时间:2023-03-26 作者:冯超 袁晓华 范行凤 刘静
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清洁能源转型中的碳捕集利用与封存
冯超|袁晓华|范行凤|刘静
摘 要:碳捕集利用与封存(CCUS)技术当前的发展趋势是把生产过程中排放的二氧化碳提纯后投入到新的生产过程中,实现二氧化碳资源化循环再利用。随着应对气候变化工作的日趋重要和紧迫,CCUS已发展成为国际公认的应对气候变化的关键技术。本文介绍了CCUS发展的国内国际政策和技术现状,针对制约CCUS大规模发展缺乏有效协调机制和行业规范、技术有待突破以及配套基建和资金机制不完善等瓶颈问题,从加强顶层设计、加大技术研发力度、布局基础设施建设和增加公共资金支持等方面提出未来发展建议,为实现我国“碳达峰、碳中和”路径提供参考。
关键词:碳捕集利用与封存;碳达峰与碳中和;气候变化
碳捕集利用与封存(CCUS)当前主要技术手段聚焦在回收油气开采、石油炼制与煤化工过程中的二氧化碳,用于石油开采提高采收率,最终实现空气污染净零排放与碳埋藏,是工业碳排放的最具成本效益的选择。CCUS对于全球应对气候变化具有重要的战略意义,目前已有121个国家将CCUS作为重点发展技术。我国也高度重视CCUS技术的研发应用,2021年10月21日,习近平总书记考察了胜利油田莱113区块CC...
清洁能源转型中的碳捕集利用与封存
冯超|袁晓华|范行凤|刘静
摘 要:碳捕集利用与封存(CCUS)技术当前的发展趋势是把生产过程中排放的二氧化碳提纯后投入到新的生产过程中,实现二氧化碳资源化循环再利用。随着应对气候变化工作的日趋重要和紧迫,CCUS已发展成为国际公认的应对气候变化的关键技术。本文介绍了CCUS发展的国内国际政策和技术现状,针对制约CCUS大规模发展缺乏有效协调机制和行业规范、技术有待突破以及配套基建和资金机制不完善等瓶颈问题,从加强顶层设计、加大技术研发力度、布局基础设施建设和增加公共资金支持等方面提出未来发展建议,为实现我国“碳达峰、碳中和”路径提供参考。
关键词:碳捕集利用与封存;碳达峰与碳中和;气候变化
碳捕集利用与封存(CCUS)当前主要技术手段聚焦在回收油气开采、石油炼制与煤化工过程中的二氧化碳,用于石油开采提高采收率,最终实现空气污染净零排放与碳埋藏,是工业碳排放的最具成本效益的选择。CCUS对于全球应对气候变化具有重要的战略意义,目前已有121个国家将CCUS作为重点发展技术。我国也高度重视CCUS技术的研发应用,2021年10月21日,习近平总书记考察了胜利油田莱113区块CCUS技术应用情况,充分表明对我国能源发展与变革的重视。我国CCUS正在有序推进,技术类型呈现多样化分布,是我国能源结构调整和绿色低碳转型的缓冲和托底保障,政策环境逐渐优化,已纳入战略性新兴技术目录、“十四五”规划及2035年远景目标纲要等总体战略。但CCUS仍然面临二氧化碳埋藏收益权属和泄露责任等协调机制不完善、技术尚不能商业化应用、基建薄弱、缺乏资金激励机制等发展瓶颈问题。
在《巴黎协定》1.5℃温控目标全球宏观趋势下,部署CCUS技术成为实现净零排放的最佳选项。全球CCUS封存研究院出具的《全球碳捕集与封存现状报告》显示,强劲的绿色投资激励措施和气候目标正在为CCUS注入新的动力,CCUS示范应用范围正在不断扩大,技术成本逐步下降,减排和经济效益明显提升,项目投资增长明显。
(一)国际发展现状。目前,全球CCUS商业项目共有135个,其中27个正在运行。据测算,运行中的商业项目可每年捕集4000万吨二氧化碳,约占碳排放总量的0.1%,有极大发展空间。
美国CCUS项目开发和部署全球领先,近50%的CCUS项目集中在美国,其中一些可追溯到二十世纪七八十年代,其二氧化碳捕集能力接近全球能力的2/3,此外,美国还有18—20个规划中的CCUS项目,如果全部落地,碳捕集能力将增加一倍。目前,美国已累计建成的二氧化碳运输管线约为7500公里。
