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Carbon Capture Power Plants in Power Systems:Review and Latest Research Trends 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
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全球氣候變化是當前人類社會面臨的最大挑戰(zhàn)之一，嚴重威脅人類的可持續(xù)發(fā)展。為應(yīng)對氣候變化，各國政府和相關(guān)部門都采取了積極的應(yīng)對措施，通過提高能源綜合利用效率、發(fā)展可再生能源等方式，大力探索低碳發(fā)展新途徑[1]。 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
自1990年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》達成以來，國際社會形成了一系列重要的氣候變化協(xié)定。2015年11月在巴黎舉辦的氣候大會上通過了《巴黎氣候變化協(xié)定》，明確指出在本世紀把全球平均氣溫控制在工業(yè)化前水平以上2 ℃之內(nèi)，并努力將氣溫限制在工業(yè)化前水平以上1.5 ℃之內(nèi)。各國政府紛紛響應(yīng)國際社會達成的氣候變化控制目標，做出了各自國家的減排承諾，并逐步將其提上立法日程。中國是全球碳排放最大的國家，實施低碳發(fā)展戰(zhàn)略，是中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。作為一個負責任的大國，中國政府也做出應(yīng)對氣候變化的莊嚴承諾：到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降40%～45%，到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降60%～65%[2]。從碳排放結(jié)構(gòu)上看，電力行業(yè)是CO2排放的主要來源之一，呈現(xiàn)碳排放量大、增速快的特點。低碳經(jīng)濟下，電力行業(yè)勢必成為碳減排的主力軍，面臨著巨大的減排壓力。但與此同時，電力行業(yè)可通過產(chǎn)業(yè)升級、設(shè)備改造、規(guī)劃運行模式調(diào)整等措施有效降低碳排放，具有明顯的碳減排潛力。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）技術(shù)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)低碳化的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。電力行業(yè)的碳排放主要來自于大型火力發(fā)電廠，排放源少、排放量大，便于集中管理，適合采用CCS技術(shù)[3]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的第5次評估報告中也明確指出，CCS技術(shù)對于實現(xiàn)零碳排放和負碳排放至關(guān)重要[4]。對于中國而言，當前火電仍然占據(jù)主導地位，通過在傳統(tǒng)火電廠中引入碳捕集系統(tǒng)，將其改造成具有低碳屬性的碳捕集電廠（carbon capture power plant，CCPP），可有效緩解化石燃料利用與碳減排之間的矛盾，具有廣泛的應(yīng)用前景[5]。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
在此背景下，開展針對碳捕集電廠的相關(guān)研究，具有重大的戰(zhàn)略意義與現(xiàn)實價值。此外，碳捕集電廠的引入將對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的規(guī)劃與運行等各方面產(chǎn)生深遠的影響，賦予其新的特征。各國學者已經(jīng)針對碳捕集電廠做了許多創(chuàng)新和富有意義的工作，現(xiàn)有研究的框架如圖1所示。本文首先介紹碳捕集電廠的基本原理與運行特性，在此基礎(chǔ)上歸納總結(jié)碳捕集電廠及其對電力系統(tǒng)的影響相關(guān)研究，最后對碳捕集電廠在電力系統(tǒng)中的發(fā)展新動向進行展望。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
圖1 碳捕集電廠的相關(guān)研究現(xiàn)狀框架
Fig.1 Framework of the research on the carbon capture power plant 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
CCS技術(shù)將CO2從相關(guān)排放燃燒源中捕獲并分離出來，輸送到油氣田、海洋等地點進行長期封存，從而阻止或顯著減少溫室氣體的排放[6]，主要包括捕集、傳輸與封存3個環(huán)節(jié)，其中與發(fā)電廠密切相關(guān)的是碳捕集環(huán)節(jié)[4]。碳捕集技術(shù)可以分為燃燒后捕集、燃燒前捕集和富氧燃燒捕集3種[5,7]。 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
燃燒后捕集是指利用合適的捕集方法從電廠化石燃料燃燒后的煙氣中分離CO2，其原理簡單，而且不改變火電廠的原有發(fā)電流程，大多數(shù)的碳捕集電廠都采用這一技術(shù)。對電廠煙氣中的CO2進行捕集的方法主要有化學吸收法、物理吸附法以及薄膜法。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
