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      二氧化碳規(guī)模化封存典型技術(shù)路線解析與產(chǎn)業(yè)前景展望

      2022-02-02 06:32:20單彤文張超秦鋒程昊張丹
      中國(guó)海上油氣 2022年6期
      關(guān)鍵詞:集中式液化規(guī)?;?/a>

      單彤文 張超 秦鋒 程昊 張丹

      (1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司 北京 100010;2.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100028)

      全球碳排放最主要的碳排放源分別為能源發(fā)電與供熱、交通運(yùn)輸業(yè)、制造業(yè)與建筑業(yè),能源發(fā)電與供熱占比最高為43%。2021年全球與能源相關(guān)的CO2排放量約363億t,比2020年增加6%[1]。如何減少碳排放以減緩人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球氣候變化的影響成為全球面臨的重大問(wèn)題,因此提高清潔能源發(fā)電在電力裝機(jī)及發(fā)電結(jié)構(gòu)中的比例,大規(guī)模開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源電力,成為各個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳中和的主要手段。

      在實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程中,如何客觀認(rèn)識(shí)化石能源與新能源之間的關(guān)系,厘清各種碳減排技術(shù)對(duì)碳中和的作用以及實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑,是社會(huì)各界急需解決的問(wèn)題。本文重點(diǎn)剖析了碳中和整體進(jìn)程中可能出現(xiàn)的能源安全、區(qū)域發(fā)展不一致、能源活動(dòng)參與主體利益不一致等問(wèn)題,分析實(shí)現(xiàn)碳中和的各種技術(shù)手段,提出了規(guī)模化碳封存關(guān)鍵問(wèn)題的解決思路,深入分析分布式與集中式CO2液化及海上封存方案的技術(shù)路線及經(jīng)濟(jì)性。本文研究結(jié)果對(duì)未來(lái)化石能源碳中和路徑選擇具有重要的參考意義。

      1 碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)所面臨的困難與矛盾

      1.1 化石能源退出與能源安全保障之間的矛盾

      新能源將逐漸發(fā)展成為主體電源,但以新能源為主體的供電系統(tǒng),由于其日波動(dòng)和季節(jié)波動(dòng)性非常顯著,因而對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力提出了全新要求。當(dāng)變動(dòng)性可再生能源發(fā)電量占比在5%以下時(shí),波動(dòng)性的問(wèn)題基本可以通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度的方法解決;當(dāng)可再生電力占比超過(guò)5%后,進(jìn)入新階段的電力系統(tǒng)將需要更多的備用容量及靈活性電源以解決系統(tǒng)中新能源電力波動(dòng)性問(wèn)題[2]。

      在碳中和背景下,各大能源公司紛紛制定轉(zhuǎn)型路徑及行動(dòng)計(jì)劃,其共同特征是增加新能源投資,控制或降低化石能源領(lǐng)域的投入強(qiáng)度。然而以化石能源為燃料的傳統(tǒng)發(fā)電形式,既能配合可再生能源的發(fā)展變?yōu)殪`活性電源,同時(shí)也可起到消納可再生能源及支撐電網(wǎng)的作用,因此在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)一定比例,其退出能源結(jié)構(gòu)主體地位也必然是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在新能源供應(yīng)不足的情況下,化石能源退出能源舞臺(tái)中央的預(yù)期,將會(huì)極大地影響社會(huì)對(duì)化石能源行業(yè)的投資信心,投資規(guī)模的縮小會(huì)直接影響化石能源的供應(yīng)不足,導(dǎo)致能源價(jià)格大幅上升,對(duì)社會(huì)生產(chǎn)及生活產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。

      因此,碳中和過(guò)程中化石能源有序退出與價(jià)格無(wú)形手之間的矛盾需要慎重處理,不能盲目過(guò)早、過(guò)快地抑制化石能源的發(fā)展。

      1.2 區(qū)域發(fā)展階段不一致的矛盾

      CO2排放不分國(guó)界,但由于不同國(guó)發(fā)展階段與水平不同,碳中和實(shí)現(xiàn)的步調(diào)也將不一致,因此在量體裁衣制定符合自身發(fā)展階段的政策時(shí),就可能就會(huì)發(fā)生不同國(guó)家訴求不一的利益沖突。

      截至2020年底,全球已經(jīng)有54個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,這些國(guó)家的碳排放量占2020年全球總碳排放量的約40%[3]。目前,全球已有超過(guò)120個(gè)國(guó)家和地區(qū)提出了碳中和目標(biāo):大部分國(guó)家和地區(qū)組織(如美國(guó)、歐盟、英國(guó)、加拿大、日本、新西蘭、南非等)計(jì)劃于2050年實(shí)現(xiàn)碳中和;一些國(guó)家計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳中和的時(shí)間稍早,如烏拉圭為2030年,芬蘭為2035年,冰島和奧地利為2040年,瑞典為2045年[3];而蘇里南和不丹已分別于2014年和2018年實(shí)現(xiàn)碳中和并進(jìn)入負(fù)碳排時(shí)代;中國(guó)宣布爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。對(duì)比從碳達(dá)峰到碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間,歐盟、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)組織分別為71、43和37年,而中國(guó)僅為30年。

