传统化石能源与新能源新产业融合、多能互补的发展新格局，持续优化能源供应结构，逐步构建清洁高效能源供应体系。
鄂尔多斯盆地多种能源协同生产和减排两方面的实践可以作为示范，为其他传统含油气能源盆地转型升级提供经验参考。

4.1.4 推进地区绿色可持续发展

黄河流域被誉为中国的“能源流域”，鄂尔多斯盆地是黄河流域能源富集区，其生态环境极其脆弱[41-42]。由于水土资源不合理开发利用，生态环境趋于恶化，是中国水土流失和荒漠化最为严重的地区之一。
探索建立现代能源产业体系，将以能源发展为纽带，实现企业与地方政府共建能源项目、共享发展成果，带动省区之间、城乡之间的协调发展。通过能源产业的集群式发展，以及大力发展绿色低碳负碳产业，强化“在发展中保护”与“在保护中发展”的理念，实现生态环境保护和能源产业发展同频同步，产生较强的正外部性，并可通过能源外输实现更大的绿色经济效益，助力该地区乃至其他地区绿色可持续发展。
初步预测，2050年鄂尔多斯盆地煤炭、油气、新能源、负碳等能源相关产业年产值将达数万亿元，同时拉动投资和社会就业，更好服务地方经济发展和民生改善。

4.2 战略构想的建设思路和目标

在鄂尔多斯盆地聚焦煤炭清洁开发、油气高效开发、伴生资源有效开发、风光气热氢储一体化大基地建设、智能微网与虚拟电厂利用、智慧能源调控、CCUS/CCS等核心领域，多能互补，绿色发展，促进源网荷储的综合利用，持续优化能源生产结构，提高清洁能源供给能力和综合能源服务能力，保障国家能源安全。立足能源资源、区位、政策等优势，统筹各省区、各企业，整体规划、分步推进能源开发，加强能源开发与社会发展协同，做好能源清洁开发的同时，围绕产业链部署创新链、依靠创新链提升价值链，拉动地方经济发展，更多惠及当地人民群众。
发挥盆地区域位置与能源资源优势，以碳中和“超级能源盆地”建设为统领，以10×108 t级煤炭清洁生产利用工程、1×108 t级石油天然气绿色生产工程、1× 108 kW级风电光伏开发利用工程、1×108 t级CCUS/CCS产业化示范工程、能源战略储备和调节枢纽建设工程“五大工程”建设为抓手，强化顶层设计、科技支撑与政策扶持，统筹规划、加快推进，力争用10年左右时间将鄂尔多斯盆地建设成为中国最大能源供应基地、陆上最大油气生产基地、陆上最大CO2埋存基地、重大清洁电力生产基地等战略高地，打造中国能源资源清洁低碳开发利用先行示范区、国家能源安全保障区、西部大开发战略新高地和碳中和示范区，为中国能源转型发展提供坚强保障[43]。
按照构想，2050年鄂尔多斯碳中和“超级能源盆地”建成时，能源供应总量持续保持在年产折合10×108 t标准煤以上（见表3），占全国能源消费总量的1/5，实现盆地可持续发展，保障国家能源安全。CO2埋存总量达到1×108 t以上（见表3），占全国埋存总量近1/5，助力双碳目标的实现。
表3 鄂尔多斯超级盆地碳中和示范区建设目标初步预测汇总表
年份 能源生产总量 CCUS/CCS 储运系统
煤炭产量/
108 t		 原油产量/
104 t		 天然气产量/
108 m3		 新能源装机量/
104 kW		 新能源发电能力/
(108 kW·h)		 合计标准煤/
108 t		 CCUS注入量/
104 t		 CCS注入量/
104 t		 合计/
104 t		 储气库有效
工作气量/108 m3
2021 14 3 709 633 11.7 320 320 30
2025 13 3 981 682 3 000 540 11.3 320 320 30
2030 11 4 000 800 10 000 1 800 10.4 1 000 100 1 100 50
2035 9 3 500 1 000 30 000 5 400 10.2 3 000 2 000 5 000 80
2050 7 3 000 1 000 60 000 10 800 10.1 5 000 5 000 10 000 200

