國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布《CCUS在低碳發(fā)電系統(tǒng)中的作用》報(bào)告

文章來(lái)源:世界低碳城市聯(lián)盟碳交易網(wǎng)2020-10-29 13:29

近日，國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布《CCUS在低碳發(fā)電系統(tǒng)中的作用》報(bào)告，分析了碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)在加速低碳發(fā)電轉(zhuǎn)型的作用以及當(dāng)前的進(jìn)展現(xiàn)狀。報(bào)告指出，CCUS技術(shù)是化石燃料電廠降低排放的關(guān)鍵解決方案，在推進(jìn)電力系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用。如果不采用CCUS技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)可能需要關(guān)閉所有化石燃料發(fā)電廠。然而，當(dāng)前CCUS在發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展并未達(dá)到預(yù)期，報(bào)告提出了電力部門(mén)發(fā)展CCUS的政策建議。報(bào)告關(guān)鍵要點(diǎn)如下：

1、CCUS技術(shù)對(duì)于降低碳排放至關(guān)重要

•化石燃料仍是世界最大電力來(lái)源，發(fā)電是能源部門(mén)最大的碳排放源。當(dāng)前，燃煤和天然氣發(fā)電仍占據(jù)全球電力部門(mén)主導(dǎo)地位，占發(fā)電總量近2/3。2000年以來(lái)，全球化石燃料發(fā)電量增長(zhǎng)了70%。煤炭仍然是最大的發(fā)電燃料來(lái)源（38%），其次是天然氣（約20%）。中國(guó)和印度的燃煤發(fā)電占其總發(fā)電量60%以上。電力是能源行業(yè)最大的碳排放來(lái)源，占全球能源相關(guān)碳排放量近40%。盡管迫切需要解決氣候變化，2019年電力部門(mén)碳排放量?jī)H略低于2018年的歷史最高值（136億噸）。

•需利用一切手段解決化石燃料發(fā)電的碳排放問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)低碳未來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，政策制定者需要解決現(xiàn)有燃煤發(fā)電廠和在建電廠的排放問(wèn)題。然而，根據(jù)各國(guó)政府的現(xiàn)行政策，盡管現(xiàn)有燃煤機(jī)組的碳排放量將下降約40%，但到2040年仍將達(dá)到60億噸/年。截至2020年初，仍有大量燃煤發(fā)電機(jī)組在建，為今后減排帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如果不在大力部門(mén)大規(guī)模應(yīng)用CCUS技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期氣候目標(biāo)將需要完全取消燃煤及天然氣發(fā)電。

•CCUS技術(shù)在支持現(xiàn)代靈活電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。根據(jù)IEA可持續(xù)發(fā)展情景，配備CCUS的燃煤及天然氣發(fā)電廠對(duì)于安全、可持續(xù)和負(fù)擔(dān)得起的電力系統(tǒng)越來(lái)越重要，到2040年配備CCUS的發(fā)電廠將提供全球5%的電力。滿足氣候目標(biāo)還需建立極其靈活的電力系統(tǒng)，能夠管理高比例波動(dòng)性可再生能源。燃煤和天然氣發(fā)電廠一直是電力系統(tǒng)靈活性的主要來(lái)源，為電網(wǎng)運(yùn)行提供慣性和頻率控制等。CCUS使這些電廠能夠繼續(xù)發(fā)揮此類作用，并滿足長(zhǎng)期靈活性要求。

2、CCUS技術(shù)將支持電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型

•CCUS技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)、擴(kuò)大低碳能源組合十分重要，為構(gòu)建低碳未來(lái)發(fā)揮重要作用。碳捕集技術(shù)一直被確定為支持全球電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型所需的成本最低的技術(shù)組合的一部分，這對(duì)于以化石燃料發(fā)電為主的國(guó)家尤為重要。將碳捕集納入低碳技術(shù)組合可降低電力系統(tǒng)改造的總成本。根據(jù)IEA可持續(xù)發(fā)展情景，到2040年，全球有315吉瓦發(fā)電機(jī)組將配備CCUS設(shè)備，意味著未來(lái)20年改造和新增的CCUS容量須達(dá)到平均15吉瓦/年，配備碳捕集的化石燃料電廠平均每年將增加近300億美元的支出。到2040年，配備CCUS的發(fā)電廠將提供1900太瓦時(shí)的電力（圖1），占全球發(fā)電量5%，而2030年這一比例僅為1.5%（470太瓦時(shí)）。2040年，全球燃煤發(fā)電量中有40%來(lái)自配備碳捕集的燃煤電廠，而天然氣發(fā)電量中有16%來(lái)自配備碳捕集的天然氣電廠。CCUS在未來(lái)20年將捕集約970億噸發(fā)電碳排放，超過(guò)航空業(yè)10年的排放量（以2019年水平計(jì)）。

