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全球碳捕捉与封存(CCS)技术现状及应用前景

日期:2021-03-22    来源:氢云链  作者:高华

国际节能环保网

2021
03/22
09:29
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关键词: 碳捕捉 碳封存 碳减排

从全球碳捕捉与封存技术项目最新进展入手,着重从燃煤发电角度分析CCS的技术现状、成本现状、政策发展情况,进一步分析燃煤发电中CCS技术面临的投资成本受争议、政策不明朗、新能源发电成本降低等挑战,尤其是美国一些CCS项目处于停滞状态。汇总并提出全球CCS技术已有的应用情况以及未来的前景,随着全球各国对CCS技术创新使用,CCS与氢气、生物质能、空气直接捕捉等结合,创造新能源经济发展的机遇。

全球碳捕捉与封存技术发展有45年之久,全球已经有98个项目运营或建设,但是CCS的发展速度仍然较为缓慢、成本备受争议、政策支持不明朗、新能源技术发展迅速,对CCS产生一定的挑战,但是CCS作为一项碳减排技术,对于未来全球减少温室气体排放,实现气候变化目标仍为至关重要,碳捕捉与封存技术是减少CO2排放最显著的方式之一,全球碳捕捉与封存技术的应用前景仍为广阔。

1 全球碳捕捉与封存技术发展现状

1.1 全球碳捕捉与封存项目最新进展

自1972年第一个ValVerdeCO2-EOR大型CCS项目在得克萨斯州SharonRidge油田开始运营以来,全球已有98个CCS项目和9个测试中心启动运营或者开始建设。根据全球碳捕捉与封存研究院CO2RE数据库数据,截至2017年底,全球有43个大型CCS项目,其中18个项目处于商业化运营,5个项目在建设中,20个项目处于不同的开发阶段,捕捉CO2达40Mtpa。另外,28个试验示范大规模项目正在运营或建设中,捕捉CO2达3Mt?pa,见表1。

1.2 技术现状

随着新能源发电技术的完善,发电技术成本的下降,CCS的发展备受争议,有些研究机构认为CCS技术成本普遍高昂,无法达到商业规模,对于碳捕集后的运输、捕集CO2的注入和储存也存在严重的现实问题。为减少煤炭燃烧产生的CO2,主要有两种基本的运行模式:一是在煤炭燃烧前剔除CO2;二是选择燃烧后方式将烟气在进入大气之前去除。主要有燃烧前、燃烧后、富养燃烧3种技术选择。CCS技术主要集中在油气生产、化肥、发电等行业,例如,在北非地区,InSalah项目能够将CO2从生产的天然气中被分离出来并被重新注入生产的油气藏区。挪威的Sleipner是世界上首个全面运营的可进行CO2注入的离岸天然气田。在美国,科氏氮气在俄克拉荷马州伊尼德的工厂将化肥生产过程中所产生的CO2捕集,然后运输用于提高石油采收率(EOR)。

1.3 投资成本现状

全球碳捕捉与封存研究院(GCCSI)发布一份关于全球CCS成本的最新报告指出,CCS成本是公众讨论的关键问题,且涉及多方面因素,尤其是燃煤电厂的CCS成本存在误解以及扭曲解释。美国能源经济与分析研究所(IEEFA)最新报告《碳捕捉的圣杯持续迷惑煤炭产业》指出,服务年限过长的美国燃煤电厂为了适应CCS技术改造,需要花费巨额成本对其设备进行升级改造。一半以上的燃煤电厂已有40年的服务历史,CCS设备有20~30年的使用期,为了确保电厂设施能在CCS设备使用期内持续运行,电厂所有者必须对工厂设施进行翻新重建。其中,SaskPower为了确保边界大坝项目工厂设施的运行期限能够与CCS改造相匹配,对发电厂进行重建,费用超过3.3亿美元。这种投资是没有任何潜在的规模经济效益。

在各燃煤机的运行时间并不饱和的情况下,燃煤机组增加CCS技术改造成本,只会增加每个机组的成本,造成恶性循环,发电厂运营较差,CCS技术改造设备也最终成为闲置资产。从现状来看,未进行CCS技术改造的煤炭厂正面临越来越难以与风能、太阳能资源相竞争的局面,如图1所示。从图1可以看出,每吨增加60美金的碳捕集成本,或者按照提倡者们所鼓吹的最终实现每吨增加30美金的成本,将进一步削弱燃煤发电的竞争力。

根据全球碳捕捉与封存研究院(GCCSI)研究成果认为,CCS对于风电和太阳能发电成本较高,是因为对比的是平准化成本(LCOE),但是这是不完整和不准确的对比,未包括全部发电成本(输电、配电、电网稳定性与电网恢复力)。电力行业中用平准化成本对比各种没有共同特点的发电技术是不恰当的,尤其是可再生能源技术受天气变化影响,对电网有不同的价值。每吨CO2的减排成本确保各种技术从减少温室气体排放的价值与投入方面进行对比。