4.3 “五大工程”战略布局

围绕能源供应、CO2利用与埋存、储运调节等关键领域，分近期和远期两个层次部署“五大工程”，落实到具体项目，重点项目应形成集群效应，契合地方政府对本区能源产业的定位和规划。

4.3.1 10×108 t级煤炭清洁生产利用工程

鄂尔多斯盆地北部、西部、陕北、黄陇、东缘及渭北6个含煤区面积14.7×104 km2，埋深2 000 m以浅煤炭资源占全国的1/3，是中国最大煤炭生产基地，2022年煤炭产量15.59×108 t，占全国的34.2%（见图5）。
图5 鄂尔多斯盆地主要城市原煤产量图（据各城市统计局）
在未来建设中，突出清洁高效发展，按照两个阶段部署。2035年前，加大绿色智能矿山建设，优化提质建设10×108 t以上煤炭清洁高效生产基地。同时，重点发展大型先进煤制清洁油品/特种油品、煤制差异化高端化聚烯烃、低阶煤分质利用等项目，打造现代煤化工产业示范区。2035年后，按照“减产量不减能力”原则，维持10×108 t级煤炭生产能力，根据全国能源转型发展节奏，有序控减实际产量规模，同时重点打造特色煤化工产业。

4.3.2 1×108 t级石油天然气绿色生产工程

鄂尔多斯盆地石油地质资源量201×108 t，占全国的16.2%。天然气类型多、含气层系多，总地质资源量33.6×1012 m3，占全国的15%。石油和天然气总技术可采资源量分别约为32×108 t和12.9×1012 m3，分别占中国石油和天然气可采资源总量的13.4%和17.7% [11]。鄂尔多斯盆地自2012年起已连续11年原油产量超3 500×104 t（见图6），天然气产量超300×108 m3（见图7），是中国陆上最大油气生产基地。未来建设突出稳油增气，按照传统油气和新型油气两个领域部署。
图6 鄂尔多斯盆地历年原油产量图
图7 鄂尔多斯盆地历年天然气产量图
传统油气领域坚持常规与非常规并举、油气并重，深化重点层系精细勘探，加强新区新领域风险勘探，着力获取规模优质储量。抓好老油气田精细描述、精细注采、措施增产等控减挖潜工作，提高低渗—致密油气、页岩油气采收率，力争2030年建成1×108 t级油气生产基地。“十四五”期间重点实施庆城页岩油500× 104 t上产工程、苏里格致密气300×108 m3稳产工程、鄂东缘深层煤岩气25×108 m3上产工程等重点工程。
新型油气领域着重加大中低熟页岩油原位加热转化开发、富油煤开发利用、中深层煤炭原位加热地下气化等3种战略性接替资源开发利用技术攻关，加快先导试验示范区建设，力争用10年左右突破技术关、产量关、环保关、效益关，对传统油气领域产量形成有效接替，进一步巩固提升1×108 t级油气生产基地。加快推动地下页岩+煤岩原位加热，熟化转化成油+气，力争实现油气“两个革命”。中国陆相页岩油革命是地下原位加热页岩使有机质转化、重油轻质化，生成油和气，基于此技术模拟实验结果评估全球页岩油资源1.4×1012 t，中国技术可采资源量（700~900）×108 t，其中鄂尔多斯盆地页岩油原位转化技术可采资源量约（400~450）×108 t，天然气技术可采资源量约（30~35）×1012 m3 [44]。中国煤岩革命是将地层中煤炭原位燃烧产生甲烷、氢气等资源，全球煤炭气化地质资源量为（5~6）×1016 m3，中国为（272~332）×1012 m3 [45]，该技术融合性强，可作为“油、气、热、电、氢”产业链的枢纽，同时中国石油具备完善的勘探、开发、工程、地面配套等技术优势。