燃燒前捕集是將化石燃料通過氣化反應(yīng)生成合成氣，進一步將合成氣轉(zhuǎn)換成H2和CO2，再通過物理吸收將CO2分離出來。因為變換器中CO2濃度高，因而可以采用能耗較低的物理吸收工藝。這種燃燒前捕集技術(shù)是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（integrated gasification combined cycle，IGCC）電廠的最佳選擇。
富氧燃燒捕集是指用富氧甚至純氧代替空氣助燃，使煙氣中的CO2濃度大大提高，便于進一步提純和儲存。富氧燃燒電廠的系統(tǒng)主要由空氣分離裝置、燃燒/熱轉(zhuǎn)化/氣體質(zhì)量控制系統(tǒng)和CO2提純裝置組成。
3種捕集方式各有優(yōu)缺點[5,8]、經(jīng)濟成本也存在差異，對比如表1所示。燃燒后捕集的優(yōu)點在于原理簡單、適用性廣，可以直接應(yīng)用于現(xiàn)有的大多數(shù)火電廠，但是由于CO2在煙氣中的濃度很低，因而該技術(shù)的碳捕集能力較弱，且能耗高、設(shè)備占地大；燃燒前捕集所需分離的氣體較少，CO2濃度上升，從而可降低捕集能耗并提高捕集能力，但是該技術(shù)需要改變發(fā)電流程，在對已有電廠的改造上受到較大的限制，適用范圍較窄；富氧燃燒捕集綜合了以上2種技術(shù)的優(yōu)勢，不會對常規(guī)電廠的發(fā)電流程造成太大影響，碳捕集能力也較強，但是富氧燃燒需要創(chuàng)造高氧環(huán)境，帶來了較高的制氧成本，同時對燃料本身的清潔性要求較高，不適宜應(yīng)用于燃煤電廠。 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
表1 三種碳捕集技術(shù)的優(yōu)缺點和成本比較
Table 1 Comparison of advantages,disadvantages,and costs of the three carbon capture technologies 內(nèi)/容/來/自:中-國/碳-排*放^交%易#網(wǎng)-tan p a i fang . com
從成本上看，目前燃燒后捕集技術(shù)的投資成本最低，但是由于能耗大導致碳捕集成本最高；燃燒前捕集技術(shù)的投資成本最高，但是運行環(huán)節(jié)捕集成本很低；富氧燃燒捕集技術(shù)的投資成本和捕集成本介于二者之間。
經(jīng)過一段時間的發(fā)展，碳捕集電廠現(xiàn)在已經(jīng)在世界各國得到實踐。美國政府發(fā)布了對于CCS技術(shù)的科技專項基金資助[9]，英國和歐盟政府更是規(guī)定所有新建燃煤電廠必須具有碳捕集的資質(zhì)[10]。
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與此同時，中國也采取了積極的行動大力發(fā)展碳捕集技術(shù)。2008年，華能北京熱電廠投產(chǎn)了年捕集能力為3000 t的示范性碳捕集系統(tǒng)[11]；華能上海石洞口二廠在其二期新建的超超臨界機組上安裝碳捕集裝置，年捕獲CO2 10萬t，該項目已于2009年12月30日正式投入運營；2017年，陜西榆林建成了第1個大型碳捕集封存示范項目，通過從煤化工廠捕集CO2，提純后注入油田進行驅(qū)油和封存，該項目計劃每年捕獲41萬t CO2；2019年5月，廣東省碳捕集測試項目在華潤電力海豐電廠正式投產(chǎn)，標志著亞洲首個基于超超臨界燃煤發(fā)電機組的碳捕集技術(shù)測試平臺正式投入運行；2019年11月，國華電力公司15萬t/a碳捕集和封存示范項目開工建設(shè)。
根據(jù)國際能源組織發(fā)布的2050年中國與世界碳捕集技術(shù)發(fā)展路線圖，碳捕集技術(shù)將在未來幾十年迅猛發(fā)展[12-13]。從目前來看，高昂的成本仍然是制約碳捕集電廠大規(guī)模建設(shè)的主要原因。但可以預(yù)見的是，隨著碳捕集技術(shù)的成熟、成本的下降以及國家相關(guān)政策的支持，碳捕集電廠將會受到越來越多關(guān)注并迎來快速發(fā)展，逐漸取代常規(guī)火電。
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在傳統(tǒng)火電廠原有發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)上引入碳捕集系統(tǒng)，即形成碳捕集電廠。碳捕集電廠的發(fā)電系統(tǒng)與碳捕集系統(tǒng)間，以及碳捕集系統(tǒng)各個功能單元間并不存在流程上的耦合。通過引入輔助設(shè)備，碳捕集系統(tǒng)的運行狀態(tài)可以在一定程度上獨立于發(fā)電系統(tǒng)，其內(nèi)部各單元的運行狀態(tài)也可在一定程度上解耦[14-16]。通過控制碳捕集電廠在各個單元之間的能量分配，可獨立調(diào)整其發(fā)電功率與碳捕集水平。碳捕集電廠的這種結(jié)構(gòu)特征和運行機理使其具有靈活運行的潛力[17]。 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
從現(xiàn)有相關(guān)研究來看，碳捕集電廠主要利用燃燒后捕集技術(shù)，其靈活運行方式主要有2種類型[14,17-20]。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
1）分流式運行方式。
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碳捕集電廠的分流式運行有富液分流與煙氣分流2種實現(xiàn)方式。富液分流是指通過控制閥門使一部分富液直接返回吸收塔，而煙氣分流則是通過旁路系統(tǒng)使一部分煙氣直接排放到大氣中。通過增大返回吸收塔的富液比例或直接排放煙氣的比例，同步減小抽取蒸汽的比例，即可降低碳捕集系統(tǒng)的運行水平，增大碳捕集電廠的有功凈出力，反之亦然。