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•CCUS可解決現(xiàn)有電廠的碳排放問(wèn)題。全球幾乎1/3的化石燃料電廠運(yùn)行時(shí)間還不滿十年，大多數(shù)化石燃料電廠都不可能在2050年前退役，因此CCUS為現(xiàn)有和規(guī)劃中的化石燃料電廠的碳排放提供了一個(gè)可行的解決方案。碳捕集改造對(duì)于一些附近可封存CO2或利用CO2的新建高效化石燃料電廠最具吸引力，在評(píng)估改造是否能產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值時(shí)，必須考慮現(xiàn)有發(fā)電廠的某些技術(shù)特征，如電廠壽命、容量、部署碳捕集設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)空間、容量因子和類型、燃料來(lái)源的位置，燃煤電廠的冷卻方式和蒸汽循環(huán)設(shè)計(jì)等對(duì)改造成本有重要影響。IEA對(duì)中國(guó)現(xiàn)有燃煤機(jī)組的分析發(fā)現(xiàn)，考慮上述因素，適合改造的機(jī)組超過(guò)300吉瓦。IEA認(rèn)為，解決現(xiàn)有燃煤電廠排放問(wèn)題應(yīng)基于三個(gè)方面：利用碳捕集改造電廠、利用燃煤電廠提供靈活性、在不可能進(jìn)行碳捕集的地區(qū)淘汰燃煤電廠。如果不采用CCUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)將需要幾乎完全取消化石燃料發(fā)電。資產(chǎn)所有者將因此而蒙受損失，同時(shí)還意味著對(duì)其他低碳電力及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的投資增加。

•配備CCUS的化石燃料電廠能夠確保電力系統(tǒng)靈活性。隨著波動(dòng)性可再生能源占比上升，電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商將面臨日益增長(zhǎng)的靈活性需求?；剂想姀S與水力發(fā)電和電網(wǎng)互聯(lián)共同滿足了當(dāng)前大部分的靈活性需求。實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)意味著需要建立極為靈活的電力系統(tǒng)，配備CCUS的火力發(fā)電廠將成為未來(lái)高度靈活的電力系統(tǒng)的重要組成，火力發(fā)電在平衡波動(dòng)性可再生能源造成的季節(jié)性或長(zhǎng)期電力短缺方面發(fā)揮重要作用。在充分考慮電力系統(tǒng)靈活性、可靠性和碳排放的情況下，碳捕集在電力系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力將增加。

•碳捕集技術(shù)有希望實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的凈零排放或負(fù)排放。將生物能發(fā)電與CCS結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)凈零排放或負(fù)排放電廠，這可以在抵消其他部門(mén)排放方面發(fā)揮重要作用，如長(zhǎng)途運(yùn)輸和工業(yè)加工，或是抵消用于電力調(diào)峰的天然氣發(fā)電廠的排放量。配備CCS的生物能電廠與配備CCUS的化石燃料電廠相比，在碳價(jià)提升的情況下，前者的成本競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越強(qiáng)。配備碳捕集的生物質(zhì)聯(lián)合燃燒可能是現(xiàn)有化石燃料發(fā)電最具成本效益的方法之一，IEA的研究發(fā)現(xiàn)，10%的生物質(zhì)混合燃燒配備捕集率達(dá)到90%的碳捕集系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)碳中性超臨界燃煤發(fā)電的最經(jīng)濟(jì)選擇。為了提升配備CCUS電廠的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)設(shè)計(jì)電力市場(chǎng)的商業(yè)模式以獎(jiǎng)勵(lì)靈活性服務(wù)。

