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【国际报告】IEA:碳捕集、利用与封存(CCUS)——世界能源技术展望2020特别报告

   近日,国际能源署(IEA)发布《碳捕集、利用与封存(CCUS)——世界能源技术展望2020特别报告》,报告分析了CCUS当前在全球的发展形势与技术创新趋势,强调CCUS是实现净零排放目标的关键部分,提出了政府和业界需要迅速采取的行动。报告正文共分为5章:CCUS的新时代、向净零排放过渡中的CCUS、CCUS技术创新、不同地区的发展前景、加快部署CCUS的重要性,小编重点编译了前3章部分内容,与各位读者一起分享。如转载请标明译文来源。

碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilisation and storage,CCUS)技术是实现减排目标过程中唯一一组既能直接减少关键领域碳排放,又能降低已有CO2浓度以平衡无法避免的碳排放。这是实现 “净”零目标的关键部分。

如今,全球大约只有20家商业CCUS项目,远远达不到将全球碳排放带入可持续发展轨道的要求。但是CCUS保持着增长的势头——通过政策、投资和国际合作,全球各地的政府和企业都有能力推动CCUS进一步发展。

CCUS的新时代

CCUS指从大型排放源捕获CO2的整套技术,包括使用化石燃料或生物质的发电或工业设施,CO2也可以直接从大气中捕获。除了直接利用,捕获的CO2还可以被压缩并通过管道、船舶、铁路或卡车运输,用于各种应用场景,或注入深层地层(包括枯竭的油气田或盐碱地层),从而将CO2永久储存。

⬆ 图1 CCUS原理示意图

将CO2用于工业用途可以为CCUS设施提供潜在的收益。到目前为止,绝大多数CCUS项目都依赖于向石油公司出售CO2以提高石油采收率而获得收益,但CO2还有许多其他潜在用途,包括作为合成燃料、化学品和建筑材料的生产原料。

CCUS技术在净零转型中具有重要战略价值:

  • CCUS可以改造现有电厂和工厂,如果不加以改造,到2050年它们仍将排放8 GtCO2

⬆ 图2 2019—2050年世界能源部门现存电力和工业设施的CO2排放量

  • CCUS可以解决其他技术选择有限的行业的排放问题,如水泥、钢铁或化学品的生产,以及为长途运输(特别是航空)合成燃料的生产。

在占全球CO2排放近20%的重工业,以及航空、公路和海运等长途运输方式等部门,要替代化石燃料,要么过于昂贵,要么不具可行性。另外,如水泥的生产,尽管不燃烧化石燃料,但是加热石灰石会分解产生CO2,约占全球水泥生产2.4亿t排放的三分之二,是所有能源部门排放的4%以上,如果没有CCUS,根本无法实现净零排放。

  • CCUS是成本最低的低碳制氢方法。

CCUS可以促进从天然气或煤中获得清洁氢能。配备CCUS的制氢成本大约是由可再生能源电解制氢的一半。随着电解槽和可再生能源电力价格的降低,电解氢的成本肯定会随着时间的推移而下降,但在化石燃料和CO2封存成本较低的地区,配备CCUS的制氢仍然极有可能是一种有竞争力的选择。

  • 通过将CCUS与生物质能或直接空气捕捉结合,可以减少大气中的CO2,从而平衡那些难以避免或技术上难以减少的碳排放。


如今,全球有21个CCUS项目,有近一半项目都集中在美国,但是最近10年,澳大利亚、巴西、加拿大、中国、沙特和阿联酋等地的CCUS也陆续投入使用。所有项目的产能可达到每年40 MtCO2

但是到目前为止,CCUS技术并没有达到其预期。尽管CCUS在实现气候目标方面的作用早就得到了认可,但其部署却很缓慢:每年CCUS的投资在全球清洁能源和能效技术投资中一直不到0.5%。

更强的气候目标和投资激励正在为CCUS注入新的动力。自2017年以来,已有30多个新的综合CCUS项目被提上日程,主要集中在美国和欧洲,另外澳大利亚、中国、韩国、中东和新西兰等地也有计划,如果所有这些项目都得以实施,全球碳捕集能力将增加2倍以上,达到每年130 Mt左右。另外处于规划后期的项目总投资估计超过270亿美元,几乎是2010年以来已投产项目的2倍。

⬆ 图3 全球正在运营和开发中的大型CCUS项目

新冠肺炎疫情危机对CCUS既是一种威胁,也是一种机遇:经济低迷几乎肯定会影响投资计划,而低油价也在削弱利用CO2提高石油采收率的吸引力。但与全球金融危机之后相比,CCUS在促进经济复苏方面处于更有利的地位。十年的项目开发经验和最近增长的活动意味着,有许多“准备就绪”的项目可能在2025年将CCUS的部署增加一倍。

向净零排放过渡中的CCUS

在IEA可持续发展情景(Sustainable Development Scenario)中,到2070年,全球能源部门的CO2净排放量将降至零,与既定政策情景(Stated Policies Scenario)相比,CCUS约占累计减排量的15%。随着技术的改进、成本的下降以及一些行业中缺乏更廉价的减排选择,CCUS的贡献会随着时间的推移而增长。到2070年,来自全球能源部门的CO2捕集将达到10.4 Gt。

⬆ 图4 可持续发展情景相较于既定政策情景的全球能源部门CO2减排量

CCUS最初的重点是改造现有的化石燃料发电厂和工厂,以及制氢等成本较低的CO2捕集。随着时间的推移,其重点转向生物质能结合CCS技术(BECCS)和直接空气捕集(DAC)用于除碳,并作为合成燃料等多种应用场景下碳中和的手段。