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2）溶液存儲式運行方式。 本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
碳捕集電廠可以在吸收塔和解析塔之間安裝一組溶液存儲器，分別存儲富液與貧液，使吸收塔中流出的富液與流入再生塔中的富液不再相等，進而使CO2吸收過程與溶液再生過程相對獨立。如果流入再生塔中的富液超過吸收塔流出的富液，則碳捕集水平提升，電廠的有功凈出力減??；反之，則碳捕集水平降低，電廠的有功凈出力增加。 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
碳捕集設(shè)備的安裝將改變原有發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)，造成一部分的能量損失，這部分能量損失約占碳捕集電廠總出力的1/5。此外，在捕獲CO2的同時，也會消耗一部分的能量。因而，在顯著降低碳排放的同時，碳捕集電廠也帶來了系統(tǒng)發(fā)電功率的損失，主要來源于2類能量損耗[8, 21]。
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第1類能量損耗與碳捕集系統(tǒng)的運行狀態(tài)無關(guān)，主要是由于引入碳捕集系統(tǒng)造成電廠結(jié)構(gòu)變化和運行工況的改變所引起的能耗，稱為基準能耗PBCCS?；鶞誓芎牟浑S電廠運行狀態(tài)的變化而變化，可認為是一個固定值。
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第2類能量損耗是碳捕集系統(tǒng)在吸收、分解、壓縮CO2的過程中產(chǎn)生的能量損失，與碳捕集系統(tǒng)的運行水平有關(guān)，稱為運行能耗PRCCS。碳捕集量越大，對應(yīng)的運行能耗也越大。大量文獻的實測結(jié)果表明[22-23]，捕集單位CO2所消耗的功率大致為常數(shù)，記為λGE。因而，可得到運行能耗的表達式為 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
式中：
表示碳捕集電廠捕集的CO2量。
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假設(shè)碳捕集電廠的碳排放強度（ 單位電能對應(yīng)的碳排放量） 為eG，碳捕集電廠的等效輸出功率（ 即化石燃料燃燒產(chǎn)生的有功功率） 為P。定義碳捕集電廠的碳捕集水平βCC為捕集的CO2與燃料燃燒產(chǎn)生的CO2之比，則捕集的CO2量
表達式為
根據(jù)式（1），可進一步得到運行能耗為 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
碳捕集電廠的等效輸出功率扣除基準能耗和運行能耗之后，就是碳捕集電廠對外輸出的有功功率，稱為凈輸出功率PNCCS： 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
根據(jù)式（4），可以得到碳捕集電廠的最大、最小有功凈輸出為
式中：
是碳捕集水平的最大值；Pmax與Pmin則分別對應(yīng)最大與最小等效輸出功率。在最大凈輸出情況下，碳捕集水平為零，此時不捕集CO2。
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根據(jù)碳捕集電廠的特性，可得到其碳排放量為
將式（4）代入可得到[24]
由式（8）可以看出，與傳統(tǒng)火電廠不同，碳捕集電廠的凈輸出功率與碳排放不再是一一對應(yīng)的關(guān)系，而是同時與等效輸出功率和碳捕集水平有關(guān)。
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此外，由式（5）與式（6）可進一步得到碳捕集電廠的凈輸出功率變化范圍：
可見，相對于常規(guī)火電廠，碳捕集電廠的運行區(qū)間更大，具有更大的靈活性，將對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行等方面帶來新的影響。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
對于單個碳捕集電廠而言，不同的碳捕集水平對應(yīng)的有功輸出不同。相同凈輸出功率的情況下，碳捕集量的增加同時也帶來了運行成本的增大，因此需要根據(jù)外部環(huán)境的變化確定最優(yōu)的碳捕集水平，優(yōu)化碳捕集電廠的運行策略。
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文獻[25-28]針對碳捕集電廠自身的運行優(yōu)化策略開展了相關(guān)研究。文獻[25]建立了考慮售電損失的碳捕集水平優(yōu)化模型，并運用該模型計算了發(fā)電廠參與碳捕集的碳排放價格敏感區(qū)間，實現(xiàn)不同碳排放價格下碳捕集電廠的優(yōu)化運行。文獻[26]系統(tǒng)性地對碳捕集技術(shù)為傳統(tǒng)火電廠帶來的運行靈活性進行了量化評估，且分析了影響電廠靈活性的因素。文獻[27]在碳捕集電廠靈活運行模式的基礎(chǔ)上，定義了相對碳捕集度，以碳排放量和運行成本為目標函數(shù)，通過優(yōu)化相對碳捕集度使決策者在更廣泛的區(qū)間根據(jù)實際需求選擇碳捕集設(shè)備的運行策略，實現(xiàn)碳捕集電廠的靈活運行。文獻[28]考慮了碳捕集電廠正常、啟動、停機以及待機4種狀態(tài)，建立了考慮碳捕集電廠動態(tài)行為的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，通過所建立的模型優(yōu)化碳捕集電廠的運行方式，實現(xiàn)最優(yōu)的決策。
