近日，国际能源署（IEA）发布《CCUS在低碳发电系统中的作用》报告，分析了碳捕集、利用与封存（CCUS）技术在加速低碳发电转型的作用以及当前的进展现状。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。然而，当前CCUS在发电领域的发展并未达到预期，报告提出了电力部门发展CCUS的政策建议。报告关键要点如下：
•化石燃料仍是世界最大电力来源，发电是能源部门最大的碳排放源。当前，燃煤和天然气发电仍占据全球电力部门主导地位，占发电总量近2/3。2000年以来，全球化石燃料发电量增长了70%。煤炭仍然是最大的发电燃料来源（38%），其次是天然气（约20%）。中国和印度的燃煤发电占其总发电量60%以上。电力是能源行业最大的碳排放来源，占全球能源相关碳排放量近40%。尽管迫切需要解决气候变化，2019年电力部门碳排放量仅略低于2018年的历史最高值（136亿吨）。
•需利用一切手段解决化石燃料发电的碳排放问题，以实现低碳未来。为了实现气候目标，政策制定者需要解决现有燃煤发电厂和在建电厂的排放问题。然而，根据各国政府的现行政策，尽管现有燃煤机组的碳排放量将下降约40%，但到2040年仍将达到60亿吨/年。截至2020年初，仍有大量燃煤发电机组在建，为今后减排带来了挑战。如果不在大力部门大规模应用CCUS技术，要实现长期气候目标将需要完全取消燃煤及天然气发电。
•CCUS技术在支持现代灵活电力系统中发挥重要作用。根据IEA可持续发展情景，配备CCUS的燃煤及天然气发电厂对于安全、可持续和负担得起的电力系统越来越重要，到2040年配备CCUS的发电厂将提供全球5%的电力。满足气候目标还需建立极其灵活的电力系统，能够管理高比例波动性可再生能源。燃煤和天然气发电厂一直是电力系统灵活性的主要来源，为电网运行提供惯性和频率控制等。CCUS使这些电厂能够继续发挥此类作用，并满足长期灵活性要求。
•CCUS技术对于实现气候目标、扩大低碳能源组合十分重要，为构建低碳未来发挥重要作用。碳捕集技术一直被确定为支持全球电力系统转型所需的成本最低的技术组合的一部分，这对于以化石燃料发电为主的国家尤为重要。将碳捕集纳入低碳技术组合可降低电力系统改造的总成本。根据IEA可持续发展情景，到2040年，全球有315吉瓦发电机组将配备CCUS设备，意味着未来20年改造和新增的CCUS容量须达到平均15吉瓦/年，配备碳捕集的化石燃料电厂平均每年将增加近300亿美元的支出。到2040年，配备CCUS的发电厂将提供1900太瓦时的电力（图1），占全球发电量5%，而2030年这一比例仅为1.5%（470太瓦时）。2040年，全球燃煤发电量中有40%来自配备碳捕集的燃煤电厂，而天然气发电量中有16%来自配备碳捕集的天然气电厂。CCUS在未来20年将捕集约970亿吨发电碳排放，超过航空业10年的排放量（以2019年水平计）。
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•CCUS可解决现有电厂的碳排放问题。全球几乎1/3的化石燃料电厂运行时间还不满十年，大多数化石燃料电厂都不可能在2050年前退役，因此CCUS为现有和规划中的化石燃料电厂的碳排放提供了一个可行的解决方案。碳捕集改造对于一些附近可封存CO2或利用CO2的新建高效化石燃料电厂最具吸引力，在评估改造是否能产生商业价值时，必须考虑现有发电厂的某些技术特征，如电厂寿命、容量、部署碳捕集设备的现场空间、容量因子和类型、燃料来源的位置，燃煤电厂的冷却方式和蒸汽循环设计等对改造成本有重要影响。IEA对中国现有燃煤机组的分析发现，考虑上述因素，适合改造的机组超过300吉瓦。IEA认为，解决现有燃煤电厂排放问题应基于三个方面：利用碳捕集改造电厂、利用燃煤电厂提供灵活性、在不可能进行碳捕集的地区淘汰燃煤电厂。如果不采用CCUS技术，实现气候目标将需要几乎完全取消化石燃料发电。资产所有者将因此而蒙受损失，同时还意味着对其他低碳电力及相关基础设施的投资增加。