      可以看出,不同國(guó)家和地區(qū)組織基于自身發(fā)展階段、能源消費(fèi)總量及結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)針對(duì)性較強(qiáng)的能源政策、全球貿(mào)易體系中角色等具體情況,提出了各自的碳中和時(shí)間點(diǎn),而這些具體情況的差異也將給全球同步實(shí)施碳中和相關(guān)政策帶來(lái)困難。

      1.3 能源活動(dòng)參與主體利益不一致的矛盾

      能源活動(dòng)的參與主體主要由能源的生產(chǎn)者、消費(fèi)者及政府組成,碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要這3類(lèi)主體相互協(xié)調(diào)與配合。但不同主體間利益與目標(biāo)不一致的矛盾,也在一定程度上影響著碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的節(jié)奏與進(jìn)程。

      1)能源生產(chǎn)者的目標(biāo)是降低生產(chǎn)成本、追求供能效率效益的最大化。能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)低碳化的要求,必然帶來(lái)額外的技術(shù)投入及生產(chǎn)成本,在沒(méi)有其他約束的情況下,能源生產(chǎn)者主動(dòng)增加額外投入實(shí)現(xiàn)減碳的意愿不強(qiáng);而碳約束過(guò)強(qiáng)帶來(lái)的生產(chǎn)成本過(guò)高的問(wèn)題,使能源生產(chǎn)積極性下降,從而導(dǎo)致能源供需結(jié)構(gòu)性失衡,引發(fā)能源供應(yīng)危機(jī)或價(jià)格劇烈變化。

      2)能源消費(fèi)者的目標(biāo)是選擇用能成本最低的能源產(chǎn)品。社會(huì)個(gè)體使用電力時(shí),不會(huì)關(guān)注所用電是燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電還是可再生能源發(fā)電,使用體驗(yàn)也不會(huì)因?yàn)橄M(fèi)了不同碳排放強(qiáng)度的電力而有任何差別。此外,由于很難對(duì)社會(huì)個(gè)體用能及碳排放進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與核算,因此對(duì)其開(kāi)展碳排放約束也存在客觀困難。

      3)在能源活動(dòng)中,政府通過(guò)法律、法規(guī)、行政命令、稅收政策及市場(chǎng)調(diào)節(jié)等強(qiáng)制性手段,對(duì)能源生產(chǎn)者或消費(fèi)者的行為進(jìn)行約束和引導(dǎo),既要達(dá)到促使能源生產(chǎn)者和能源消費(fèi)者主動(dòng)采取低碳措施的目的,同時(shí)又要保證能源市場(chǎng)供應(yīng)及價(jià)格的穩(wěn)定。因此在碳中和進(jìn)程中,政府起到了化解不同主體間矛盾的重要作用。

      參與能源活動(dòng)的3類(lèi)主體,只有通過(guò)付出長(zhǎng)期和持續(xù)性的努力、不斷的技術(shù)創(chuàng)新及探索,才能最終實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

      2 中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的技術(shù)圖譜分析

      2.1 實(shí)現(xiàn)碳中和手段分析

      2.1.1 調(diào)整能源結(jié)構(gòu)

      電力生產(chǎn)是碳排放的主要來(lái)源,實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)端的低碳化、零碳化是減少碳排放的有效手段,因此需大力發(fā)展可再生能源,構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)。2030年中國(guó)發(fā)電總裝機(jī)有望達(dá)到40億k W,風(fēng)電、光伏裝機(jī)占比有可能達(dá)到40%;2060年中國(guó)發(fā)電總裝機(jī)約60億~80億k W,風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量有可能超過(guò)60%,發(fā)電量超過(guò)50%,成為電網(wǎng)中的主體電源[4]。

      除了電力生產(chǎn)外,工業(yè)、交通、建筑是3類(lèi)主要的其他碳排放來(lái)源,電力生產(chǎn)端的低碳化、零碳化,為這3類(lèi)行業(yè)的減碳提供了基礎(chǔ)。能源消費(fèi)端低碳化、零碳化的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)以下途徑:①使用零碳能源發(fā)電、制氫;②工業(yè)、交通、建筑領(lǐng)域使用電力、氫能代替化石能源;③結(jié)合地?zé)崮堋⒌卦礋岜?、水源熱泵、空氣源熱泵等技術(shù)提高能源使用效率。

      2.1.2 推廣節(jié)能技術(shù)

      在碳達(dá)峰期間(2020—2030年),電力行業(yè)的能源使用效率將大幅提升,一方面是由于傳統(tǒng)的火電企業(yè)在差別電價(jià)等環(huán)保政策規(guī)制下,開(kāi)始通過(guò)技術(shù)改進(jìn)獲得了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力(包括余熱資源的充分利用),另一方面是由于清潔能源發(fā)電的規(guī)模效應(yīng)逐步體現(xiàn),能耗強(qiáng)度隨之降低。

      在碳中和期間(2030—2050年),冶金和交通運(yùn)輸行業(yè)的技術(shù)改革效應(yīng)開(kāi)始凸顯,如電爐煉鋼工藝規(guī)模提升和富氧高爐的技術(shù)完善,充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的完善加速了新能源汽車(chē)的推廣使用等。此外,化工和建材行業(yè)的綠色節(jié)能技術(shù)改革對(duì)“雙碳”目標(biāo)的貢獻(xiàn)作用也將顯現(xiàn)。

