北京航空航天大学经济管理学院教授朱磊:实现碳中和,这项技术不可或缺却前路多艰

发布日期:2021-03-18· 能源高质量发展 张榕馨

而电厂一方由于承担了CCUS技术改造成本与二氧化碳捕获成本。CCUS技术因其能够捕集发电过程中使用化石燃料所产生的90%二氧化碳。CCUS发展面临多重挑战 CCUS是将二氧化碳大型排放源排放的二氧化碳进行捕集、压缩后输送并封存利用的一种技术。

在我国碳达峰与碳中和目标实现的全局中,二氧化碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是不可或缺的一块拼图,在一系列重大科技规划中,均将其列为重点支持、集中攻关和示范的重点技术领域。然而,CCUS大规模商业化运行之路并非坦途。

“CCUS不仅对能源行业非常重要,在更宏观的层面,它在国民经济和社会发展中同样具有重要地位。”在北京航空航天大学经济管理学院研究员朱磊看来,CCUS是未来大规模减少温室气体排放,应对气候变化的解决方案,是目前唯一一项能够实现化石能源低碳利用的技术。如何建立相应的高效商业模式,正成为其发展道路上新的挑战。

CCUS发展面临多重挑战

CCUS是将二氧化碳大型排放源排放的二氧化碳进行捕集、压缩后输送并封存利用的一种技术。该技术将二氧化碳作为资源处理,不仅可减少碳排放量,还能产生显著的社会经济价值,是全球应对气候变化行动的关注热点,也是我国践行低碳发展战略的重要技术选择。

“理论上,所有的燃煤电厂和大型排放源均可以改造加装碳捕获与封存设施。”朱磊指出,经过近20年的发展,我国已初步形成了CCUS发展的技术体系。碳中和目标的提出,为CCUS技术的发展提供了新动力,同时也提出了新要求。

“与风能、太阳能等产业相比,CCUS涉及二氧化碳的捕获、运输、封存、利用4个环节,具有较长的产业链,涵盖电力、石油、煤炭、化工、钢铁等多个行业,资金需求量大,且融资关系复杂、融资期限长、融资风险高。”朱磊介绍道。

此外,CCUS技术的高昂成本,同样对其产业发展进程产生了直接影响。“按照现有技术,每封存1吨二氧化碳,需要耗费约合300—500度电。”朱磊说,“CCUS技术发展至今,各环节的设备在其他行业均有一定的利用,很难再有成本下降空间。”

国际能源署(IEA)的报告指出,在整体煤气化联合循环发电系统中加装CCUS系统后,每千瓦时的发电能耗增加了14%—25%。CCUS项目初期改造投资成本昂贵,使大量企业望而却步。即便在付出高昂的成本后,无论以何种技术方式封存二氧化碳,均无法完全消除泄露风险,对生态环境可能产生难以评估的影响。

“市场化激励机制和商业模式的缺失,也是限制CCUS进一步大规模应用的重要阻碍。”据朱磊介绍,我国尚未形成规模化的二氧化碳需求,商业化发展基础薄弱。“就华北地区来说,每年的二氧化碳需求估计不超过10万吨。而单个大型火力发电厂每年捕获的二氧化碳就可能在10万吨以上。”有限的买方需求,加上高昂的前期投入成本,严重削弱了CCUS商业化发展的可能性。CCUS产业链包含能源生产、消费的多个环节,涉及到多个企业间合作及利益分配,若不能合理解决这一系列问题,建立起有效的企业间协调合作机制,就将极大地削弱企业参与CCUS产业的积极性。

目前,CCUS项目尚缺明确的政策指引和强有力的法律法规。据悉,自2006年至今,国家层面发布的CCUS相关政策文件有20余项,但针对CCUS的专项政策很少,也缺乏具体的落实方案。虽然多个指导性文件涉及CCUS技术发展,并在一定程度上对相关项目起到了规范性指导作用,但尚未建立起专门针对CCUS技术的法律法规。

CCUS迎来新机遇

碳中和目标提出后,国内“弃煤”呼声更高,一系列大力发展可再生清洁能源以替代煤电的政策相继出台。业内有观点认为,CCUS技术的使用频率将随着煤炭的逐步被替代而减少,成为众多低碳减排技术中的“预备选手”。实际上,CCUS的发展需求源自我国仍以煤炭为主的能源消费结构。