碳捕集電廠具有靈活的運行特性，可快速跟蹤負荷，具有良好的調(diào)峰性能和備用特性，因而碳捕集電廠的引入將改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的調(diào)峰與備用機制，為電力系統(tǒng)的運行帶來更大的靈活性。此外，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的機組優(yōu)化組合與調(diào)度模式下，僅僅以運行成本最小作為目標，沒有考慮碳排放等外部成本的影響。隨著低碳發(fā)展的需求，碳排放成為電力系統(tǒng)的重點關(guān)注對象。碳捕集電廠由于其自身可以捕集CO2，可顯著降低火電廠的碳排放量，將對低碳經(jīng)濟下的電力系統(tǒng)機組組合和經(jīng)濟調(diào)度產(chǎn)生影響。因而，有必要對碳捕集電廠引入以后電力系統(tǒng)的運行優(yōu)化進行研究。
文獻[29]詳細分析了碳捕集電廠的調(diào)峰效益，并將其與電力系統(tǒng)常規(guī)調(diào)峰手段進行對比，提出了基于電力系統(tǒng)調(diào)峰成本曲線的分析方法，研究了考慮碳捕集電廠的電力系統(tǒng)最優(yōu)調(diào)峰策略。文獻[30]將碳捕集電廠的靈活運行特性應(yīng)用到備用模型中，研究了考慮碳捕集電廠的電力系統(tǒng)最優(yōu)備用，并通過算例分析了碳捕集電廠帶來的系統(tǒng)總運行成本的下降。文獻[31]在考慮碳捕集電廠煤耗成本和排放特征的基礎(chǔ)上，以煤耗成本、碳排放量和網(wǎng)損最小作為研究目標，提出了一種考慮碳捕集電廠的多目標最優(yōu)潮流模型。文獻[32]在碳捕集電廠靈活運行模式的基礎(chǔ)上，將CO2處理與風電棄風相結(jié)合，分析了碳捕集電廠的直接風電消納能力和間接風電消納能力，得到了碳捕集電廠的風電消納區(qū)間。 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
文獻[33-37]就含碳捕集電廠的電力系統(tǒng)機組優(yōu)化組合與優(yōu)化調(diào)度開展了相關(guān)研究。文獻[33]提出了一種在碳減排日指標約束下的碳捕集調(diào)度策略，通過廠內(nèi)減排的機組組合與廠網(wǎng)協(xié)調(diào)的機組優(yōu)化出力之間的協(xié)調(diào)實現(xiàn)碳減排任務(wù)。文獻[34]在低碳調(diào)度模型中同時考慮碳捕集電廠和風電接入，算例結(jié)果表明碳捕集電廠的靈活運行特性可有效促進風電的消納。文獻[35]通過引入碳捕集系統(tǒng)爬坡以及碳捕集效率等約束條件，建立了碳市場環(huán)境下計及碳捕集電廠和換電站的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[36-37]在碳捕集電廠靈活運行機制的基礎(chǔ)上，分析了碳捕集電廠的有功出力特性和碳排放特性，將其納入低碳調(diào)度模型中，較為全面地研究了引入碳捕集電廠的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題。文獻[38-40]提出了碳捕集技術(shù)與電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的聯(lián)合循環(huán)運行系統(tǒng)，可實現(xiàn)CO2的循環(huán)利用，定義了聯(lián)合系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行方式和靈活運行方式，并對比了2種運行方式的效益。文獻[39]的算例結(jié)果顯示，通過碳捕集與P2G（power-to-gas，電轉(zhuǎn)氣）的聯(lián)合運行可減少40%的棄風并降低20%的碳排放。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
上述文獻雖然對引入碳捕集電廠的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度、調(diào)峰與備用等各方面都有涉及，但對于碳捕集電廠與可再生能源的協(xié)調(diào)運行關(guān)注較少。實際上，碳捕集電廠的靈活運行和快速響應(yīng)特性，使得其與風電、光伏等間歇性可再生能源的協(xié)調(diào)運行能力也優(yōu)于常規(guī)的火電廠，可以有效提升電力系統(tǒng)對可再生能源的消納能力，優(yōu)化系統(tǒng)的電源結(jié)構(gòu)，促進低碳減排。文獻[41-43]研究了碳捕集電廠與風電、光伏、水電的協(xié)調(diào)調(diào)度運行方法，結(jié)果表明通過靈活調(diào)整碳捕集機組的出力，可以減少儲能電池的投資容量、提升可再生能源的利用率，獲得明顯的減排效益和經(jīng)濟效益。此外，對于碳捕集電廠的現(xiàn)有研究大多停留在靜態(tài)和定性分析上，對其動態(tài)特性的研究相對缺乏，而隨著碳捕集電廠的大規(guī)模應(yīng)用，其動態(tài)特性將對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成影響，需要進一步關(guān)注。
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作為一類關(guān)鍵的低碳技術(shù)，碳捕集技術(shù)將顯著降低火電廠的碳排放。從電力系統(tǒng)規(guī)劃層面出發(fā)，考慮碳捕集技術(shù)的影響，將有利于打破傳統(tǒng)火電廠的“碳鎖定”效應(yīng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的低碳發(fā)展。除了新建碳捕集電廠外，在碳捕集技術(shù)尚未成熟階段，還可以建設(shè)碳捕集預(yù)留電廠，然后進一步將其改造成碳捕集電廠[5]。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