      2.1.3 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

      在低碳化的政策和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下,預(yù)計(jì)高耗能行業(yè)將迎來(lái)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,碳成本得走高將最終壓縮整個(gè)高耗能產(chǎn)業(yè)鏈在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的產(chǎn)值占比。高能耗制造業(yè)(如冶金、建材、化工、石化、造紙業(yè)等)、交通運(yùn)輸業(yè)(如航空)和公用事業(yè)(電力)的生產(chǎn)規(guī)模將受到壓縮,其產(chǎn)業(yè)鏈上游的采掘業(yè)和下游的建筑業(yè)產(chǎn)值也將受到較大沖擊。因而這些支撐國(guó)家整體經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的高耗能產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié),也必須通過(guò)節(jié)能提效等方式降低碳排放,產(chǎn)業(yè)鏈整體將趨于低碳化。

      2.1.4 建立協(xié)調(diào)機(jī)制,建設(shè)全球碳市場(chǎng)

      除了能源體系自身的節(jié)能降碳外,建立碳排放權(quán)交易體系是控制CO2排放的一種外部市場(chǎng)調(diào)節(jié)手段。歐盟碳排放交易體系(EU-ETS)從2005年正式運(yùn)營(yíng)起,其碳配額市場(chǎng)一直占據(jù)全球碳市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。歐盟排放交易體系覆蓋了歐盟CO2總排放的50%和所有溫室氣體排放的40%,覆蓋對(duì)象包括超過(guò)11 000個(gè)發(fā)電站和廠房。

      截至2021年1月31日,全球共有24個(gè)運(yùn)行中的碳市場(chǎng),但這些碳市場(chǎng)之間均相互獨(dú)立,市場(chǎng)規(guī)則及價(jià)格存在較大差異,碳排放權(quán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨國(guó)間的轉(zhuǎn)讓。第26屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)達(dá)成的協(xié)議使全球碳市場(chǎng)初露曙光,認(rèn)為通過(guò)建立合適的協(xié)調(diào)機(jī)制,可將全球各分散的碳市場(chǎng)有效鏈接,以實(shí)現(xiàn)多國(guó)互認(rèn)互通、一定條件和范圍內(nèi)流通的全球碳市場(chǎng)。從長(zhǎng)期來(lái)看,探索如何進(jìn)行各地區(qū)碳市場(chǎng)的鏈接,是在全球范圍內(nèi)促進(jìn)低成本減排,以應(yīng)對(duì)氣候變化的重要方向。

      2.1.5 利用負(fù)碳技術(shù)

      據(jù)測(cè)算,中國(guó)2060年排放CO2約25億~30億t,海洋、生態(tài)建設(shè)、陸地及生態(tài)吸收可以中和大部分CO2,但依然剩余約5億t CO2需要通過(guò)固碳技術(shù)才能夠達(dá)到碳中和[5]。

      2.2 實(shí)現(xiàn)碳中和路徑推演

      經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)始終是中國(guó)發(fā)展的首要目標(biāo)。碳中和作為一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo),其實(shí)現(xiàn)必須在符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下找到最優(yōu)路徑:①以1.5~2℃溫升目標(biāo)為導(dǎo)向[6],全面統(tǒng)籌社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等發(fā)展;②同時(shí)以解決當(dāng)前主要矛盾問(wèn)題為導(dǎo)向,綜合利用實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)手段,進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、路徑設(shè)計(jì)和部署實(shí)施。

      1)在2020—2030年碳達(dá)峰期間,中國(guó)GDP年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)約為5%,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)導(dǎo)致的碳排增加預(yù)計(jì)為50.3億t[7-8]。中國(guó)在減排動(dòng)能方面:①加速推進(jìn)電爐鋼、裝配式建筑、新能源汽車(chē)等行業(yè)的綠色技改,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)18.7億t減排量;②新能源革命初露端倪,能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)15.5億t減排量;③產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的低碳化是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的第3大減排動(dòng)能,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)11.7億t減排量。

      2)在2030—2050年碳中和期間,中國(guó)GDP年均增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將低于4%,放緩的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率使碳排增量也相對(duì)較低(62.4億t)[8]。中國(guó)在減排動(dòng)能方面:①節(jié)能技術(shù)將成為碳中和的核心驅(qū)動(dòng)力,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)78.2億t減排量,說(shuō)明隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的進(jìn)一步提升,能源使用效率將出現(xiàn)質(zhì)的提升;②能源結(jié)構(gòu)則將經(jīng)歷一場(chǎng)徹底的新能源革命,煤炭占比將大幅降低,清潔能源發(fā)電占據(jù)主導(dǎo)地位,新能源革命將助力中國(guó)碳中和,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)50.1億t減排量;③隨著技術(shù)水平的提升,負(fù)碳技術(shù)開(kāi)始發(fā)力,預(yù)計(jì)可助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)12.1億t的負(fù)碳排,為碳中和再添助力。