国家统计局公布的数据显示,2020年,煤炭消费量占我国能源消费总量的56.8%,比2019年下降0.9个百分点。不过,由于2020年的能源消费总量比上年增长2.2%,煤炭消费量还是增长了0.6%。同时,2020年天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的比重上升了1个百分点,达到24.3%。

可再生能源比例增长速度有限,以煤为主的能源结构短期内难以改变。随着碳中和目标的提出,和随之而来的对能源系统整体碳减排的更高要求,CCUS技术因其能够捕集发电过程中使用化石燃料所产生的90%二氧化碳,势必能够成为碳减排的高效方案。

2020年10月,IEA发布《CCUS在低碳发电系统中的作用》报告。报告指出,CCUS技术是化石燃料电厂降低排放的关键解决方案,在推进电力系统低碳转型、实现全球气候目标方面发挥重要作用。如果不采用CCUS技术,要实现全球气候目标,可能需要关闭所有化石燃料发电厂。

目前投入使用的CCUS项目已经达成一定的碳减排成果。如广东省碳捕集测试平台项目采用燃烧后捕集技术,依托华润海丰电厂1号100万千瓦超超临界燃煤机组建设,每年可从燃料燃烧后产生的烟气中捕集约2万吨二氧化碳,按一棵树一年吸收18.3吨二氧化碳计算,相当于1000多棵树吸收一年的二氧化碳量。

此外,CCUS成套技术还可以作为能源密集型依赖行业的能源方案,如水泥、钢铁、化工等难以依靠可再生能源的行业。

“高效的电网具备高效稳定、灵活便捷、绿色低碳的特征。随着风光等波动性较强的可再生能源占比上升,电力系统面临日益增长的灵活性需求、韧性需求。”据朱磊介绍,多位业界人士指出,火力发电厂在平衡波动性能源造成的季节性电力缺口方面能够发挥重要作用。装配CCUS设备的火力发电厂与可再生能源发电结合,能够满足电网的灵活性、可靠性需求,同时满足碳减排需求。

此外,与常规的碳捕集、封存(CCS)技术相比,CCUS可以实现二氧化碳的资源化,捕集到的二氧化碳可以广泛应用于食品加工、离岸驱油、化学产品生产等工业化利用领域,因此也更具备实用价值。随着能源清洁低碳转型不断加快,国家电力行业碳排放交易政策落地,通过CCUS技术来实现低碳减排将愈发成为“潮流”。

配套商业模式呼之欲出

“为实现CCUS的长期大规模应用,在相关技术与设备已日趋成熟的情况下,建立起具有盈利能力的商业模式已成为最迫切的需求之一。”

近日,在气候投融资全球征文学术沙龙系列活动中,朱磊介绍了以下四种CCUS项目商业模式模型:

一是二氧化碳独立运输商模式(见图1)。由电厂或大型排放源捕获二氧化碳后,由收取定额费用的运输商将二氧化碳运输至油田或其他购买方手中,油田或其他购买方决定封存及用于驱油的比例。在该模式下,油田所属企业只需将二氧化碳用于驱油,便能够在无额外成本的情形下产生经济效益,而电厂一方由于承担了CCUS技术改造成本与二氧化碳捕获成本,其盈利将远远小于油田一方。

图 1 二氧化碳独立运输商模式

二是CCS运营商模式(见图2)。在该模式下,第三方运营商对电厂或大型排放源所使用的碳捕集设备进行投资改造,进而获得二氧化碳的捕获权,并决定将二氧化碳出售或封存。“在运营商模式下,油田虽可获利,但获利的概率并非百分之百。”朱磊表示。据悉,这一商业模式最早由哈尔滨工业大学教授梁大鹏于2009年提出。

图2 CCS 运营商模式

三是国有企业模式(见图3)。该模式也称为纵向一体化模式,即CCUS全过程由单一大型国有企业实现,在交易成本低、融资成本低的同时,对企业要求较高,需要企业同时具备二氧化碳捕获源与利用二氧化碳的油田等。…………

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