政策现状。《巴黎协定》第6条允许各国共同合作实现目标,包括利用国际碳市场交易减排量和碳移除量,这两者都可通过CCUS技术实现。截至2020年底,包括中国在内的11个国家已将CCUS纳入国家自主贡献,欧盟和加拿大、法国、日本等国家提交的19项长期温室气体低排放发展战略中,15项战略包含了CCUS。美国已率先推出了CCUS系列支持政策。美国能源部多年来持续为CCUS技术攻关提供资金支持,2020年提供了1.31亿美元资助多项CCUS项目,2021年4月美国国税局发布了45Q税收抵免政策,将强化驱油和碳封存的信用额度从每吨35美元提高到50美元,将其他固碳价值从每吨50美元增加到85美元,这一措施将有效吸引私人资本进入,促进行业发展。
技术现状。全球二氧化碳排放以工业为主,低浓度碳源主要为燃煤电厂、水泥厂的烟道气,中浓度碳源主要为油田高含碳采出气,中高浓度碳源为煤化工低温甲醇洗尾气。不同的排放浓度对CCUS技术要求差异较大。目前已实现对低、中、高浓度碳源捕集的CCUS全链技术创新和突破。在用于二氧化碳捕集分离吸附的胺类溶液开发方面,日本三菱的KS-1专利受阻胺溶剂开发较早,应用广泛,已在工业中进行商业部署。英国Carbon Clean Solutions(CCSL)公司研发的APBS专利溶剂,与传统单乙酰胺相比,可减少吸收工艺所需热量20%—40%,有效减少溶剂降解。此外,基于吸附剂的物理吸附在碳捕集应用中已使用多年。其中具有高度可调吸附性的金属有机框架材料技术前景广阔,但大部分仍处于小规模或实验室生产阶段,加拿大Svante碳捕集技术公司正尝试开发测试装置用于变温吸附工艺。
(二)我国发展现状。我国CCUS试验示范项目正有序推进,捕集源的行业和封存利用的类型呈现多样化分布,但总体规模小。目前已投运或建设中的CCUS示范项目约为40个,遍布19个省份,碳捕集能力约300万吨/年,多以石油、煤化工、电力行业小规模的捕集驱油示范为主。与美国、澳大利亚、加拿大等国相比,我国CCUS尚未规模化,缺少持续运行的百万吨级示范项目。
政策现状。目前,国家层面已将CCUS纳入总体战略。“十四五”规划和2035年远景目标纲要已明确提出要开展碳捕集利用封存重大工程示范,2021年10月10日,中共中央、国务院印发了《国家标准化发展纲要》,要求研究制定生态碳汇、碳捕集利用与封存标准。10月24日,《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中指出,要聚焦二氧化碳捕集利用与封存深化应用基础研究,建设全流程、集成化、规模化二氧化碳捕集利用与封存示范项目。
技术现状。我国CCUS技术研究起步较晚,整体处于工业示范阶段,现有示范项目规模较小,经过近年的发展,已探索形成了能耗低且具有经济性的技术流程。国内CCUS技术链已实现涵盖低、中、高浓度碳源捕集、运输管理、设备防腐等,并在公认难度最大的低浓度碳捕集方面实现了低能耗捕集的技术突破。2021年7月1日,中国石化启动齐鲁石化—胜利油田CCUS项目,已于2022年1月29日建成中交,这是国内最大CCUS全产业链示范基地,也是我国首个百万吨级CCUS项目,对该产业发展具有巨大示范效应。
作为温室气体排放大国,我国CCUS产业中长期年减排潜力为10亿吨,到2060年有望贡献累计碳减排量的8%,届时捕集的二氧化碳将占全球总捕集量的近50%。此外,CCUS可显著降低减排成本,据估算,2020—2050年我国国内碳中和新增投资约127万亿—500万亿元,吨碳中和投资强度为1.7万—6.7万元/吨,而CCUS吨碳中和投资强度低于1500元/吨。我国适合大规模开展CCUS的源汇匹配资源丰富、潜力巨大,但现阶段大规模推广仍面临诸多困境。
(一)缺乏有效协调机制和行业规范,行业间壁垒较高。CCUS项目涉及行业较多,需要跨部门跨地区沟通协调。在CCUS立项审批阶段,不同区域、行业和监管机构存在行业规范不明晰以及沟通协调不到位的情况,导致CCUS项目开展遭遇诸多阻碍难以有效推进。在CCUS项目运行阶段,经济收益分享、减排成果分配、运营风险承担、现有矿权流转等方面的体制机制障碍明显。存在碳排放方与捕集方关于二氧化碳捕集费用承担问题、二氧化碳埋存收益归属问题,以及运输及封存过程中出现二氧化碳或其他风险物质泄露责任权属问题。针对上述问题,目前尚未建立有效的协调机制或行业规范,以及公平和长期的合作模式,CCUS项目难以突破现有行业壁垒,其大规模推进将继续面临多方掣肘局面。