      2.3 碳封存是碳中和實(shí)現(xiàn)的兜底路徑

      不論CCUS還是DAC,其產(chǎn)業(yè)鏈的終端無(wú)非是利用或封存。利用還是封存,其路線選擇上在學(xué)術(shù)界還存在一定的爭(zhēng)議,但碳利用的規(guī)模取決于下游端需求,在技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性存在較大不確定性、發(fā)展規(guī)模受限的前提下,碳利用的過(guò)程中仍將產(chǎn)生一定的CO2,要真正實(shí)現(xiàn)凈零排放,碳封存才是最終的兜底路徑。所謂兜底,即意味著前序手段要能用盡用、應(yīng)用盡用,同時(shí)按照碳減排機(jī)制的設(shè)計(jì)初衷,兜底路徑也意味著成本相對(duì)較高且實(shí)現(xiàn)難度更大。

      3 規(guī)?;挤獯骊P(guān)鍵問(wèn)題及解決思路

      3.1 碳封存產(chǎn)業(yè)基本現(xiàn)狀

      到2050年,化石能源仍將占中國(guó)能源消費(fèi)比例的10%以上,鋼鐵、水泥等高耗能行業(yè)在采取節(jié)能減排方案后,仍會(huì)有34%碳排放量無(wú)法處理,負(fù)碳技術(shù)是實(shí)現(xiàn)凈零排放的唯一技術(shù)選擇。CO2捕集、利用與封存(carbon capture,utilization and sequestration,CCUS)和直接空氣碳捕集(direct air capture,DAC)作為兩項(xiàng)重要的負(fù)碳技術(shù),是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)路徑。

      目前,中國(guó)CCUS項(xiàng)目集中在捕集實(shí)踐階段,成本較高,距離大規(guī)模利用還有較大的差距,其中一些工程化的關(guān)鍵技術(shù),如捕集過(guò)程高效吸附技術(shù)開(kāi)發(fā)、CO2管道的防腐材料選用、咸水層封存的物理化學(xué)機(jī)理,以及封存后的泄漏監(jiān)測(cè)等技術(shù)問(wèn)題,需要通過(guò)一定的專(zhuān)項(xiàng)研究和示范項(xiàng)目進(jìn)行研究和驗(yàn)證,這些技術(shù)發(fā)展至足以支撐大規(guī)模CCUS項(xiàng)目的投運(yùn)則仍需5~10年的時(shí)間。DAC技術(shù)的成熟度更低,目前成本為400~600美元/t,其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;枰L(zhǎng)的時(shí)間。

      美國(guó)于2020年新增了12個(gè)CCUS商業(yè)項(xiàng)目,投入運(yùn)營(yíng)的CCUS項(xiàng)目增至38個(gè),占比接近50%,CO2捕集量超過(guò)3 000萬(wàn)t[9]。美國(guó)CCUS項(xiàng)目種類(lèi)多樣,包括水泥制造、燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、垃圾發(fā)電、化學(xué)工業(yè)等,目前約一半左右的CCUS項(xiàng)目已不再采用傳統(tǒng)的提高采收率(enhanced oil recovery,EOR)利用方式。美國(guó)CCUS項(xiàng)目的快速發(fā)展主要得益于政府的稅收和補(bǔ)貼政策,如2020年美國(guó)能源部用于扶持CCUS項(xiàng)目的資金達(dá)2.7億美元。

      歐洲CCUS項(xiàng)目主要通過(guò)歐盟碳市場(chǎng)和EOR來(lái)實(shí)現(xiàn)碳減排價(jià)值。2020年,歐洲有13個(gè)商業(yè)CCUS項(xiàng)目正在運(yùn)行,主要集中于北海周?chē)渲杏?guó)7個(gè),挪威4個(gè),愛(ài)爾蘭和荷蘭各1個(gè)。另外,歐盟還有約11個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在2030年前投入運(yùn)營(yíng)。但由于制度、成本及公眾接受度等各方面原因,目前歐洲的CCUS項(xiàng)目推進(jìn)緩慢[9]。

      中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約為40個(gè),捕集能力300萬(wàn)t/a。CO2捕集源集中在煤化工、化肥生產(chǎn)、電力和水泥生產(chǎn)等行業(yè);運(yùn)輸方式以管輸為主,地質(zhì)封存以咸水層封存為主;CO2利用涉及EOR、提高煤層氣采收率(enhanced coal-bed methane,ECBM)、鈾礦浸出增采(enhanced uranium leaching,EUL)等地質(zhì)利用、礦化利用、合成可降解聚合物等化工利用以及微藻固定等生物利用方式,缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范[10]。

      CO2用于驅(qū)油是解決CCUS經(jīng)濟(jì)性的有效手段,但是CO2-EOR實(shí)際應(yīng)用中也面臨以下挑戰(zhàn):①注CO2過(guò)程中易發(fā)生串流現(xiàn)象,嚴(yán)重影響波及效率,降低驅(qū)油效果;②CO2和水生成碳酸,在高壓下對(duì)設(shè)備的腐蝕性更大,海洋平臺(tái)壽命一般為20年,因而海上油田的防腐比陸上油田更為重要[11];③CO2-EOR在原油驅(qū)采過(guò)程中,一部分CO2會(huì)隨著開(kāi)采的原油回到大氣中,因而未來(lái)巨量CO2仍需地質(zhì)封存來(lái)解決。