1.4 政策情况

根据全球碳捕捉与封存研究院(GCCSI)对全球各国CCS-PI政策指数进行评价,截至2018年,挪威、英国、美国、中国、加拿大与日本具有最高的CCS-PI分数,这些国家对CCS技术具有最强的政策支持性,均建设或运营了大型CCS项目或小型示范项目,英国虽然没有大型CCS项目建设或运营,但是建立了强有力的研究架构与广泛的支持政策,促进了CCS项目投资活动,提高了投资者的信心。

CCS政策在促进相应投资的商业示范研究同时,还必须提升投资者的政策信任,一旦政策信任建立,长期资本投资可以实现,投资的良性循环和成本下降将加速。2017年,全球各国CCS政策信心逐步提升,其中,美国颁布了45Q(税额减免)法规,英国创建了英国CCUS委员会,建立CCUS成本挑战工作组;中国推动低碳技术(尤其是CCUS技术),政府对CCUS进行资金拨付,修订环境影响指南完善CCUS指标体系;日本致力于到2030年建立一个氢能社会,并在澳大利亚创建一条氢能源产业链(HESC)。

2 全球碳捕捉与封存技术面临的挑战

2.1 CCS投资成本备受争议

随着风电、太阳能等清洁发电技术成本降低,燃气发电天然气资源丰富且成本较低,发电行业需要进行改革,这加快了CCS技术的发展。但是CCS技术普遍成本高昂,无法达到商业规模,对于碳捕集后的运输、捕集到CO2的注入和储存也存在严重的现实问题。美国能源经济与金融分析研究所(IEEFA)最新报告指出,高风险、高成本的碳捕集技术投资在之前可能可行,但现如今这些投资将不再现实——碳捕集技术高昂的成本实在令人望而却步。尽管该报告主要围绕美国电力市场,但是对美国主要的CCS项目成本分析结果表明,对任何考虑广泛采用CCS技术的国家来说都起着警示作用。

2.2 全球CCS政策不明朗

CCS政策主要是应对气候变化,但是对于投资发展CCS技术是远远不够的。实际上,如果没有强有力和可持续的政策,全球各国对CCS的投资不可能持续。在保证全球人口增长和财富增长的背景下,减少温室气体排放将产生巨大的成本,从长远看,收益也不确定。公众通常不会自己去权衡CCS技术的得失,因此全球对CCS的政策必须是足以改变所有利益相关者的行动。例如,普遍认为将CO2排放到大气中比捕捉永久储存CO2更容易,成本更小。CCS资本市场上也没有获得足够的收益达到要求的投资回报率。政策不明朗对CCS未来的发展挑战还是很大。CCS出现一个新项目,成熟产业中存在已建立的商业模式、结构和惯例都会应用到CCS项目中,但CCS这些方面尚未成熟,高风险导致较高的投资回报率,因此CCS融资也非常困难。另外,CCS投资需要长期资本密集型资产的投入,一个单一项目每年可以减缓百万吨CO2排放,要求初始投资额达到上亿或10亿美元的投入,运行数十年,投资者必须有足够的信心理解现有和未来的政策环境,有效的开展项目,最优化风险投资策略,直到实现正向的金融投资决策。

因此,通过法律颁布的政策对CCS的发展至关重要,各国在发展CCS的时候对政府实现各类目标提出明确的具体措施。

2.3 全球新能源发电成本越来越低

彭博新能源财经《2018新能源市场长期展望(NEO)》指出,长期来看,煤电将成为最大的输家。从度电成本角度,煤电将无法与风电和光伏竞争,如图2所示。从图2可以看出,风电、太阳能发电成本远远低于燃煤发电成本,风电成本低于燃煤发电成本的一半以下;从系统灵活性角度,煤电将无法与燃气发电以及储能竞争。最终,大部分的煤电资产会被挤出市场。

为了实现气候变化目标,全球都在追求越来越多的清洁能源发展,新能源发展速度之快,装机和发电量增速都远远超过传统能源发电,更多的灵活电源形式出现,对煤电影响之大,尤其是对煤电安装CCS技术的成本备受争议,所以新能源发电成本越来越低,对CCS技术广泛应用是一个很大的挑战。

3 全球碳捕捉与封存技术应用前景

3.1 全球不同地区应用CCS技术应结合本地区情况具体实施

英国石油公司BP《2018年技术展望》提到,根据最低成本路径全系统模型显示:最大的碳减排量是电力部门,因为对于电力行业来说,这是最便宜的脱碳选择方式。在“2℃世界”:电力部门将成为通过使用生物能源与碳捕集与封存(BECCS)进行减排。BECCS电站受到青睐,主要是因为这些电站能够通过农作物在生长过程中吸收大气中的碳氧化物,创造负碳排放,然而,当燃烧用于发电时,由于碳被捕集,所以也不会产生排放。总体而言,该模型确定CCUS是成本最低的“2℃世界”里一个重要组成部分,但在最经济的“无约束的路径”中不包含CCUS。与电力行业分析一样,这个结果表明单靠技术进步是不足以让CCUS具有足够的竞争力来吸引大量投资,而是需要有针对性的政策支持和有效的碳定价。