當前關(guān)于碳捕集電廠對電力系統(tǒng)電源規(guī)劃的影響研究主要分為2類。一類是從電廠層面出發(fā)，只考慮常規(guī)火電廠的碳捕集改造；另一類將碳捕集電廠納入電源規(guī)劃環(huán)節(jié)，同時考慮碳捕集技術(shù)的引入對于各類電源在裝機容量和發(fā)電特性上的協(xié)調(diào)，從更為廣泛的角度研究含碳捕集電廠的電源規(guī)劃。本章將從以上 2個方面對考慮碳捕集電廠的電源規(guī)劃相關(guān)研究進行綜述。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
碳捕集電廠可以降低火電廠碳排放，帶來顯著的環(huán)境效益。但與此同時，碳捕集設(shè)備的運行造成了一定的能量消耗，額外增加了火電廠的發(fā)電成本。因此，在對常規(guī)火電廠進行碳捕集改造的時候，需要平衡降低碳排放與增加發(fā)電成本兩者之間的矛盾，依照現(xiàn)實需求實現(xiàn)最優(yōu)決策。
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文獻[44]總結(jié)并比較了電力行業(yè)中各種碳捕集技術(shù)的成本，分析了影響成本的重要因素，并對碳捕集過程中的效率損失、能源需求以及資源消耗等進行了量化評估；文獻[45]則對中國現(xiàn)有燃煤電廠進行碳捕集改造的潛力進行了評估，分析了改造潛力的主要影響因素，結(jié)果表明，中國45%的大型火電廠需要配備碳捕集技術(shù)以解除“碳鎖定”效應(yīng)。以上研究側(cè)重于對碳捕集技術(shù)的成本和發(fā)展?jié)摿Φ脑u估，并沒有關(guān)注火電廠中碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化配置的問題。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
文獻[46]基于歐洲碳排放交易市場，運用二維二項晶格推導了火電廠實現(xiàn)碳捕集改造的臨界碳排放價格，得到了火電廠的最優(yōu)投資策略。文獻[47-48]從火電廠CO2排放現(xiàn)狀和對碳捕集系統(tǒng)的需求情況出發(fā)，考慮發(fā)電成本和技術(shù)的不相容性，建立了以碳減排量最大化為目標的碳捕集系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。該模型僅以碳減排作為優(yōu)化目標，必然導致成本急劇增加，在當前情況下并不現(xiàn)實。在上述文獻的基礎(chǔ)上，文獻[49]進一步考慮碳捕集技術(shù)發(fā)展的階段性與不確定性，以綜合費用最小為目標函數(shù)，并考慮了總碳減排約束，實現(xiàn)了不同減排場景下火電廠的碳捕集系統(tǒng)最優(yōu)配置。
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為了充分發(fā)揮碳捕集電廠的低碳效益與靈活運行特性，除了考慮電廠層面的碳捕集改造外，還需要研究碳捕集電廠與其他電源協(xié)調(diào)規(guī)劃，引導電力系統(tǒng)在電源規(guī)劃環(huán)節(jié)的優(yōu)化決策。碳捕集電廠的引入，將使傳統(tǒng)的電源規(guī)劃在決策內(nèi)容上得到極大的補充，提高了模型的規(guī)模與復雜度。
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文獻[50-51]借助實例分析了碳捕集電廠對電源規(guī)劃問題的影響。文獻[52]研究了碳捕集發(fā)電廠與間歇式能源大規(guī)模并網(wǎng)的能源規(guī)劃問題，分析了未來的最佳發(fā)電技術(shù)組合。文獻[53]分析了電力系統(tǒng)低碳化的關(guān)鍵要素，將碳捕集技術(shù)納入傳統(tǒng)的電源規(guī)劃環(huán)節(jié)，并考慮了碳捕集技術(shù)的技術(shù)進步率，建立了面向低碳目標的電源規(guī)劃基本框架。在文獻[53]的基礎(chǔ)上，文獻[54]將火電廠的碳捕集改造作為待選電源加入規(guī)劃模型中，同時在目標函數(shù)中考慮傳統(tǒng)火電的改造費用，通過算例結(jié)果驗證了碳捕集電廠對實現(xiàn)碳減排目標的貢獻。文獻[53-54]重點關(guān)注低碳經(jīng)濟下的電源規(guī)劃問題，對于碳捕集電廠成本及收益的考慮相對簡單。文獻[55]應(yīng)用模糊集、概率分布等方法刻畫系統(tǒng)的多重不確定因素，研究了考慮了碳捕集電廠的隨機電源規(guī)劃問題，并驗證了碳捕集技術(shù)在火電主導的電力系統(tǒng)中的綜合效益。該研究的結(jié)果表明，碳捕集技術(shù)本身存在的一些不確定因素將對其綜合效益造成較大影響，而系統(tǒng)面臨的強制性減排約束又將有效激勵碳捕集技術(shù)和可再生能源發(fā)電的投資。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中^國_碳0排0放^交-易=網(wǎng) ta n pa i fa ng . co m
以上文獻對含碳捕集電廠的電源規(guī)劃問題進行了初步的探討，但所建立的模型大多較為簡單，尤其是沒有全面考慮碳捕集技術(shù)的不同配置選項。文獻[56]將新建碳捕集電廠、新建碳捕集預(yù)留電廠以及碳捕集預(yù)留電廠改造為碳捕集電廠同時作為決策變量，在電源規(guī)劃模型中統(tǒng)一考慮投資決策與運行模擬兩個問題。該模型充分考慮了碳捕集技術(shù)的不同配置選項和發(fā)展路線，較為全面地研究了含碳捕集電廠的電源規(guī)劃問題。
