碳中和目标下,中国碳捕集利用与封存技术应用前景


文|张贤


碳捕集利用与封存(CCUS)指将二氧化碳从排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现二氧化碳减排的技术过程。作为目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术,CCUS是我国实现2060年碳中和目标技术组合的重要构成部分。近年来,我国在碳捕集、输送、利用及封存多个技术环节均取得显著进展,已经具备CCUS技术工业化应用能力;但CCUS商业化一直面临高成本、高能耗的挑战,相关激励政策、产业部署及管理体系有待完善。未来,应加快开展CCUS大规模全链条集成示范,科学制定CCUS技术发展规划和激励政策,为实现碳中和目标、保障能源安全、促进经济社会可持续发展提供技术支撑。

一、CCUS是我国实现碳中和目标技术组合的重要构成部分

1.CCUS是目前实现大规模化石能源零排放利用的唯一技术选择。我国能源系统规模庞大、需求多样,从兼顾实现碳中和目标和保障能源安全的角度考虑,未来应积极构建以高比例可再生能源为主导,核能、化石能源等多元互补的清洁低碳、安全高效的现代能源体系。2019年,煤炭占我国能源消费的比例高达58%;根据已有研究的预测,到2050年,化石能源仍将扮演重要角色,占我国能源消费比例的10%~15%。CCUS将是目前实现该部分化石能源净零排放的唯一技术选择。

2.CCUS是碳中和目标下保持电力系统灵活性的主要技术手段。2060年前达到碳中和目标要求电力系统大幅提高非化石电力比例,并提前实现净零排放,但短期内迅速提升非化石电力占比,必将造成电力系统在供给端和消费端不确定性的显著增大,影响电力系统的安全稳定。充分考虑电力系统实现快速减排并保证灵活性、可靠性的多重需求,火电加装CCUS是当前具有竞争力的重要技术手段。火电加装CCUS可以推动电力系统净零排放,提供稳定清洁电力,平衡可再生能源发电的波动性,在避免季节性或长期性的电力短缺方面发挥惯性支撑和频率控制等重要作用。

3.CCUS是钢铁水泥等难以减排行业深度脱碳的可行技术方案。国际能源署发布2020年钢铁行业技术路线图,预计到2050年,钢铁行业通过采取工艺改进、效率提升、能源和原料替代等常规减排方案后,仍然剩余34%的碳排放量,即使氢能直接还原铁技术取得重大突破,剩余碳排放量也超过8%。水泥行业通过采取其他常规减排方案后,仍剩余48%的碳排放量。CCUS是钢铁水泥等难以减排行业实现净零排放为数不多的可行技术方案。

4.CCUS与新能源耦合的负排放技术是实现碳中和目标的托底技术保障。研究表明,到2060年,我国仍有部分无法减排的温室气体排放需要通过碳汇和负排放来抵消,应提前储备和部署生物质耦合CCUS技术(BECCS)和直接空气捕集(DAC)等负排放技术。考虑我国尚未开展BECCS示范项目,并且生物质燃料的资源潜力受空间分布不均、可利用土地面积有限、环境政策制约等多种因素限制,聚焦评估BECCS减缓气候变化的综合效用和潜在风险,并为未来大规模实施BECCS开展技术储备和部署规划是当务之急。

二、碳中和目标下,发展CCUS技术具有多重协同效益

1.CCUS技术可为我国实现碳中和目标提供可观的减排贡献。综合考虑CCUS技术在电力系统、工业部门的应用及其负排放潜力,研究显示预计到2050年,CCUS技术可提供减排贡献为11亿~27亿吨二氧化碳。理由如下:一是据预测,CCUS技术对电力系统的减排贡献在4.3亿~16.4亿吨。2019年中国能源电力发展展望指出,我国电力需求到2050年预计增长到12万亿~15万亿度,即使火电占比大幅缩减至10%左右,仍有4.3亿~16.4亿吨二氧化碳需通过CCUS技术减排才能实现电力系统的净零排放。二是CCUS技术对钢铁及水泥等难以减排行业的减排贡献突出。2019年能源转型委员会与落基山研究所联合发布的报告《中国2050:一个全面实现现代化国家的零碳图景》指出,我国钢铁行业到2050年预计产量为4.75亿吨,即使考虑了其他各项减排措施后,要实现净零排放,还有0.5亿~2.1亿吨二氧化碳需要通过CCUS进行减排。同理,即使我国水泥行业到2050年预计产量压缩到约8亿吨,在采用了其他减排技术后,仍有约2.6亿吨二氧化碳的减排需依靠CCUS技术。三是BECCS、DAC等负排放技术的减排潜力巨大。《2019年可再生能源数据手册》指出,考虑农业剩余物、林业剩余物、能源作物等生物质燃料,我国生物质到2050年资源潜力可达6亿吨标煤,对应二氧化碳负排放潜力可达3.6亿~5.9亿吨。