(二)存在技术攻关难题,距商业化应用尚有差距。我国大部分CCUS技术尚未进入商业应用阶段,规模化二氧化碳减排仍任重道远。从捕集技术看,仅燃烧前物理吸收法处于商用阶段,其他捕集技术仍处于工业示范阶段。目前,罐车、船舶和管道输送为主要运输方式,虽然罐车和船舶运输技术已达商用阶段,但运输规模小,仅适用于10万吨/年以下的输送。管道输送兼具成本和运输规模优势,但在国内尚处中试阶段,并未广泛普及应用。从利用与封存技术看,地浸采矿进入到商用阶段,强化驱油开采也在工业示范中广泛应用,但强化天然气开采等大部分技术仍存在技术瓶颈。国内技术尚无生物和化工利用商用案例。二氧化碳注入后监测、废弃井泄漏防控与防腐技术尚不成熟,二氧化碳驱替煤层气时对于气体在煤层中运移监测难度大、无法满足安全性监测的需求。
(三)配套基建存在短板,规模化产业集群未能形成。CCUS相关基础设施较为薄弱,严重制约了大规模产业集群的形成。我国二氧化碳运输主要依靠罐车和船舶,若运输距离超过100公里,与管道运输成本0.7元/(吨·公里)相比,在超过300公里的长距离输送情况下,管道运输成本将比罐车运输成本大幅降低90%。但我国目前仅建有约50公里的二氧化碳运输管道,与美国已建成7500公里管道及大规模产业集群相比,相差甚远。高昂的运输成本导致CCUS规模化产业集群难以形成。
(四)资金支持机制政策体系尚不完善,CCUS整体发展滞后于原有预期。CCUS尚处于早期发展阶段,开展CCUS项目投资成本及运行成本较高。目前CCUS示范工程投资金额高达数亿甚至数十亿元人民币。根据国际能源署(IEA)测算,未来20—30年间,全球各国政府及相关行业需投入数千亿美元支持CCUS技术发展。而我国尚未对CCUS产生的减排效果予以经济激励或补偿,也尚未形成CCUS技术减排价值发现机制,一定程度上使得CCUS整体发展滞后于原有预期。
鉴于CCUS重要的战略地位,以及我国CCUS发展面临的问题,应从制度建设、推进技术升级、完善配套设施及加大资金支持力度等四方面促进CCUS的长期良性发展。
(一)加强顶层设计和战略规划。在碳中和愿景下,积极研判火电、煤化工、钢铁、水泥等主要排放行业CCUS技术减排贡献,规划到2060年我国CCUS发展路径。在“十四五”期间,抓紧推动营造有利于CCUS发展的政策环境及相关标准建设。同时,鉴于CCUS项目实践过程中所有权不明确、管辖部门及审批程序不明确等问题,需制定明晰且完善的CCUS法律文件,探索不同利益相关方有效沟通交流机制,制定科学合理的建设、运营、监管、终止标准体系,并基于标准体系实施CCUS减排量的第三方核查制度,确保CCUS项目稳健开展。
(二)加大研发投入实现技术突破。CCUS涉及能源、化工、生物、装备制造等多个行业,属于技术密集型产业,需要进一步加大CCUS技术研究的投入力度。首先,加快百万吨级规模CCUS全流程工业示范步伐,构建低成本、低能耗、安全可靠的CCUS技术体系。其次,组织协调跨学科、跨部门、企业和科研单位建立工程技术平台。最后,鉴于目前国内CCUS技术研发和示范的主体为大型能源企业,建议水泥、钢铁、化工等工业企业加强与能源企业的技术合作,共同推动CCUS技术进步。
(三)加快布局配套基础设施。一是加大与二氧化碳输送与封存相关的基础设施投资力度与建设规模,可优先在碳源匹配良好的区域配套布局及建设长距离的二氧化碳输送管道,并考虑将管道建设纳入新基建范畴,引入PPP模式,吸引社会资本投资;二是对现有资源优化整合,推动装置设备改良升级,逐步提高现有基础设施性能水平;三是充分利用相关基础设施共享机制,建设二氧化碳运输与封存共享网络,不断形成新的CCUS产业促进中心,推动CCUS技术与不同碳排放领域与行业的耦合集成;四是建立和完善支撑CCUS大规模应用的检测认证、计量核查、研发创新等配套平台。
(四)加大公共投入和金融支持。借鉴国际经验,探索制定符合我国国情的CCUS税收优惠和补贴激励政策,鼓励运用绿色信贷、绿色债券和绿色基金等工具对CCUS进行融资,形成投融资增加和成本降低的良性循环;积极引导CCUS创新商业模式,形成合理可持续的效益分享机制;积极推进对CCUS碳减排量的市场化定价,探索将CCUS项目实现的减排量纳入国家自愿减排交易和全国碳排放权交易市场等,打通与国家和地方层面的碳配额交易市场的连接通道。
(作者单位:中国清洁发展机制基金管理中心财政部国际财经中心)
责任编辑 廖朝明
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