      3.2 中國(guó)碳封存走規(guī)?;潜赜芍?/h3>

      目前,中國(guó)的CCUS還處于初步示范階段,單個(gè)示范項(xiàng)目平均捕集/封存能力不足10萬(wàn)t/a。CCUS項(xiàng)目資本需求大,投資周期長(zhǎng),技術(shù)鏈條長(zhǎng),收益政策依賴(lài)性強(qiáng),因此國(guó)內(nèi)建設(shè)了為數(shù)不少規(guī)模低于1萬(wàn)t/a的CCUS項(xiàng)目。盡管單位CO2捕集/封存成本高,但是在當(dāng)前碳捕集和地質(zhì)封存不產(chǎn)生收益的條件下,降低項(xiàng)目整體投資和后期運(yùn)營(yíng)成本,避免產(chǎn)生碳排放的項(xiàng)目因?qū)嵤〤CUS而陷入沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),才能在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。如果希望通過(guò)規(guī)?;?yīng)降低CCUS的單位成本,配置合適的CO2運(yùn)輸途徑及規(guī)模巨大的封存點(diǎn)十分必要。

      未來(lái),CO2的規(guī)?;獯鎸⑸婕皻鈶B(tài)管道輸送、液化及液態(tài)運(yùn)輸、陸上/海上封存,其產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)態(tài)與天然氣存在極為相似,參照天然氣規(guī)模與成本間的關(guān)系,規(guī)?;挤獯骓?xiàng)目需達(dá)到每年百萬(wàn)噸以上,才具備較好的經(jīng)濟(jì)性及廣泛應(yīng)用的可行性。

      4 中國(guó)規(guī)模化碳封存典型技術(shù)路線案例解析

      4.1 規(guī)?;挤獯娴幕緱l件

      地質(zhì)封存是大規(guī)模CO2封存的主要方式之一。CO2地質(zhì)封存是指將CO2通過(guò)工程技術(shù)手段直接注入地質(zhì)構(gòu)造中(深度約800~3 500 m),在巖石物理束縛、溶解和礦化等作用下,CO2最終被封存于地質(zhì)體中[12]。適合CO2地質(zhì)封存的場(chǎng)址主要包括廢棄油氣藏、深咸水層和深部不可開(kāi)采煤層。

      目前,澳大利亞、歐盟、美國(guó)、加拿大等已制定了規(guī)范CO2的捕集和封存的行為專(zhuān)門(mén)法案,對(duì)CO2封存的安全性和環(huán)境監(jiān)測(cè)提出了要求。存入地下的CO2氣體存在一定的泄漏可能行,這是因?yàn)橐环矫鍯O2具有較強(qiáng)的穿透性,另外地質(zhì)構(gòu)造也存在著不可預(yù)見(jiàn)的裂隙或隱伏斷裂。泄露一旦發(fā)生在陸上地質(zhì)封存工程中,CO2進(jìn)入地下水補(bǔ)給層,不僅會(huì)影響土壤生物,而且將造成地下飲用水質(zhì)量的明顯下降,因此必須加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)封存環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。利用海上廢棄油氣藏或深咸水層進(jìn)行CO2封存,將有效降低污染淺層地下水等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此雖然CO2海上封存難度大、費(fèi)用高,但海上封存依然是未來(lái)規(guī)?;挤獯婵尚星揖哂袃?yōu)勢(shì)的方式。

      4.2 規(guī)?;獯娴臐摿?/h3>

      為了充分利用地質(zhì)資源,降低封存成本,需要做好源匯匹配,即考慮排放源和封存場(chǎng)地的地理位置關(guān)系和環(huán)境適宜性。

      1)從排放源看,2018年中國(guó)燃煤發(fā)電、水泥、鋼鐵及化工等行業(yè)約有1 800個(gè)重要CO2排放源,年排放量約65億t,主要分布在中東部地區(qū)。從封存潛力來(lái)看,中國(guó)東南部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集區(qū)域內(nèi)的CO2排放源無(wú)法在其250 km范圍內(nèi)找到適宜的陸地封存場(chǎng)地。而中國(guó)近海適宜進(jìn)行封存的盆地坳面積均在1萬(wàn)km2以上,最大超過(guò)20萬(wàn)km2,800~2 500 m封存容量總計(jì)可達(dá)11 529億t,封存潛力巨大[12]。因此,海上CO2封存將是中國(guó)東南沿海實(shí)現(xiàn)就近碳封存的重要途徑。

      2)源匯匹配需要解決CO2管道運(yùn)輸和液態(tài)船運(yùn)輸2種方案的問(wèn)題。①管道運(yùn)輸方案是采用陸上壓縮機(jī)將CO2加壓至15~30 MPa達(dá)到超臨界狀態(tài),再通過(guò)海底CO2管道運(yùn)輸至封存井口注入。該方案的優(yōu)點(diǎn)是主要設(shè)備、設(shè)施在陸上,井口平臺(tái)不需要額外增壓,海上工程量較小;缺點(diǎn)是海底CO2管線的調(diào)整能力不足,即當(dāng)源和匯位置或規(guī)模變化時(shí)的管道運(yùn)輸方案不夠靈活。②液態(tài)船運(yùn)輸方案采用陸上低溫液化CO2,將液態(tài)CO2陸運(yùn)到港口后裝至運(yùn)輸船,通過(guò)船運(yùn)至封存點(diǎn)加壓注入海上封存點(diǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是封存規(guī)模和運(yùn)輸路線靈活,能適應(yīng)源匯位置和規(guī)模的變化,缺點(diǎn)是工程量比管道運(yùn)輸方案復(fù)雜,短距離運(yùn)輸成本較高。從源匯匹配的角度看,一般250 km是不需要CO2中繼壓縮站的最長(zhǎng)管道距離,建設(shè)成本比較低,因此當(dāng)CO2源與海上封存點(diǎn)距離小于250 km時(shí)可考慮采用CO2管道輸送;超過(guò)250 km時(shí)可考慮CO2液化后通過(guò)船運(yùn)至海上進(jìn)行封存的方式。