2.CCUS技术的大规模部署将有效增强我国实现碳中和目标的经济性。一是包含CCUS技术在内的多种低碳技术组合是实现碳中和目标最为经济可行的方案。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出,如果不采用CCUS技术,要实现本世纪末全球温升不超过2℃的减排目标,估计整体减排成本增幅将高达138%。通过采取CCUS与能效提升、终端节能、储能、氢能等多领域多技术的减排方案相结合,有助于获得最大成本效益。二是CCUS技术的大规模部署可以避免大量基础设施建设的搁浅成本。2019年,我国火电合计装机容量已达1191GW。火电加装CCUS不仅可以避免已经投产的机组提前退役,还能减少因建设其他低碳电力基础设施造成的额外投资,降低实现碳中和目标的经济成本。三是CCUS未来技术成本评估总体乐观。2019年中国CCUS技术路线图指出,目前高浓度排放源应用CCUS的技术成本仅为19.7~33.1美元/吨,二氧化碳驱油技术(CO2-EOR)已经具有零成本甚至负成本的机会。预计2035年前,CCUS的技术成本有望继续下降30%以上,部分利用技术能够产生较高的经济效益;同时考虑碳市场和碳税等激励政策,综合评估CCUS未来技术成本可接受,可以实现商业化推广。

3.CCUS技术在保障能源安全、促进绿色经济发展和提高生态环境综合治理能力等方面具备较好的协同效益。一是CCUS技术能够推动多元能源系统构建并避免能源结构过激调整,进而保障国家能源安全。CCUS技术协同开展低碳化石能源制氢,在降低制氢成本的同时,实现高碳与低碳能源协同发展与安全利用。二是二氧化碳资源化利用促进绿色经济发展。伴随未来低碳科技创新与成果转化,二氧化碳资源化利用有望发展成为占据绿色经济制高点的新兴战略产业,在增加市场绿色产品供给量的同时,带动产业低碳科技创新和工艺转型的积极性。三是CCUS技术有助于提高生态环境综合治理能力。我国以化石能源为主的能源结构导致二氧化碳与主要大气污染物的排放具有很强的“同根、同源、同过程”特征,火电加装CCUS有助于推进二氧化碳和大气污染物的协同治理。此外,二氧化碳驱水技术(CO2-EWR)为我国西部水资短缺问题提供了新的解决方案。通过利用该技术将捕集到的二氧化碳注入咸水层,可以驱替深部咸水并淡化利用;同时该项技术可以降低地下压力,提高二氧化碳封存工程的安全性。

三、统筹部署CCUS技术发展,加快推进新一代CCUS技术研发和集成示范

2060年碳中和目标对我国CCUS技术发展规划提出新要求。我国未来应加大对CCUS技术研发投入和政策扶持力度,推进低成本、低能耗、安全可靠的全链条集成示范及商业化应用进程。

1.加大CCUS技术研发投入,加快成本及能耗的降低。一是针对碳捕集、分离、运输、利用、封存及监测等各个环节开展核心技术攻关。争取到2035年前第二代捕集技术实现商业化应用,新型利用技术实现商业化推广。二是开展大规模全链条集成示范工程。争取在“十四五”时期建成3~5个百万吨级CCUS全链条示范项目,到2030年前建成千万吨级CCUS产业促进中心。三是超前部署新一代低成本、低能耗CCUS技术研发,发展与新能源耦合的负排放技术,驱动技术成本显著下降。

2.推进CCUS技术商业化应用进程,避免错过电力系统和工业部门的最佳改造窗口期。一是紧抓早期机会加速商业化推广。将目前已商业化的捕集技术应用于高浓度排放源,并与地质、化工、生物等较为成熟的利用技术相结合,推动形成种类多样化、附加值较高的终端商业产品。二是把握2030~2035年CCUS技术电厂改造的最佳改造窗口期,争取最大减排效益。三是在最佳改造窗口期内完成技术代际更替,从而避免技术锁定。按照改造成本最优原则,CCUS技术的代际更替应在最佳改造窗口期内完成。若晚于最佳改造窗口期,燃煤电厂的剩余寿命将难以支撑其进行新一代CCUS技术改造投资,进而导致其被第一代CCUS技术大面积锁定而无法采用新一代技术。

3.探索制定CCUS激励政策及标准体系。一是充分借鉴美国45Q税收法案,探索制定适合我国的CCUS税收优惠和补贴激励政策,形成投融资增加和成本降低的良性循环。二是给予超前部署的新一代低成本、低能耗技术以及与新能源耦合的负排放技术同等政策激励。三是制定CCUS行业规范、制度法规以及科学合理的建设、运营、监管、终止标准体系。大幅提升新建电厂的碳排放标准,明确在役电厂改造的技术适用性标准;不断完善输送管道的设计及安全标准;分类制定二氧化碳利用或封存的品质标准。

4.规划布局CCUS基础设施建设。一是加大对基础设施的投资力度,优化设施管理模式,建立合作共享机制。二是注重与已有资源整合,立足于正在建设的新疆产业促进中心,逐步升级完善现有设施。三是以基础设施合作共享带动形成新的产业促进中心减少CCUS项目早期投资成本。

5.加强国际合作与交流,深化多边机制合作与知识共享。一是通过中美清洁能源联合研究中心、中英(广东)CCUS中心等国际合作平台进一步创新引领国际合作机制。二是推动发达国家向发展中国家的技术转移,创立CCUS知识体系,缩短研发周期。三是在国际能源署、清洁能源部长级会议、碳收集领导人论坛、油气气候倡议组织等框架下积极开展多边合作与知识共享。


作者单位:中国21世纪议程管理中心