用于碳储存监测风险调整成本分析的概率框架：来自非传统传感技术的启示

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Probabilistic framework for risk-adjusted cost analysis of carbon-storage monitoring: insights from non-traditional sensing technologies

本研究提出一种基于风险的成本评估方法，用于量化碳捕集、利用与封存（CCUS）项目中监测技术的总成本，包括资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和风险成本（RISKEX）。通过敏感性分析发现，风险成本显著受CO?迁移概率（POF）、检测概率（POD）和误报概率（PFP）影响，其中高POF和高误报率会大幅增加总成本。结果表明，新型监测技术（如压力 tomography, PT和 downhole seismic, DS）虽增加初期CAPEX，但通过降低RISKEX可部分抵消成本。当4D地震监测（4DS）频率降低至10年且结合PT/DS时，总成本可比传统方案（4DS-5）更低。研究验证了方法论的有效性，为优化CCUS监测策略提供依据。

　　在全球范围内，随着人类活动导致大气中温室气体浓度的上升，地球保留了更多的热量，使全球平均温度至少上升了1.25°C，从而对社区和生态系统造成了重大影响。工业产生的二氧化碳（CO?）排放加剧了这一问题，因此，各国政府设定了二氧化碳排放目标，以期在2050年前实现净零排放。然而，实现这一目标的过程中，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被广泛认为是关键手段之一。尽管CCUS技术在减少排放方面具有潜力，但其高昂的成本往往阻碍了实际部署。因此，本研究提出了一种基于概率的风险评估方法，以量化CCUS项目中封存失败的潜在成本，以及项目提前终止时可能产生的经济损失。这一方法不仅考虑了传统的封存监测技术，还引入了非传统监测技术（NTMTs）的成本与效益分析，为CCUS项目的经济可行性评估提供了新的视角。

CCUS技术中的“封存”环节涉及将二氧化碳储存在地质构造中，其长期稳定性依赖于多种物理和化学的封存机制。然而，这些机制并非绝对安全，CO?可能会迁移或封存失败，从而带来显著的修复成本、项目或企业信誉的损失，甚至影响CCUS技术的总体目标。为了应对这些潜在问题，碳封存项目通常依赖一系列监测方法，以追踪CO?的位置并采取措施防止其迁移。早期检测和修复比事后处理成本更低，因此，有效的监测技术对于降低风险至关重要。目前常用的监测技术包括4D地震（4DS）、微地震、重力测量、干涉合成孔径雷达（InSAR）、压力计（PG）和温度计（TG）。这些技术在不同项目中被采用，但它们的经济性和可靠性各不相同。

在本研究中，我们引入了非传统监测技术，如井下地震（DS）和压力成像（PT），这些技术在检测CO?迁移方面表现出更高的准确性和更频繁的数据采集能力。DS和PT的优势在于它们能够提供不同的物理信号，从而形成互补的证据链。例如，DS通过检测声阻抗变化来映射CO?的分布，而PT则追踪压力前沿的变化。这种多技术协同监测的模式可以显著降低修复成本，同时提高检测的可靠性。此外，随着技术的部署规模扩大，这些非传统技术的成本有望通过学习曲线进一步降低，这使得它们在长期项目中更具经济吸引力。

为了全面评估这些技术的经济性，本研究构建了一种风险调整的成本分析框架。该框架将确定性成本（如资本支出、运营支出和退役支出）与概率性成本（即基于风险的支出，RISKEX）结合，以计算整个项目生命周期内的总监测成本。RISKEX包括两个部分：直接修复成本（RISKEX_D）和间接机会成本（RISKEX_I）。直接修复成本是指在封存失败时进行修复所需的成本，而间接机会成本则是指如果项目因CO?迁移而提前终止，可能带来的潜在经济损失。通过这一框架，研究者能够更准确地评估不同监测策略的经济性，从而选择最优的监测组合。

在具体实施过程中，研究者考虑了六种不同的迁移结果，涵盖了封存失败和项目提前终止的多种可能性。这些结果被用于计算基于概率的风险成本，并与传统监测技术的成本进行对比。研究还进行了敏感性分析，以探讨关键成本假设和检测参数对监测和封存风险管理成本的主要经济驱动因素。结果表明，尽管引入高精度的非传统监测技术会增加资本支出和运营支出，但这些成本可以通过降低修复成本得到部分抵消。此外，较高的后期检测与早期检测成本比值，以及较低的假阳性概率，能够显著提高实施监测技术的经济可行性。非传统监测技术的引入还可能减少传统封存监测的频率，从而降低总体成本。

为了验证该方法的有效性，研究者将其应用于两个实际的商业规模CO?封存项目，分别是挪威的Northern Lights项目和美国的Illinois Basin–Decatur项目。研究结果与现有文献中的成本估算在±35%的范围内一致，表明该方法具有较高的可靠性。此外，该方法的计算结果还表明，监测成本在2.5至14 AUD/tCO?之间，与文献中报告的范围相符。这说明，该框架不仅适用于澳大利亚，还可以推广到其他地质和监管环境。

研究还探讨了监测频率与成本之间的权衡关系。通过调整4DS的监测周期，研究者发现，当4DS的监测周期增加到6年或以上时，引入非传统监测技术的成本可以被4DS成本的降低所抵消。这一发现表明，通过优化监测策略，可以在不增加总体成本的情况下提高监测的效率。然而，如果监测频率仅在封存结束后增加，这种权衡效应可能不显著，因为前期成本的折现效果更为强烈。因此，合理的监测频率调整对于实现经济性至关重要。

此外，研究还分析了假阳性概率对监测成本的影响。假阳性概率的增加会导致监测成本显著上升，尤其是当假阳性率超过1/10,000时，监测成本可能会超过165%。因此，为了使非传统监测技术具有成本竞争力，假阳性率应尽可能低，理想情况下低于1/100,000。研究还探讨了晚期检测成本乘数对监测成本的影响，发现晚期检测成本的增加会导致监测成本上升，但非传统监测技术由于具有更高的检测概率，其监测成本的上升幅度相对较小。这一结果表明，非传统监测技术在应对晚期检测成本增加时具有更强的经济优势。

在敏感性分析中，研究者还探讨了封存失败概率（POF）对监测成本的影响。POF的增加会导致监测成本显著上升，而POF的减少则会显著降低监测成本。这一趋势表明，封存失败概率高的项目应优先考虑引入高检测概率的非传统监测技术，以降低整体风险成本。同时，研究者发现，非传统监测技术在应对高POF时的经济优势更加明显，因为它们能够更早地检测到封存失败，从而减少修复成本。

综上所述，本研究提出了一种基于概率的风险调整技术经济评估方法，为CCUS项目的监测技术选择提供了新的思路。该方法不仅考虑了传统监测技术的成本，还引入了非传统监测技术的成本效益分析，从而为项目经济可行性评估提供了更全面的视角。通过敏感性分析，研究者揭示了监测成本的主要驱动因素，包括检测概率、封存失败概率和假阳性概率等。这些发现对于制定更经济高效的监测策略具有重要意义，尤其是在封存失败概率较高或晚期检测成本较高的项目中。此外，该方法还展示了其在不同地质和监管环境中的适用性，表明其具有广泛的推广价值。