成本問題是目前制約碳捕集技術(shù)在電力行業(yè)大規(guī)模運用的最主要原因之一。首先，碳捕集過程總能耗提高了電廠的運行成本；其次，火電廠煙氣排放量大，要求引入大規(guī)模的硬件設(shè)備以及配套的占地、材料等條件，提高了投資門檻[5]。表1給出的不同技術(shù)比較中，目前燃燒后捕集技術(shù)的投資成本最低、捕集成本最高；燃燒前捕集技術(shù)的投資成本最高、捕集成本很低；而富氧燃燒捕集技術(shù)的投資成本和捕集成本介于二者之間。文獻[57]比較了3種技術(shù)的成本，考慮技術(shù)學習效應(yīng)，當總裝機容量達到一定規(guī)模，3種技術(shù)的成本將十分接近。因而，在目前技術(shù)和商業(yè)模式尚未完全成熟的情況下，有必要對碳捕集電廠的投資效益問題開展分析。
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文獻[58-59]采用學習曲線的方法對未來碳捕集成本的變化趨勢做出了預(yù)測，雖然相關(guān)成果發(fā)表較早，但是所提出的方法仍具有很強的指導意義。文獻[60]以德國為實例，分析了未來的碳捕集技術(shù)與可再生能源的發(fā)展前景，認為在現(xiàn)有能源政策下沒有必要投資碳捕集技術(shù)。文獻[61]基于傳統(tǒng)風險理論、項目管理理論以及碳捕集技術(shù)應(yīng)用項目的特征，對碳捕集應(yīng)用項目風險評價開展了研究。文獻[62-63]也對碳捕集電廠的投資評估進行了研究。然而，上述文獻的研究大多基于基準狀態(tài)下的靜態(tài)成本效益分析，沒有考慮碳捕集電廠的靈活運行，無法真實體現(xiàn)碳捕集電廠的成本效益。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
引入碳捕集系統(tǒng)，可以使電廠有效規(guī)避碳價波動的影響，鎖定投資收益。當碳排放價格處于高位時，電廠可以提高碳捕集水平，通過出售碳排放額度獲得高額的碳交易收益；而當碳排放價格處于低位時，則可以降低碳捕集水平，以避免支付捕集系統(tǒng)的額外運行成本。因此，引入碳捕集技術(shù)相當于為電廠購買了一定額度的碳排放實物期權(quán)，如果忽略了這種期權(quán)，將低估碳捕集電廠的投資效益[8]。 內(nèi).容.來.自：中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com
文獻[64-66]運用實物期權(quán)理論對碳捕集電廠的投資效益進行了研究。文獻[64]從短期規(guī)劃和長期規(guī)劃兩個方面對碳捕集系統(tǒng)的投資問題進行研究，短期規(guī)劃考慮期權(quán)價值，長期規(guī)劃則以全生命周期的碳減排量作為目標。文獻[65]打破了傳統(tǒng)的靜態(tài)成本效益分析方法，將投資效益與電力企業(yè)的生產(chǎn)與運行等環(huán)節(jié)結(jié)合起來，考慮投資的實物期權(quán)價值，以及各類激勵措施的影響，從而建立一個完整的碳捕集投資效益分析框架。在此基礎(chǔ)上，文獻[66]進一步考慮政府宏觀政策的影響，建立了基于實物期權(quán)理論的碳捕集系統(tǒng)最佳投資時機決策數(shù)學模型，對碳捕集技術(shù)進行了動態(tài)全面的投資效益分析。 本`文內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fan g.com
盡管碳捕集與封存技術(shù)被廣泛認為是應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)、實現(xiàn)碳排放控制目標的有效手段和解決方案，但是目前取得的只是初步成果，碳捕集技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用仍然面臨著較大的經(jīng)濟和技術(shù)挑戰(zhàn)。 本%文$內(nèi)-容-來-自；中_國_碳|排 放_交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om
碳捕集技術(shù)無法迅速得到推廣的首要原因是高昂的投資和運營成本。燃煤電廠部署碳捕集裝置需要增加額外的投資成本，具體成本與采取的捕集技術(shù)有關(guān)。研究表明，電廠的碳捕集改造將會額外增加約50%～100%的投資成本。此外，碳捕集過程中需要消耗電能，增加了電廠的發(fā)電損耗，帶來了運營成本上升。 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
碳捕集技術(shù)的另一個問題是CO2的長期存儲問題。CO2的存儲需要大量場地，且存儲的安全性尚未得到完全的證明。封存CO2，一般要求注入距離地面一定深度的地下巖層，使其不易泄漏；也可注入廢棄煤層和天然氣、石油儲層等。存儲環(huán)節(jié)的碳泄露風險普遍存在，如廢棄的注水井、毗鄰的鉆井或未被發(fā)現(xiàn)的地震造成的巖層斷裂。需要采取相關(guān)監(jiān)控措施，保證存儲場地的安全運營，以減少CO2的泄露。此外，CO2通過管道運輸?shù)陌踩詥栴}也值得關(guān)注[4]。 夲呅內(nèi)傛萊源亍：ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
同時，碳捕集技術(shù)的發(fā)展不可避免地受到市場和政策因素的影響。首先，碳價的高低直接影響到碳捕集技術(shù)的投資回收能力。從現(xiàn)有碳交易市場的運行情況看，目前各國主要的碳市場的交易價格都處于較低水平[67]。以全球最大的歐盟碳交易市場EU ETS為例，該市場的交易價格雖然在近期有所回升，但也僅為 24歐元/t左右。過低的碳價影響了投資者對碳捕集技術(shù)的信心，未來需要通過市場與政策機制的完善進一步引導市場合理碳價的形成，增加碳捕集技術(shù)的投資效益。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