4.3.3 1×108 kW级风电光伏开发利用工程

目前电力企业积极在鄂尔多斯盆地内布局新能源业务，据不完全统计，中国华能集团有限公司、中国长江三峡集团有限公司、国家能源集团等单位在建新能源项目装机量3 700×104 kW。
未来建设坚持集中式与分布式并举进行部署。结合国家发展和改革委员会、国家能源局规划布局，利用鄂尔多斯盆地丰富的风光资源，加快1 000×104 kW级大型风电光伏基地建设，力争2030年前新增风电光伏装机1×108 kW以上。充分发挥油气企业生产设施分布范围广的优势，因地制宜，积极推进分布式风电光伏基地建设。以气、氢为纽带，积极推进“风光气储氢”一体化项目建设，同时加强电力基础设施建设，增加可再生能源消纳能力，扩大电力外送规模。

4.3.4 1×108 t级CCUS/CCS产业化示范工程

鄂尔多斯盆地目前已建在建碳源地高浓度CO2年排放量超1×108 t。其中长庆油田内部碳源72.7×104 t，中国石油炼厂碳源493×104 t，外部碳源9 457×104 t，已捕集85×104 t/a。分省区已建在建碳源地CO2排放量分别为陕西3 797×104 t/a，宁夏4 337×104 t/a，甘肃1 840×104 t/a，内蒙古48.7×104 t/a。
鄂尔多斯盆地可埋存CO2超过150×108 t。长庆油田陇东地区和姬塬地区多个油田有194个区块可开展CCUS，覆盖石油地质储量19.6×108 t，产量900×104 t。按提高采收率20%计算，可增加可采储量3.92×108 t，埋存CO2达12.5×108 t，潜力巨大。鄂尔多斯盆地28个油田78个层段咸水层理论埋存量为659.58×108 t，有效埋存量为13.92×108 t。
未来建设坚持利用与封存并举，按照“三步走”部署。“十四五”期间，突出100×104 t级示范带动，在陕西、甘肃、宁夏3省区建成若干个100×104 t级CCUS工业化应用示范项目，年注CO2能力500×104 t以上，辐射带动盆地CCUS产业，开展CCS攻关试验。2026—2035年，突出1 000×104 t级示范带动，加快CCUS/CCS规模化应用，CCUS年注CO2能力3 000×104 t以上，CCS年注入CO2能力2 000×104 t左右。2036—2050年，突出1×108 t级示范带动，建成年注CO2能力5 000×104 t左右CCUS工业化应用基地，并以废弃油藏为主，建成5 000×104 t左右CCS工业化应用基地。

4.3.5 能源战略储备和调节枢纽建设工程

鄂尔多斯盆地管网体系十分发达，已建成中国陆上天然气管网中心和“一带一路”能源合作枢纽，西气东输、陕京等15条能源主干线在此交会，周边零散天然气及LNG（液化天然气）供气管线44条，气田外输管线夏冬季输气量达到1×108 m3/d。
储备系统初具规模，长庆油田共有储气库4座，其中在役库2座、在建正式库1座、在建试验库1座，有效库容175.3×108 m3。未来重点加强战略储备、应急和平衡调配能力建设。
统筹战略储备与应急保障，建设煤炭与石油两类资源战略储备。建设“10×108 t级”煤炭生产能力储备，优化储煤基地布局，加大储备设施建设，国家战略储备和商业储备相结合，增强应急可调度煤炭储备能力。建设“10×108 t级”石油资源储量战略储备，鄂尔多斯盆地油藏埋藏浅，钻井周期短，水平井初期产量高，可在短期内快速形成较高产能，建议对部分资源“探而不采、建而不产”，留作应急战略储备。
统筹平抑峰谷与应急调峰，完善储气库、油气主干管网和特高压外输电网。建设“100×108 m3级”储气库群，盆地目前有储气库4座（含在建2座），加强在苏里格东区、榆林等地新库选址和建设，力争工作气量尽快突破100×108 m3。完善油气输配骨干管网，在陕京、西气东输基础上完善管网输配油气布局。完善沙戈荒大基地至京津冀、华中、华南特高压外输电网通道。建设能源调配体系，基于电解水制氢和掺氢燃机发电，打通“电-氢-气”网间物理隔离，重构跨能源品种平衡调配和应急供应能力。