在欧洲,在大部分研究路径中,到2050年,可再生能源将在欧洲电力部门中占比最大,在“无约束的情景”中,煤炭和天然气起辅助作用;在“2℃世界”里,生物质能与碳捕集与封存(BECCS)起辅助作用。在“2℃世界”里,到2050年,燃气锅炉和燃料电动热泵的混合系统将受区域供暖的青睐。在“2℃世界”里,北美风能和使用CCUS脱碳天然气在电力部门中占主导地位,而在“无约束”情况下,不采用CCUS的天然气占主导地位。在这两种情况下,天然气也在热力行业占主导地位。

3.2 全球投资CCS技术必须获得政策支持才能具有竞争力

BP最新技术展望中,将CCUS视为最低成本实现“2℃世界”的重要组成部分,但在碳排放不受限制的情景下其经济性并不理想。结合对电力部门的分析,这一结果表明紧靠技术进步无法使CCUS具有充分的竞争力以吸引大量投资,因此还需要有针对性的政策支持和有效的碳定价。

首先,政策必须具有清晰明确的目的,并与CCS投资的目标相关联,这样,投资者才能确定CCS的投资是与政策相关联的结果,而不是偶然的成果。政策必须透明、明确,让投资者充分理解并能够在商业条件下量化CCS投资政策创造的机会与风险。投资者必须能够较准确地预测投资回报率在未来发展情景下受政策影响的程度。最后,考虑到CCS项目的长期性,投资者必须充分信任政策不会改变,不会大大地减少投资期项目的投资回报率。政策风险也是评估政策稳定性的关键因素。

3.3 全球CCS引领新能源经济

CCS引领新能源经济发展,具有一系列CO2利用方式,主要有氢气生产、生物质与CCS、直接空气捕捉(DAC)、碳价值(C2V)。

3.3.1 氢气生产

氢气生产主要是在欧洲CCS清洁氢气倡议正在计划和可行性研究阶段,荷兰氢气代替天然气发电项目(H2M)、英国北部H21、英格兰北部氢网络H21、英国西北部Hynet、ErviaCorkCCS、HyDeploy等。在澳大利亚,氢能源产业链正在推进CCS与氢气生产。

3.3.2 生物质与CCS(BECCS)

生物质能与CCS技术相结合通过CCS的应用将森林与庄稼转化为能源燃料并从大气中消除CO2排放,可以实现大规模CO2减排。CO2捕捉项目主要在堪萨斯州(Kansas)的Arkalon与Bonanza乙烯厂,CO2存储用于提高原油采收率,另外伊利诺斯州工业CCS项目都是美国著名的BECCS运营项目。

3.3.3 直接空气捕捉(DAC)

DAC是通过采用CCS技术将CO2直接捕集从大气中去除。运营成功的项目是瑞士苏黎世Clime?works负排放工厂、加拿大CarbonEngineering、美国GlobalThermostat等。位于瑞士苏黎世附近的ClimeworksAG成为有史以来第一个以工业规模从空气中捕获CO2并直接出售给买主的工厂,美国麻省理工学院高级研究工程师HowardHerzog估计,这套空气捕捉系统的总成本约为每吨CO21000美元,大约是化石燃料工厂去除碳成本的10倍。加拿大碳工程公司(CarbonEngineering)所研制的工业生产方法能将CO2从空气中提取出来,并率先将这种系统与氢气生产和燃料合成工艺整合起来,并与哈佛大学的研究人员合作,通过石灰石、氢气和空气,将处理一吨CO2排放所需的成本减少至94美元。这种技术可保护环境,同时可产生更多具有环保效益的液态燃料。美国GlobalThermostatGlobalThermostat则另辟蹊径,专注于所需的热量以及其穿过材料的速度,采用了更密致的设计,可以在很快的速率下释放和生产CO2,整体上成本更低。

3.3.4 C2V

C2V是指CO2被创造性地应用于生产新的C2V产品,包括沙特的沙比克公司生产化肥原料、印度CarbonCleanSolutions燃煤火电站将捕获的CO2转变成苏打粉、澳大利亚MineralCarbonationInter?national的生产砖与水泥,其酸性气体注入并将CO2封存。

4 结语

随着全球各国对CCS政策信心的增加,越来越多的项目进入到不同的开发阶段,CCS成为解决气候变化问题不可或缺的重要部分,最重要的是CCS已被证明是一项安全有效的技术,是唯一能够有效降低化石燃料排放的技术,也是解决电力行业排放问题的一项重要技术。CCS成本随着更多设施商业化应用将会继续下降,在全球新能源迅速发展的大背景下,CCS更是实现新能源经济的中转渠道,CCS与氢气生产、生物能与CCS技术、直接空气捕集等具有前景的技术将进一步促进CCS的商业化、规模化的新应用。


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