到2070年,电力部门碳捕集约占总量的40%,其中近一半与生物质能有关。约有四分之一来自重工业,而重工业的排放很难或者目前无法通过其他方式减少(如水泥的生产)。另外30%来自制氢、氨和生物燃料。还有7%来自DAC。

⬆ 图5 可持续发展情景下的CO2排放、捕获和清除

电力部门是当今最大的CO2排放者,约占全球与能源有关的CO2排放量的40%。在可持续发展情景中,受经济增长、终端电能替代以及发展中经济体的电力供应增加的推动,到2070年,电力需求几乎是现在的3倍(相当于每8年增加一个中国电网)。但是,电力部门是可持续发展情景中脱碳最快的部门之一,在21世纪50年代达到零净排放。尽管有各种各样的低碳发电技术,但CCUS预计仍将发挥重要作用,原因有3点:

  1. CCUS可以通过改造来帮助打破大量现有火电厂的“碳锁定”效应。

  2. 通过基于BECCS的生物质燃料发电厂,电力部门可实现净负排放。

  3. 随着可变可再生能源在发电中的份额以及对可调度容量需求的增加,CCUS可以帮助满足电力系统不断增长的灵活性需求。

⬆ 图6 可持续发展情景下2019—2070年全球配备了碳捕集设备电厂的发电量

在可持续发展情景下,到2070年,全球的氢气使用量将增加7倍,达到520 Mt,将有助于交通、工业、建筑和电力部门的脱碳,约6%的累计减排来自低碳氢,而配备CCUS设备的化石燃料制氢将满足40%的氢气需求。配备CCUS的化石燃料制氢在北美、亚洲和中东发挥着关键作用。

⬆ 图7 可持续发展情景下2070年CCUS在氢和合成燃料生产中的使用

⬆ 图8 可持续发展情景下氢气产量与区域碳捕集数量

CCUS技术创新

CCUS能够为实现零净排放做出贡献的程度在很大程度上取决于技术进步。CCUS的成熟度因技术类型和应用场景而异:一些技术已经成熟,可以迅速规模化应用,比如燃煤发电和制氢等,而其他一些技术则需要进一步发展。

⬆ 图9 IEA技术就绪水平量表

了解更多技术创新差距请点击阅读下文:

可持续发展情景相对于既定政策情景,到2070年CCUS三分之二的累计减排量来自于原型或示范阶段的技术。考虑到所涉及的时间滞后,需要加快创新以确保关键的应用场景在未来十年内可以实现商业化。

⬆ 图10 CCUS价值链中选取技术的就绪水平

⬆ 图11 相较于既定政策情景,可持续发展情景中按技术就绪水平类别划分的全球CCUS减排量

一些碳捕集技术的成熟程度与最需要它们的领域之间存在脱节。例如,水泥行业中最先进的碳捕集技术仅在示范阶段,但是缺乏替代技术选择意味着在可持续发展情景中CCUS要实现该行业60%的减排量。其他需要重大创新来推动的CCUS应用包括化工和钢铁、燃气发电、BECCS和DAC。

⬆ 图12相较于既定政策情景,2020—2070年CCUS的全球累计CO2减排量在可持续发展情景中的应用和技术就绪水平

碳捕集是多个工业过程的集成,从烟气中分离或捕集CO2的技术已经商业成熟几十年。最先进和最广泛采用的碳捕集技术是化学吸收法和物理分离法;其他技术还包括薄膜法、化学循环和钙循环法。在实际应用中,最合适的碳捕集技术取决于许多因素,包括初始和最终所需的CO2浓度、操作压力和温度、气流的组成和流量、与原始设备的集成以及成本考虑。这些不同的因素导致碳捕集的成本可能会存在很大差别。

⬆ 图13  2019年不同部门和初始CO2浓度下的平准化碳捕集成本

通过基础设施的安全、可靠地运输CO2是保证CCUS部署重要因素。CO2运输的两个主要选项是通过管道和海运,对于短距离和小规模的运输也可以通过卡车或铁路,尽管其成本很高。通过管道运输的方法已大规模部署并实施多年,大规模的海运并未得到示范应用,但其运输与液化石油气或天然气具有相似之处。技术创新可以改善现有技术并带来新的机会,包括更先进的大规模运输CO2和长期监测所存储的CO2技术。包括合成燃料和化工在内的CO2利用创新对于降低成本至关重要。

⬆ 图14 海运和海上管道的运输成本

CO2可以作为一系列产品和服务的原料。CO2的潜在应用包括直接使用(不发生化学变化),以及将CO2转化为其他产品(发生化学变化)。现在,全球每年大约消耗230 MtCO2。最大的消费者是化肥行业,每年使用125 MtCO2作为生产尿素的原料,其次是石油和天然气行业,每年消耗70至80MtCO2来提高采收率。CO2的其他商业用途还包括食品和饮料生产、制冷、水处理以及温室里用于促进植物生长。未来,化学和生物技术为CO2的使用提供了新的途径,尽管有些技术还处在初级阶段。基于CO2的产品主要分为三大类:合成燃料、化工产品和建筑材料。

封存CO2需要将捕获的CO2注入不可渗透的深层地下储层中,并封闭储层防止CO2逸出到大气中。在全球范围内,深层地层的碳封存容量还不明确,但是理论容量是巨大的,据估计约8000到55 000Gt,不太会成为CCUS的制约因素,且远远超过实现净零排放所需的容量。在几种适合CO2的储层中,深层盐水层和枯竭的油气田容量最大。在可持续发展情景中,仅使用了全球潜在碳封存容量的3%。进一步的勘探和评估对于在关键地区提供对碳封存可用性的信心至关重要。

⬆ 图15 全球各地区理论碳封存容量

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编辑:李锡

审核:白恺