3、CCUS技術(shù)的全球進(jìn)展

•碳捕集在發(fā)電領(lǐng)域的進(jìn)展并未達(dá)到預(yù)期，但在一些關(guān)鍵地區(qū)正出現(xiàn)新的項(xiàng)目。目前電力部門(mén)有兩個(gè)大規(guī)模CCUS項(xiàng)目正在運(yùn)營(yíng)，即佩特拉諾瓦（Petra Nova）項(xiàng)目和邊界大壩（Boundary Dam）項(xiàng)目，兩個(gè)項(xiàng)目均是對(duì)現(xiàn)有電廠的改造。其中Petra Nova項(xiàng)目2017年投運(yùn)，裝機(jī)容量240兆瓦，是世界上最大的燃燒后碳捕集系統(tǒng)，每年捕集1.4噸CO2并用于提高石油采收率。日本Osaki CoolGen碳捕集示范項(xiàng)目于2019年12月開(kāi)始測(cè)試，從166兆瓦的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電廠中捕集CO2。英國(guó)的BECCS試點(diǎn)項(xiàng)目是全球首個(gè)用于100%生物能發(fā)電的碳捕集示范項(xiàng)目，如果項(xiàng)目全面投產(chǎn)，該電站將成為世界首座負(fù)排放電站。美國(guó)的NET Power 50兆瓦清潔電廠是首家采用阿拉姆循環(huán)的天然氣電廠，使用了富氧燃燒超臨界CO2循環(huán)發(fā)電，該項(xiàng)目于2018年投運(yùn)，能夠使零排放天然氣發(fā)電廠與現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。目前在開(kāi)發(fā)的CCUS項(xiàng)目有20個(gè)，其中11個(gè)在美國(guó)，中國(guó)和英國(guó)分別有3個(gè)，剩余3個(gè)分別位于愛(ài)爾蘭、韓國(guó)和荷蘭。上述項(xiàng)目中有7個(gè)用于天然氣發(fā)電，1個(gè)利用天然氣發(fā)電廠制氫，2個(gè)用于生物質(zhì)電廠和廢物發(fā)電廠，其余則用于現(xiàn)有或新建電廠。在運(yùn)行的2個(gè)大型CCUS項(xiàng)目和在建的20個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)總碳捕集能力將達(dá)到5000萬(wàn)噸/年，但I(xiàn)EA可持續(xù)發(fā)展情景中到2030年電力碳捕集能力須達(dá)到3.1億噸/年，CCUS的發(fā)展尚未步入正軌。

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•發(fā)電廠CCUS技術(shù)有大幅降低成本的潛力。通過(guò)改進(jìn)技術(shù)、提高效率，以及降低資本成本和運(yùn)營(yíng)成本，能夠使下一代碳捕集發(fā)電廠成本大幅降低。邊界大壩CCS項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)商根據(jù)其調(diào)試和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定，建造和運(yùn)行一個(gè)類似規(guī)模的CCUS設(shè)施可以節(jié)省30%的成本。Shand電站CCS可行性研究發(fā)現(xiàn)，建造第二代碳捕集設(shè)施的資本成本可以降低67%，碳捕集總成本實(shí)現(xiàn)45美元/噸，碳捕集率超過(guò)90%。碳捕集和封存國(guó)際知識(shí)中心針對(duì)燃燒后碳捕集的研究發(fā)現(xiàn)了降低資本成本、運(yùn)營(yíng)成本以及碳輸運(yùn)和封存成本的可行措施（表1）。

表1 降低燃燒后碳捕集成本的主要舉措

成本類型	降低成本措施
資本成本	擴(kuò)大CCUS電廠規(guī)模；改進(jìn)布局、模塊化；提高捕集能力；提高發(fā)電機(jī)組效率；優(yōu)化CCUS運(yùn)行范圍；開(kāi)發(fā)CCUS供應(yīng)鏈
運(yùn)營(yíng)成本	減少胺降解；降低維護(hù)成本；優(yōu)化熱能消耗；優(yōu)化水耗；提高壓縮效率；數(shù)字化
CO2運(yùn)輸和封存成本	與工業(yè)CCUS形成互補(bǔ)，共享基礎(chǔ)設(shè)施

•大量研究項(xiàng)目促進(jìn)了CCUS新興技術(shù)開(kāi)發(fā)。目前正對(duì)燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新技術(shù)，尚不清楚哪種技術(shù)在降低成本和改進(jìn)性能方面最為有效。對(duì)電力部門(mén)的碳捕集新技術(shù)的評(píng)估總結(jié)了各主要技術(shù)的進(jìn)展，包括：①燃燒后捕集，該技術(shù)是目前最成熟的碳捕集技術(shù)，已應(yīng)用于當(dāng)前兩個(gè)大型項(xiàng)目（Boundary Dam和Petra Nova），通過(guò)使用創(chuàng)新溶劑、捕集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和大規(guī)模部署，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，新出現(xiàn)的改進(jìn)技術(shù)主要針對(duì)吸附劑和膜，但需要進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模示范；燃燒前捕集，研究重點(diǎn)在于分離水煤氣變換反應(yīng)過(guò)程混合氣體中的CO2和O2的新技術(shù)，包括膜和吸附劑，其他研究領(lǐng)域包括煤氣化相關(guān)的技術(shù)，如改進(jìn)渦輪機(jī)和燃料電池技術(shù)；③富氧燃燒碳捕集，研究主要集中在提高效率、經(jīng)濟(jì)高效的空氣分離裝置以及新型氧氣生產(chǎn)技術(shù)?；瘜W(xué)鏈循環(huán)是另一種正在開(kāi)發(fā)的先進(jìn)富氧燃料技術(shù)，具備巨大的碳減排潛力，但仍處于初級(jí)階段。超臨界CO2（sCO2）循環(huán)發(fā)電能夠大幅降低成本和排放，美國(guó)正嘗試將兩項(xiàng)sCO2技術(shù)發(fā)展至工業(yè)規(guī)模。

