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什么是碳中和背景下的CCUS?

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北极星大气网讯:二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)减排潜力大,是实现碳中和目标的重要手段之一。本周我们从现有项目情况、各环节技术水平等方面分析CCUS现状及未来发展路径。

核心观点

▍CCUS:分为捕集、输送、利用与封存环节,减排潜力大

二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)是指将CO2从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现CO2减排的工业过程。按照流程,CCUS可分为捕集、输送、利用与封存几大环节。CCUS 可以捕集发电和工业过程中使用化石燃料所产生的多达 90%的 CO2,脱碳水平较高;但同时也面临着泄漏、污染物排放等风险。

▍概况:我国CCUS项目类型多样,但规模较小

从规模上看,我国已投运或建设中的CCUS示范项目约为40个,捕集能力300万吨/年。从覆盖技术来看,目前我国CO2捕集源覆盖燃煤电厂的燃烧前、燃烧后和富氧燃烧捕集等多种技术,CO2封存及利用涉及咸水层封存、EOR等多种方式。相比国外,我国CCUS 项目起步较晚,已投运或建设中的 CCUS 示范项目多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主,缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范。

▍技术:进展显著,未来有望带动成本进一步下降

我国CCUS各环节技术均取得了显著进展,目前大部分处在基础研究、中试阶段或工业示范阶段。据《中国二氧化碳捕集利用与封存 (CCUS) 年度报告 (2021)》预计,到 2030 年我国全流程CCUS (按 250 公里运输计)技术成本为 310~770 元/吨CO2,到 2060 年将逐步降至 140~410 元/吨CO2。未来随着技术成本的持续下降,CCUS项目应用广度有望进一步提升。根据《中国碳捕集利用与封存技术发展路线图(2019)》的规划,到2050年,我国CCUS产值将超过3300亿元/年。

▍商业模式:主要包含油企全流程独立运营和CCUS运营商模式

国内CCUS项目主要存在油企全流程独立运营和CCUS 运营商两种商业模式。在油企全流程独立运营模式中,油田企业是CCUS全流程的独立运营商;风险与利润可以较为灵活地分担,并且各部门间的协调也更容易实现,因而交易成本较低。在CCUS 运营商模式下,CCUS出现了独立的市场化运营商。由于这种模式涉及多企业、多行业的合作,因此需通过法律、制度等的建设,促进社会责任、经济和社会效益的合理分配。

正文

1. CCUS:减排潜力大,有望助力碳中和

二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)减排潜力大,是实现碳中和目标的重要手段之一。本周我们从现有项目情况、各环节技术水平等方面分析CCUS现状及未来发展路径。

1.1. CCUS:分为捕集、输送、利用与封存环节、减排潜力大

碳捕获及封存(CCS)技术是发达国家比较重视的碳减排技术。但由于 CCS 技术其前沿的技术体系和巨大的工程规模,需要花费巨额资本、运营成本、额外能耗,并且安全性以及大型示范项目的系统整合都存在一定问题。故而我国在CCS基础上增加利用环节,提出了二氧化碳捕集利用与封存(CCUS),即将CO2从工业排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现CO2减排的工业过程。按照流程,CCUS可分为捕集、输送、利用与封存几大环节。从产业流程来看,CCUS依次涉及能源、钢铁、化肥、水泥、交通、化工、地质勘探、环保等众多CO2碳排放行业。


CO2捕集是指将电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的CO2进行分离和富集的过程,是CCUS系统耗能和成本产生的主要环节。CO2捕集技术可分为燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。适合捕集的排放源包括发电厂、钢铁厂、水泥厂、冶炼厂、化肥厂、合成燃料厂以及基于化石原料的制氢工厂等,其中化石燃料发电厂是CO2捕集最主要的排放源。


CO2运输是指将捕集的CO2运送到利用或封存地的过程,是捕集和封存、利用阶段间的必要连接。根据运输方式的不同,主要分为管道、船舶、公路槽车和铁路槽车运输四种。


CO2利用是指利用CO2的物理、化学或生物作用,在减少CO2排放的同时实现能源增产增效、矿产资源增采、化学品转化合成、生物农产品增产利用和消费品生产利用等,是具有附带经济效益的减排途径。根据学科领域的不同,可分为CO2地质利用、CO2化工利用和CO2生物利用三大类。


CO2地质封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2封存于地质构造中,实现与大气长期隔绝但不产生附带经济效益的过程。按封存地质体及地理特点划分,主要包括陆上咸水层封存、海底咸水层封存、陆上枯竭油气田封存和海底枯竭油气田封存等方式。长期安全性和可靠性是CO2地质封存技术发展所面临的主要障碍。全球陆上理论封存容量为 6~42 万亿吨,海底理论封存容量为 2~13 万亿吨。我国理论地质封存潜力约为1.21-4.13万亿吨,容量较高。


CCUS减排潜力大,但存在一定环境风险。CCUS 可以捕集发电和工业过程中使用化石燃料所产生的多达 90%的 CO2,脱碳水平较高。IEA 的研究结果显示,要达到巴黎 2 ℃的气候目标,到 2060 年,累计减排量的 14%来自于CCUS,且任何额外减排量的 37%也来自于 CCUS。IPCC 等国际机构也证实没有 CCUS 就无法实现国际气候变化目标。但同时CCUS也面临着一定的环境风险。一方面,CO2在捕集、运输、利用与封存等环节都可能会有泄漏发生,会给附近的生态环境、人身安全等造成一定的影响;另一方面,大部分 CCUS 技术有额外增加能耗的特点,因而会带来污染物排放的问题。


1.2. 概况:我国CCUS项目类型多样,但规模较小

国外CCUS项目起步早,规模较大。1972年美国建成Terrell项目,CO2捕集能力达40万~50万吨/年,这是国外最早报道的大型CCUS项目;随后,美国俄克拉荷马州Enid项目于1982年建成,通过化肥厂产生的CO2进行油田驱油,CO2捕集能力达70万吨/年。1996年,挪威Sleipner项目建成,它是世界上首个将CO2注入到地下(盐水层)的项目,年封存CO2量近百万吨。本世纪以来,美国、加拿大、澳大利亚、日本及阿联酋等国家加速推进CO2捕集项目的工业化。2014年,加拿大SaskPower公司的Boundary Dam Power项目成为全球第一个成功应用于发电厂CO2捕集项目,2019年该项目捕集CO2达61.6万吨。2015年,加拿大Quest项目将合成原油制氢过程中产生的CO2成功注入咸水层封存,每年CO2捕集能力达100万吨/年。



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