4.4 碳中和“超级能源盆地”勘探开发理念与模式

碳中和“超级能源盆地”兼顾能源生产和碳中和，拥有丰富的油气资源、可获得低成本新能源、具备规模化CO2封存能力，提供煤炭、石油、天然气等化石能源和风电、光电、地热等清洁能源，充分利用地下空间开展CO2利用和埋存。
超级盆地具备较完善的油气基础设施，涵盖油气、风光、地热等多种能源资源，在自然条件合适的情况下，就近生产清洁、可再生能源为油气田生产供能，增加清洁能源供给，实施绿色协同转型发展，是传统超级盆地脱碳的有效解决方案。
未来能源系统的发展可概括为“两新三行动”。“两新”为新型能源体系和新型油气资源，新型能源体系强调“洁煤、稳油、增气、强新”，加快“化石能源与新能源融合发展、绿色低碳转型发展”两个发展；新型油气资源聚焦中低熟页岩油、富油煤、煤炭气化的人造油气藏。“三大行动”为面向2035年稳油增气提升行动、页岩煤岩油气革命行动、天然气支撑新能源行动。
基于此，从理念上形成一个碳中和“超级能源盆地”的概念，这是中国式“煤炭+石油+天然气+新能源+CCUS/CCS”融合发展模式，具有全球性意义。未来蓝图中，打造世界级碳中和“超级能源盆地”是一个具有代表性的方向与模式，强调新型能源体系是以“新能源、新电力、新储能、新智能”的“四新”为技术主导的绿色智慧能源体系。而以鄂尔多斯等盆地为代表的碳中和“超级能源盆地”理念与模式（见图8），伴随地下煤炭、石油、天然气、地热、伴生矿产与地上风能、光能融合协同开发利用，盆地区域内能源生产利用、CO2利用与封存达到“净零排放”，盆地区域系统内基本实现碳中和，将在中国率先建成世界级碳中和“超级能源系统”示范盆地，将重塑未来“超级能源系统”、碳中和“超级能源系统”发展理念与模式，对全球“碳中和”下能源革命具有重大意义。
图8 碳中和“超级能源盆地”能源利用示意图[11]
实施五大战略工程后，预计2050年前后鄂尔多斯盆地能源相关业务基本实现碳中和。2050年，盆地能源相关碳排放量预计为（9 500~12 800）×104 t，主要为化工、煤炭生产、石油生产和天然气生产的碳排放，占比分别约为44%，32%，13%，6%。其中，能源生产过程排碳方面：煤炭产量7×108 t，生产过程碳排放量为（3 000~3 800）×104 t[46]；原油产量3 000×104 t、天然气产量1 000×108 m3，生产过程碳排放（1 000~1 200）× 104 t[47-48]；储气库注采及CCUS/CCS注入主要能耗是压缩机电耗，碳排放（400~600）×104 t；新能源生产过程碳排放（100~200）×104 t。能源利用过程排碳方面：煤电/煤化工/石油化工等碳排放预计为（5 000~7 000）×104 t。2050年，预计盆地实施CCUS和CCS各5 000×104 t，碳封存共10 000×104 t，基本实现碳中和。