•配备CCUS的化石燃料电厂能够确保电力系统灵活性。随着波动性可再生能源占比上升，电力系统运营商将面临日益增长的灵活性需求。化石燃料电厂与水力发电和电网互联共同满足了当前大部分的灵活性需求。实现气候目标意味着需要建立极为灵活的电力系统，配备CCUS的火力发电厂将成为未来高度灵活的电力系统的重要组成，火力发电在平衡波动性可再生能源造成的季节性或长期电力短缺方面发挥重要作用。在充分考虑电力系统灵活性、可靠性和碳排放的情况下，碳捕集在电力系统中的竞争力将增加。
•碳捕集技术有希望实现电力系统的净零排放或负排放。将生物能发电与CCS结合，有望实现净零排放或负排放电厂，这可以在抵消其他部门排放方面发挥重要作用，如长途运输和工业加工，或是抵消用于电力调峰的天然气发电厂的排放量。配备CCS的生物能电厂与配备CCUS的化石燃料电厂相比，在碳价提升的情况下，前者的成本竞争力越来越强。配备碳捕集的生物质联合燃烧可能是现有化石燃料发电最具成本效益的方法之一，IEA的研究发现，10%的生物质混合燃烧配备捕集率达到90%的碳捕集系统，是实现碳中性超临界燃煤发电的最经济选择。为了提升配备CCUS电厂的经济性，应设计电力市场的商业模式以奖励灵活性服务。
•碳捕集在发电领域的进展并未达到预期，但在一些关键地区正出现新的项目。目前电力部门有两个大规模CCUS项目正在运营，即佩特拉诺瓦（Petra Nova）项目和边界大坝（Boundary Dam）项目，两个项目均是对现有电厂的改造。其中Petra Nova项目2017年投运，装机容量240兆瓦，是世界上最大的燃烧后碳捕集系统，每年捕集1.4吨CO2并用于提高石油采收率。日本Osaki CoolGen碳捕集示范项目于2019年12月开始测试，从166兆瓦的整体煤气化联合循环电厂中捕集CO2。英国的BECCS试点项目是全球首个用于100%生物能发电的碳捕集示范项目，如果项目全面投产，该电站将成为世界首座负排放电站。美国的NET Power 50兆瓦清洁电厂是首家采用阿拉姆循环的天然气电厂，使用了富氧燃烧超临界CO2循环发电，该项目于2018年投运，能够使零排放天然气发电厂与现有发电技术竞争。目前在开发的CCUS项目有20个，其中11个在美国，中国和英国分别有3个，剩余3个分别位于爱尔兰、韩国和荷兰。上述项目中有7个用于天然气发电，1个利用天然气发电厂制氢，2个用于生物质电厂和废物发电厂，其余则用于现有或新建电厂。在运行的2个大型CCUS项目和在建的20个项目预计总碳捕集能力将达到5000万吨/年，但IEA可持续发展情景中到2030年电力碳捕集能力须达到3.1亿吨/年，CCUS的发展尚未步入正轨。
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•发电厂CCUS技术有大幅降低成本的潜力。通过改进技术、提高效率，以及降低资本成本和运营成本，能够使下一代碳捕集发电厂成本大幅降低。边界大坝CCS项目运营商根据其调试和运行经验确定，建造和运行一个类似规模的CCUS设施可以节省30%的成本。Shand电站CCS可行性研究发现，建造第二代碳捕集设施的资本成本可以降低67%，碳捕集总成本实现45美元/吨，碳捕集率超过90%。碳捕集和封存国际知识中心针对燃烧后碳捕集的研究发现了降低资本成本、运营成本以及碳输运和封存成本的可行措施（表1）。
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扩大CCUS电厂规模；改进布局、模块化；提高捕集能力；提高发电机组效率；优化CCUS运行范围；开发CCUS供应链