另一方面，全球各國政府對碳捕集技術(shù)的態(tài)度及政策支持仍然存在較大分歧，也存在諸多不確定性因素。歐盟一直是碳捕集技術(shù)的積極推動者，但各成員國針對該技術(shù)的態(tài)度有所不同，導致歐盟無法制定一項長期穩(wěn)定的CCS政策。雖然碳捕集技術(shù)在英國前期發(fā)展比較緩慢，但隨著新修訂的《氣候變化法案》出臺，碳捕集技術(shù)在英國迎來了發(fā)展的春風。2018年 11月，英國政府發(fā)布了碳捕集技術(shù)部署路線圖，列出了政府、行業(yè)和企業(yè)的行動計劃。位于英格蘭西北部的全球最大碳捕集示范項目將于2021年問世，而“凈零排放”的發(fā)展目標也使得碳捕集技術(shù)有望在英國迎來加速發(fā)展。2019年5月，碳捕集聯(lián)盟（Carbon Capture Coalition）發(fā)布了美國國家政策藍圖，明確了未來的政策行動愿景，包括將碳捕集納入更廣泛的國家基礎(chǔ)設(shè)施，但目前美國的碳捕集技術(shù)發(fā)展節(jié)奏仍然略顯平緩。碳捕集技術(shù)在中國面臨同樣的境地，科技部發(fā)布了《中國碳捕集利用與封存技術(shù)發(fā)展路線圖（2019版）》[68]，提出了中遠期發(fā)展目標和優(yōu)先方向，但碳捕集技術(shù)的發(fā)展仍然任重道遠。
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此外，目前還沒有針對碳捕集技術(shù)的有效法律和監(jiān)管框架，碳捕集項目缺乏統(tǒng)一的準則，這也給碳捕集技術(shù)的推廣應(yīng)用帶來了額外難題。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
在傳統(tǒng)碳捕集技術(shù)面臨發(fā)展瓶頸的同時，各國也開始開發(fā)新型的碳捕集技術(shù)，主要包括碳捕集、利用與封存技術(shù)（carbon capture,utilization and storage,CCUS）和生物質(zhì)碳捕集技術(shù)（bioenergy with CCS,BECCS）。CCUS可以將CO2捕集以后直接利用，提升了CO2的利用率，同時也減輕了存儲的壓力。但是，CCUS目前仍然處于示范項目階段，技術(shù)還不成熟，成本也十分昂貴。BECCS通過將生物能源用途與地質(zhì)碳捕獲和儲存相結(jié)合，產(chǎn)生負CO2排放，被認為是達到碳排放控制目標進而實現(xiàn)“碳中和”的關(guān)鍵技術(shù)[4,69-70]。
隨著電力系統(tǒng)中以風電、光伏、直流輸電為代表的各類電力電子設(shè)備的接入，電力系統(tǒng)的慣性明顯減弱，系統(tǒng)調(diào)頻資源應(yīng)對不平衡功率的能力降低，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定受到挑戰(zhàn)。相比于常規(guī)電廠，碳捕集電廠可以更加靈活地調(diào)節(jié)凈出力，提高二次調(diào)頻的響應(yīng)速度，甚至能夠結(jié)合虛擬同步控制技術(shù)，更好地支撐低慣量電力系統(tǒng)的運行。現(xiàn)有研究對于碳捕集電廠運行特性的研究大多集中于穩(wěn)態(tài)，對碳捕集電廠動態(tài)特性的關(guān)注較少。電廠引入碳捕集系統(tǒng)后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行工況均發(fā)生了變化，進而使得其有功出力調(diào)節(jié)等動態(tài)特性與傳統(tǒng)火電機組呈現(xiàn)較大區(qū)別。未來需要研究包含碳捕集化學過程的碳捕集電廠機電暫態(tài)模型，研究其提供慣量的能力、調(diào)頻能力等動態(tài)特性，提升低慣量電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。 本+文`內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
高比例可再生能源并網(wǎng)是未來電力系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢，將使系統(tǒng)的規(guī)劃運行方式發(fā)生顯著變化。風電、光伏等可再生能源具有明顯的時空相關(guān)性和出力波動性，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出運行方式多樣化的特點。碳捕集電廠具備良好的靈活運行特性，有助于解決電力系統(tǒng)靈活性資源稀缺問題。一方面，可以通過靈活調(diào)整碳捕集電廠的運行狀態(tài)，平抑可再生能源的出力間歇性，弱化系統(tǒng)的不確定性；另一方面，相比于常規(guī)火電廠，碳捕集電廠有更大的運行區(qū)間，帶來了良好的調(diào)峰、備用和負荷跟蹤能力。盡管碳捕集電廠的投資與發(fā)電成本高昂，但是與額外建設(shè)儲能電站、引入虛擬同步等技術(shù)手段相比，碳捕集電廠的綜合成本仍然非常具有競爭力。未來需要深入研究碳捕集電廠在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的配置和運行方法以發(fā)揮其最大效益。