4.5 面临问题与对策建议

在构建鄂尔多斯碳中和“超级能源盆地”五大工程的准备工作中，面临不少问题：传统化石能源未来发展空间和发展目标存在不确定性；多能协同开发仍存在技术困难；需要增加投入，但效益建产难度大，新能源开发效益尚不乐观；国内在深层煤炭地下气化开发、CO2跨省运输利用等方面存在政策空白；示范区建设横跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、山西5省区，涉及煤炭、化工、油气及管网、电力及电网等能源相关行业及上下游众多企业，省区之间、行业之间、企业之间组织协调难度大。
在政府层面，建议力推上升到国家战略，由国家统筹制定推进“鄂尔多斯碳中和超级能源盆地建设整体规划和实施方案”；推动国家部委牵头组织、建设单位共同研究编制建设方案；加强五省区区域协同，成立省区和行业组长单位，建立“横向到边、纵向到底”协调机制。
在行业组织层面，建议成立“能源金三角联盟”，选定拥有足够实力的建设牵头单位，对接地方政府、园区的发展规划、产业政策；成立“鄂尔多斯盆地能源交易和碳交易中心”，依靠市场化手段提高能源生产和碳减排效益；设立能源金三角论坛，加强工程进展的跟踪和动态分析；组建开放式的“鄂尔多斯碳中和超级能源盆地技术创新中心”，对盆地能源清洁开发、新能源规模开发、负碳产业发展提供技术支撑，加快推进新技术重大现场试验和推广应用。

5 结论

“超级能源系统”指达到界定资源量规模的地下煤炭、石油、天然气、地热、伴生矿产与地上风能、光能高度耦合，化石能源与新能源融合协同开发利用的区域性智慧用能系统。碳中和“超级能源系统”指区域系统内以碳循环为主线，能源生产利用、CO2利用与封存达到“净零排放”，实现能源安全供给、碳排放与碳吸收之间动态平衡的系统。碳中和“超级能源系统”可应用于超级含油气盆地等特定区域内的动态系统平衡研究。
鄂尔多斯盆地坐落于黄河“几”字湾里，横跨陕西、甘肃、宁夏、内蒙古、山西5省区，区位优势明显，煤炭、石油、天然气、多种伴生资源等化石能源和地热、风光等新能源资源丰富，高浓度碳源和地质埋存碳汇利用吻合度高，CO2源汇匹配优势显著，具备建成世界级能源生产与碳中和示范大基地的资源基础和有利条件。
鉴于鄂尔多斯盆地拥有丰富油气资源、可获得低成本新能源、具备规模化碳捕集和封存能力等优势，提出了构建鄂尔多斯新型碳中和“超级能源盆地”的战略构想：以10×108 t级煤炭清洁生产利用工程、1×108 t级石油天然气绿色生产工程、1×108 kW级风电光伏开发利用工程、1×108 t级CCUS/CCS产业化示范工程、能源战略储备和调节枢纽建设工程“五大工程”建设为抓手，建成鄂尔多斯碳中和“超级能源盆地”，打造中国能源资源清洁低碳开发利用先行示范区。
构建了新型能源体系、新型油气资源与面向2035年三大行动的未来能源系统，新型能源体系强调“洁煤、稳油、增气、强新”，加快“化石能源与新能源融合发展、绿色低碳转型发展”两个发展；新型油气资源聚焦中低熟页岩油、富油煤、煤炭气化的人造油气藏；三大行动为稳油增气提升行动、页岩煤岩油气革命行动、天然气支撑新能源行动。
兼顾能源生产与碳中和的碳中和“超级能源盆地”是未来代表性的发展方向。以鄂尔多斯盆地为代表的“煤炭+石油+天然气+新能源+CCUS/CCS”融合发展理念与模式下，伴随地下煤炭、石油、天然气、地热、伴生矿产与地上风能、光能融合协同开发利用，盆地区域内能源生产利用、CO2利用与封存达到“净零排放”，盆地区域系统内基本实现碳中和，将在中国率先建成世界级碳中和“超级能源系统”示范盆地，将重塑未来“超级能源系统”、碳中和“超级能源系统”发展理念与模式，对全球“碳中和”下的能源革命具有重大意义。

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