      4.3 陸上液化及海上封存案例設(shè)想

      以中國(guó)海油位于粵港澳大灣區(qū)合計(jì)排放量約400萬(wàn)t/a的3個(gè)燃?xì)怆姀S開(kāi)展CO2捕集、輸送及海上封存項(xiàng)目為例,分析海上封存產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性,采用液態(tài)船運(yùn)輸方案,針對(duì)CO2排放源排放規(guī)模和集中程度的不同,分別設(shè)想了分布式及集中式2種封存模式。

      4.3.1 分布式二氧化碳液化封存

      分布式CO2液化及海上封存,主要針對(duì)單體規(guī)模較小、區(qū)域分布較為分散的碳排放源,采用分布式CO2捕集及液化方式,液化后的CO2存儲(chǔ)在罐式集裝箱中并通過(guò)公路運(yùn)輸至港口或碼頭,然后通過(guò)集裝箱運(yùn)輸船將CO2罐箱運(yùn)送至海上封存點(diǎn)進(jìn)行封存。分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式示意如圖1所示。

      圖1 分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式Fig.1 Industry model of distributed CO2 liquefaction and offshore sequestration

      經(jīng)初步測(cè)算,分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要技術(shù)參數(shù)及成本如下。

      1)捕集:采用化學(xué)吸收法捕集燃?xì)怆姀S煙氣中的CO2,捕集后CO2產(chǎn)品氣濃度達(dá)到98%以上,溫度約為40℃,壓力0.02~0.04 MPa。投資70億元,成本306元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至230元/t。

      2)液化:對(duì)CO2產(chǎn)品進(jìn)行低溫帶壓液化,液化后CO2存儲(chǔ)參數(shù)的溫度及壓力參數(shù)為-28℃、1.5 MPa;3座液化廠總投資7.5億元,平均成本114元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至103元/t。

      3)儲(chǔ)運(yùn):租用5 000個(gè)載運(yùn)量約20 t的罐箱,陸上運(yùn)輸裝車(chē)橇投資0.1億元,合計(jì)陸上運(yùn)輸成本173元/t;罐箱海上運(yùn)輸成本約為500元/t;該環(huán)節(jié)總成本為673元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后可下降至573元/t。

      4)封存:近期以枯竭氣藏為主,后期咸水層作為補(bǔ)充。新建大型海上平臺(tái)用于罐箱堆放和井工程改造,總投資23.1億元,成本107元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至96元/t。

      4.3.2 集中式二氧化碳液化封存

      集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式主要針對(duì)單體規(guī)模較大、區(qū)域分布較為集中的碳排放源,CO2捕集后通過(guò)氣體管道輸送至集中式CO2液化工廠,液化后的CO2經(jīng)過(guò)碼頭建設(shè)的輸送臂裝入液體CO2運(yùn)輸船,通過(guò)液體CO2運(yùn)輸船運(yùn)輸至海上封存點(diǎn)進(jìn)行封存,集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式如圖2所示。

      圖2 集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式Fig.2 Industry model of centralized CO2 liquefaction and offshore sequestration

      經(jīng)初步測(cè)算,集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主要技術(shù)參數(shù)及成本如下。

      1)捕集:集中式與分布式不存在差異,工藝方案和成本相同。

      2)管輸:將各排放源產(chǎn)生的CO2通過(guò)管道集中輸送到液化廠,采用超臨界狀態(tài)輸送,出口壓力8.0 MPa。投資33.6億元,平均成本110元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至80元/t。

      3)液化:與分布式工藝方案上相似,規(guī)模上不同,采用低溫帶壓液化,液化后-23℃、2 MPa。投資3.5億元,成本26元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至24元/t。

      4)儲(chǔ)運(yùn):液化廠內(nèi)建設(shè)5.7萬(wàn)m3液態(tài)CO2儲(chǔ)罐、5萬(wàn)t級(jí)碼頭,租用5.7萬(wàn)m3半冷半壓式液態(tài)CO2運(yùn)輸船,井口附近建設(shè)單點(diǎn)系泊裝置5.7萬(wàn)m3液態(tài)海上浮艙。投資9.5億元,成本88元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至70元/t。

      5)封存:封存層系與分布式方案相同,不同的是集中式方案采用運(yùn)輸船運(yùn)輸而非罐箱,與分布式方案相比減少了用于罐箱堆放的平臺(tái)費(fèi)用,僅需要進(jìn)行井工程、海上平臺(tái)改造、建保溫海管聯(lián)絡(luò)線,總投資12.1億元,成本78元/t。技術(shù)進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化后成本可降至70元/t。