4、決策者需通過(guò)政策舉措加速CCUS在電力領(lǐng)域的發(fā)展

•政策制定者可通過(guò)支持在電力部門(mén)推廣CCUS的政策來(lái)加速低碳轉(zhuǎn)型。決策者應(yīng)采取政策行動(dòng)，為公用失業(yè)和投資者指明方向，以促進(jìn)CCUS的發(fā)展和部署。政策行動(dòng)將需要考慮到當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域電力市場(chǎng)的特點(diǎn)以及配備CCUS的電廠在市場(chǎng)中的預(yù)期作用，這種作用可能隨著靈活性要求的增加而發(fā)生變化。決策者需采取一系列政策措施以支持商業(yè)應(yīng)用案例，加快碳捕集在發(fā)電領(lǐng)域的大規(guī)模部署。主要措施包括：①資金支持，包括政府或國(guó)企的撥款和資金；②公共采購(gòu)，政府可直接或間接參與，包括向配備CCUS的電廠購(gòu)電；③稅收抵免，如美國(guó)45Q條款為CO2地質(zhì)封存和增強(qiáng)石油采收率分別提供稅收抵免，以及48A條款針對(duì)燃煤電廠的CCUS改造提供一定稅收激勵(lì)；監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和義務(wù)，如將成本轉(zhuǎn)移給消費(fèi)者的受監(jiān)管資產(chǎn)基礎(chǔ)模型或與碳封存義務(wù)相關(guān)的可交易碳捕集證書(shū)；運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼，如能夠彌補(bǔ)較高發(fā)電成本與市場(chǎng)價(jià)格之間差異的差價(jià)合約。

•增強(qiáng)投資者信心，激勵(lì)對(duì)發(fā)電領(lǐng)域碳捕集的投資。在不斷變化的市場(chǎng)中，投資者需要確信能夠持續(xù)得到政府支持，否則不會(huì)專注于該領(lǐng)域的投資。配備CCUS的發(fā)電廠可能在建造或運(yùn)營(yíng)方面成本過(guò)高，尤其是提供電力系統(tǒng)靈活性服務(wù)的發(fā)電廠，在低負(fù)荷下可能造成過(guò)高運(yùn)營(yíng)成本，因此需要更高的補(bǔ)償，或是通過(guò)市場(chǎng)設(shè)計(jì)將部分成本轉(zhuǎn)嫁給用戶。對(duì)于具有較高投資成本的改造項(xiàng)目或新型CCUS技術(shù)項(xiàng)目，以及容量因子隨時(shí)間變化的電廠，需制定提供資本支持和/或有保證的營(yíng)業(yè)收入的政策，以及足夠靈活的適應(yīng)基本負(fù)荷到靈活發(fā)電變化的政策。

•對(duì)CO2基礎(chǔ)設(shè)施的支持應(yīng)成為CCUS政策激勵(lì)措施的一個(gè)基本要素。政府領(lǐng)導(dǎo)對(duì)于促進(jìn)CO2運(yùn)輸和封存基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展至關(guān)重要。配備CCUS的發(fā)電廠有潛力成為共享基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的“支柱項(xiàng)目”，包括建立工業(yè)碳捕集中心，其中大量的CO2可以為基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在英國(guó)，德拉克斯生物能發(fā)電廠配備了CCS設(shè)備，可以支持在亨伯地區(qū)實(shí)現(xiàn)凈零產(chǎn)業(yè)聚集的計(jì)劃。另外，一個(gè)配備碳捕集的天然氣發(fā)電廠的提議將支持在蒂茲谷（Tees Valley）發(fā)展CCS產(chǎn)業(yè)集群。

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