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减少胺降解；降低维护成本；优化热能消耗；优化水耗；提高压缩效率；数字化
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•大量研究项目促进了CCUS新兴技术开发。目前正对燃烧后、燃烧前和富氧燃烧碳捕集系统进行改进和开发新技术，尚不清楚哪种技术在降低成本和改进性能方面最为有效。对电力部门的碳捕集新技术的评估总结了各主要技术的进展，包括：①燃烧后捕集，该技术是目前最成熟的碳捕集技术，已应用于当前两个大型项目（Boundary Dam和Petra Nova），通过使用创新溶剂、捕集设备的标准化和大规模部署，能够实现规模经济，新出现的改进技术主要针对吸附剂和膜，但需要进一步研发和大规模示范；燃烧前捕集，研究重点在于分离水煤气变换反应过程混合气体中的CO2和O2的新技术，包括膜和吸附剂，其他研究领域包括煤气化相关的技术，如改进涡轮机和燃料电池技术；③富氧燃烧碳捕集，研究主要集中在提高效率、经济高效的空气分离装置以及新型氧气生产技术。化学链循环是另一种正在开发的先进富氧燃料技术，具备巨大的碳减排潜力，但仍处于初级阶段。超临界CO2（sCO2）循环发电能够大幅降低成本和排放，美国正尝试将两项sCO2技术发展至工业规模。
4、决策者需通过政策举措加速CCUS在电力领域的发展
•政策制定者可通过支持在电力部门推广CCUS的政策来加速低碳转型。决策者应采取政策行动，为公用失业和投资者指明方向，以促进CCUS的发展和部署。政策行动将需要考虑到当地和区域电力市场的特点以及配备CCUS的电厂在市场中的预期作用，这种作用可能随着灵活性要求的增加而发生变化。决策者需采取一系列政策措施以支持商业应用案例，加快碳捕集在发电领域的大规模部署。主要措施包括：①资金支持，包括政府或国企的拨款和资金；②公共采购，政府可直接或间接参与，包括向配备CCUS的电厂购电；③税收抵免，如美国45Q条款为CO2地质封存和增强石油采收率分别提供税收抵免，以及48A条款针对燃煤电厂的CCUS改造提供一定税收激励；监管标准和义务，如将成本转移给消费者的受监管资产基础模型或与碳封存义务相关的可交易碳捕集证书；运营补贴，如能够弥补较高发电成本与市场价格之间差异的差价合约。
•增强投资者信心，激励对发电领域碳捕集的投资。在不断变化的市场中，投资者需要确信能够持续得到政府支持，否则不会专注于该领域的投资。配备CCUS的发电厂可能在建造或运营方面成本过高，尤其是提供电力系统灵活性服务的发电厂，在低负荷下可能造成过高运营成本，因此需要更高的补偿，或是通过市场设计将部分成本转嫁给用户。对于具有较高投资成本的改造项目或新型CCUS技术项目，以及容量因子随时间变化的电厂，需制定提供资本支持和/或有保证的营业收入的政策，以及足够灵活的适应基本负荷到灵活发电变化的政策。
•对CO2基础设施的支持应成为CCUS政策激励措施的一个基本要素。政府领导对于促进CO2运输和封存基础设施的发展至关重要。配备CCUS的发电厂有潜力成为共享基础设施建设的“支柱项目”，包括建立工业碳捕集中心，其中大量的CO2可以为基础设施开发带来规模经济。在英国，德拉克斯生物能发电厂配备了CCS设备，可以支持在亨伯地区实现净零产业聚集的计划。另外，一个配备碳捕集的天然气发电厂的提议将支持在蒂兹谷（Tees Valley）发展CCS产业集群。
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文章来源：先进能源科技战略情报研究中心
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