      4.3.3 多種方式協(xié)同案例設(shè)想

      根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及具體需求,集中式與分布式封存產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)方案也可進(jìn)行優(yōu)化組合,發(fā)展混合式CO2液化及海上封存技術(shù)方案,例如在已初步建立集中式產(chǎn)業(yè)鏈的區(qū)域,對(duì)于新進(jìn)入的規(guī)模較小的CO2排放源(10萬(wàn)t以下),可采用“前分布-后集中”的混合模式,即分布式捕集液化+集中式存運(yùn)及封存,將捕集的CO2就地液化后通過(guò)槽車(chē)運(yùn)輸至沿海集中存儲(chǔ)點(diǎn),注入CO2運(yùn)輸船后再運(yùn)輸至海上封存點(diǎn)封存。這種混合模式可以使規(guī)模較小且較為分散的CO2排放源全鏈條封存成本更低。

      5 中國(guó)規(guī)模化碳封存產(chǎn)業(yè)前景展望

      5.1 陸上規(guī)?;挤獯娼?jīng)濟(jì)性分析

      中國(guó)已投運(yùn)或建設(shè)中的CCUS示范項(xiàng)目約40個(gè),規(guī)模較小且多以捕集驅(qū)油示范為主,封存成本相對(duì)較高。但隨著規(guī)?;獯鎽?yīng)用和技術(shù)進(jìn)步,CCUS捕集、運(yùn)輸、封存、利用這4個(gè)主要環(huán)節(jié)的成本都將逐步降低(表1):預(yù)計(jì)至2030年,CO2捕集成本為90~390元/t,2060年為20~130元/t;CO2管道運(yùn)輸是未來(lái)大規(guī)模示范項(xiàng)目的主要輸送方式,預(yù)計(jì)2030和2060年管道運(yùn)輸成本分別為0.7和0.4元/(t·km);2030年CO2封存成本為40~50元/t,2060年封存成本為20~25元/t[10,12]。

      表1 2020—2060年CCUS成本估計(jì)Table 1 Cost estimation of CCUS from 2020 to 2060

      按照最低處理成本計(jì)算,目前中國(guó)碳封存項(xiàng)目的平均處理成本大約為500~600元/t,遠(yuǎn)高于中國(guó)碳排放權(quán)40~50元/t交易價(jià)格水平。預(yù)計(jì)2025—2030年,部分地區(qū)將具備初步規(guī)模化CCUS的應(yīng)用條件;2050年,規(guī)?;疌CUS技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用,并在全國(guó)范圍內(nèi)建立多個(gè)規(guī)模化CCUS中心。

      5.2 海上規(guī)模化碳封存經(jīng)濟(jì)性分析

      根據(jù)以上對(duì)分布式CO2液化及海上封存、集中式CO2液化及海上封存的全鏈條投資及運(yùn)行成本的分析,分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈總投資約102億元,單位運(yùn)行成本1200元/t;集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)鏈總投資130億元,單位運(yùn)行成本約600元/t??紤]到技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的設(shè)備投資下降、工藝流程優(yōu)化、能耗降低及產(chǎn)業(yè)規(guī)?;蟮慕当拘б娴纫蛩?,預(yù)計(jì)今后分布式可降至約1 000元/t,集中式產(chǎn)業(yè)鏈單位運(yùn)行成本可降至約475元/t,混合式產(chǎn)業(yè)鏈成本在二者之間。

      在當(dāng)前的技術(shù)條件下,分布式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式、集中式CO2液化及海上封存產(chǎn)業(yè)模式以及混合模式的產(chǎn)業(yè)鏈投資均較大、運(yùn)行成本較高,與目前國(guó)內(nèi)碳配額價(jià)格相比仍存在較大差距,但今后隨著技術(shù)進(jìn)步及國(guó)內(nèi)碳配額逐步收緊,產(chǎn)業(yè)鏈成本與碳配額價(jià)格將相向而行,國(guó)內(nèi)碳配額價(jià)格有望向歐盟碳市場(chǎng)看齊(2021年12月初歐盟碳價(jià)接近90歐元/t,約合640元人民幣/t),而產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)成本則會(huì)逐步下降,經(jīng)濟(jì)性得以顯現(xiàn),或可能實(shí)現(xiàn)規(guī)?;爱a(chǎn)業(yè)化。

      5.3 海、陸規(guī)?;挤獯娼?jīng)濟(jì)性比較

      無(wú)論是陸上還是海上的規(guī)模化碳封存,在當(dāng)前的技術(shù)條件和國(guó)內(nèi)碳價(jià)水平下,經(jīng)濟(jì)性都不理想,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程或者產(chǎn)業(yè)化規(guī)模都受到很大的制約。相較而言,CO2液化后進(jìn)行海上封存雖然目前成本略高,但不管從中國(guó)碳封存潛力區(qū)與高碳排放源集中區(qū)的源匯匹配上看,還是從地質(zhì)封存的持久性和安全性來(lái)看,CO2液化后進(jìn)行海上封存要優(yōu)于陸上碳封存。今后隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化,二者的成本差距也會(huì)同步下降,差距進(jìn)一步減小。CO2作為一種“負(fù)”資源,商務(wù)鏈條的談判與安排應(yīng)與具體項(xiàng)目的可行性研究同步進(jìn)行,價(jià)格公式的構(gòu)成(如是否要與碳價(jià)掛鉤等問(wèn)題)等全新課題,應(yīng)盡早著手開(kāi)展研究。