氣候變化與《巴黎氣候變化協(xié)定》的簽署無疑使得能源系統(tǒng)面臨巨大的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，建設(shè)凈零排放電力系統(tǒng)成為未來必然的選擇。為實現(xiàn)電力系統(tǒng)的凈零排放，除了要大力發(fā)展可再生能源之外，碳捕集電廠也是重要技術(shù)手段。碳捕集電廠既可以像傳統(tǒng)火電機組一樣提供靈活性支撐作用，又能很大程度降低自身的碳排放，有望在未來電力系統(tǒng)中起到“壓艙石”作用。除了常規(guī)碳捕集技術(shù)，CCUS和BECCS技術(shù)也開始得到關(guān)注。不同類型的碳捕集技術(shù)各有千秋，技術(shù)特性也有差別。未來需要綜合分析不同碳捕集技術(shù)的成本及其效益，研究系統(tǒng)中不同碳捕集技術(shù)手段的優(yōu)化配置組合及發(fā)展路線，為凈零排放電力系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)儲備。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
中國新一輪電力體制改革正在穩(wěn)步進行，現(xiàn)貨市場試點有序推進。全國統(tǒng)一的碳交易市場也已經(jīng)正式啟動。電力市場和碳交易市場的開展，將給碳捕集電廠帶來了更大的市場參與空間，有望改變碳捕集電廠由于成本居高不下帶來的“叫好不叫座”的尷尬局面。市場環(huán)境下，碳捕集電廠可以同時參與電力市場和碳交易市場，根據(jù)市場的交易情況合理確定碳捕集水平，與傳統(tǒng)火電廠相比具有更大的靈活性，具備更大的利益空間。此外，碳捕集電廠良好的調(diào)峰與備用能力可使其充分參與電力輔助服務(wù)市場的競爭。因此，需要從電廠利益最大化的角度出發(fā)，研究靈活運行機制下碳捕集電廠參與電力市場和碳交易市場的聯(lián)合競價策略，這有助于提升碳捕集電廠的投資回報率、加強其競爭優(yōu)勢。 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)了多種形式能源在不同時間、空間維度的耦合，提升了系統(tǒng)的靈活性及綜合利用效率，具有良好的發(fā)展前景。在綜合能源系統(tǒng)環(huán)境下，一方面碳捕集過程涉及到熱量的交換，可以與電廠供熱以及制冷系統(tǒng)聯(lián)合形成綜合能源供應(yīng)，增加了系統(tǒng)運行靈活性。多能集成環(huán)境下，需要研究碳捕集電廠與其他靈活性資源（如儲熱、電轉(zhuǎn)氣、電鍋爐等）的相互協(xié)調(diào)與容量優(yōu)化配置，充分發(fā)揮多種設(shè)備之間的互補特性，實現(xiàn)電、熱、冷的聯(lián)合最優(yōu)供應(yīng)；另一方面，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的甲烷化過程需要消耗大量CO2，通過碳捕集電廠與電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的聯(lián)合運行可以實現(xiàn)碳的循環(huán)利用，也有助于解決捕集后CO2的存儲難題。目前已有部分文獻對此開展了初步的研究，未來需要對二者聯(lián)合運行進行深入的探索，包括技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性、綜合運行效益等。 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
《巴黎氣候變化協(xié)定》提出的2 ℃和1.5 ℃低碳發(fā)展目標為全球各國應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)指明了方向。低碳經(jīng)濟發(fā)展模式是中國電力行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。碳捕集電廠作為促進電力系統(tǒng)低碳發(fā)展的有效手段，已經(jīng)得到了越來越多的關(guān)注，具有良好的發(fā)展前景。本文首先介紹了碳捕集電廠的基本原理和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了碳捕集電廠運行機制，然后從含碳捕集電廠的電力系統(tǒng)運行優(yōu)化、含碳捕集電廠的電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃以及碳捕集電廠的投資效益分析等方面出發(fā)，對現(xiàn)有的研究進行了歸納總結(jié)。最后，結(jié)合電力系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢，對碳捕集電廠的研究新動向進行了展望，希望能為今后的研究提供參考。
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在電力系統(tǒng)的運行和規(guī)劃中考慮碳捕集技術(shù)，可提升優(yōu)化決策的維度，利用碳捕集電廠的低碳效益，有效應(yīng)對電力行業(yè)的碳排放約束。此外，利用碳捕集電廠的運行靈活性，有助于促進系統(tǒng)中間歇性可再生能源的消納，進一步降低系統(tǒng)排放，顯著提升系統(tǒng)的低碳水平。當前碳捕集技術(shù)的發(fā)展面臨多方面挑戰(zhàn)，而其中高昂的投資成本是其規(guī)?；l(fā)展的主要制約因素。作為一種低碳減排的手段，碳捕集技術(shù)的成本仍然高于新建可再生能源（可再生能源電能替代）、煤改氣等措施。然而，要實現(xiàn)2 ℃和1.5 ℃的深度減排目標，火電廠的碳捕集改造必不可少。未來需要在技術(shù)、市場、政策等各方面共同努力，為促進碳捕集技術(shù)的發(fā)展、順利實現(xiàn)全球低碳發(fā)展目標提供助力。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
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