      6 結(jié)論與建議

      1)解決能源相關(guān)碳排放問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和的關(guān)鍵。2010年以來(lái),中國(guó)CO2排放總量呈遞增趨勢(shì),2020年CO2排放總量為107.7億t,其中與能源相關(guān)碳排放為100.3億t,2021年CO2排放總量約120億t,碳達(dá)峰之前中國(guó)碳排放增量主要來(lái)自于能源消費(fèi)。可見(jiàn)要實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo),必須從減少能源相關(guān)碳排放入手。

      2)碳封存是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑。中國(guó)碳減排主要包括3種途徑:一是以風(fēng)、光、氫、核等清潔能源替代化石能源;二是植樹(shù)造林等生態(tài)固碳方法;三是CCUS。清潔能源短期很難完全取代傳統(tǒng)化石燃料,且即使有清潔能源替代等方法,制造業(yè)或其他產(chǎn)業(yè)完全實(shí)現(xiàn)零碳排放是很困難的,清潔能源生產(chǎn)本身也會(huì)產(chǎn)生碳排放,如年產(chǎn)1 GWh的鋰電池,碳排量為7萬(wàn)t/a;而生態(tài)固碳路徑受到土地等條件的制約也存在上限;2060年,仍有5億t CO2需要通過(guò)碳捕捉、碳利用和碳封存等固碳技術(shù)實(shí)現(xiàn)減排。碳利用的規(guī)模取決于下游端的需求,在技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)性上存在較大的不確定性,發(fā)展規(guī)模受限,而中國(guó)地質(zhì)封存潛力約為1.21萬(wàn)億~4.13萬(wàn)億t,規(guī)?;挤獯婵勺鳛橹袊?guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的兜底路徑。

      3)規(guī)?;俏磥?lái)中國(guó)碳封存技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。中國(guó)的碳封存尚處于初步示范階段,單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模較小、經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。受限于規(guī)模和成本,目前項(xiàng)目捕集的CO2多用于提高油氣采收率,缺乏大規(guī)模的多種技術(shù)組合的全流程工業(yè)化示范。一般250 km是不需要CO2中繼壓縮站的最長(zhǎng)管道距離,建設(shè)成本比較低;超過(guò)250 km陸上管道輸送成本較高,可考慮通過(guò)CO2液化后運(yùn)至海上進(jìn)行封存的方式。

      4)規(guī)模化碳封存的商業(yè)化仍有待技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)一步成熟。技術(shù)上需解決CO2高效吸附、CO2管道防腐材料、封存物化機(jī)理和泄漏監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。在當(dāng)前技術(shù)條件下,根據(jù)工藝路線的不同國(guó)內(nèi)碳封存項(xiàng)目的平均處理成本約500~1200元/t,與當(dāng)前國(guó)內(nèi)碳價(jià)水平相去甚遠(yuǎn)。未來(lái)隨著碳捕集、碳封存、碳利用技術(shù)的優(yōu)化,國(guó)內(nèi)碳市場(chǎng)的進(jìn)一步成熟并于國(guó)際碳市場(chǎng)的協(xié)同接軌,加之其他碳減排手段達(dá)到極限進(jìn)一步推高碳市場(chǎng)價(jià)格,規(guī)模化碳封存的成本與碳價(jià)將呈現(xiàn)相向而行的趨勢(shì),規(guī)模化碳封存的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn),未來(lái)可形成成熟產(chǎn)業(yè)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。

      5)摸排全國(guó)碳封存潛力,開(kāi)展源匯匹配研究。根據(jù)研究,碳封存項(xiàng)目將在2025—2030年具備初步規(guī)模化發(fā)展的條件。作為有志于參與能源行業(yè)碳減排的參與者,應(yīng)從“十四五”期間提前布局、積極開(kāi)展區(qū)域內(nèi)陸上及海上碳封存潛力評(píng)價(jià),進(jìn)一步做好源匯匹配和可行性研究,為建設(shè)規(guī)模化CCUS中心,開(kāi)展規(guī)模化、全流程CCUS示范工程項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。

      6)提前規(guī)劃布局,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展。中國(guó)已具備規(guī)?;挤獯娴募夹g(shù)和工程能力,成本低、經(jīng)濟(jì)可行性高的技術(shù)路線將是未來(lái)資本追逐的熱點(diǎn),而全國(guó)碳市場(chǎng)建立和交易機(jī)制的進(jìn)一步完善,將從經(jīng)濟(jì)性上助推規(guī)模化碳封存技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。當(dāng)前,應(yīng)積極規(guī)劃布局CCUS基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),開(kāi)展大規(guī)模示范及產(chǎn)業(yè)化集群的建設(shè),超前部署低成本、低能耗的CCUS技術(shù)示范,推進(jìn)CCUS技術(shù)的不斷進(jìn)步,突破大規(guī)模、全流程工程示范的瓶頸,盡早實(shí)現(xiàn)規(guī)?;l(fā)展。

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