近日，國際能源署（IEA）發布《CCUS在低碳發電系統中的作用》報告，分析了碳捕集、利用與封存（CCUS）技術在加速低碳發電轉型的作用以及當前的進展現狀。報告指出，CCUS技術是化石燃料電廠降低排放的關鍵解決方案，在推進電力系統低碳轉型、實現全球氣候目標方面發揮重要作用。如果不采用CCUS技術，要實現全球氣候目標可能需要關閉所有化石燃料發電廠。然而，當前CCUS在發電領域的發展并未達到預期，報告提出了電力部門發展CCUS的政策建議。報告關鍵要點如下：
•化石燃料仍是世界最大電力來源，發電是能源部門最大的碳排放源。當前，燃煤和天然氣發電仍占據全球電力部門主導地位，占發電總量近2/3。2000年以來，全球化石燃料發電量增長了70%。煤炭仍然是最大的發電燃料來源（38%），其次是天然氣（約20%）。中國和印度的燃煤發電占其總發電量60%以上。電力是能源行業最大的碳排放來源，占全球能源相關碳排放量近40%。盡管迫切需要解決氣候變化，2019年電力部門碳排放量僅略低于2018年的歷史最高值（136億噸）。
•需利用一切手段解決化石燃料發電的碳排放問題，以實現低碳未來。為了實現氣候目標，政策制定者需要解決現有燃煤發電廠和在建電廠的排放問題。然而，根據各國政府的現行政策，盡管現有燃煤機組的碳排放量將下降約40%，但到2040年仍將達到60億噸/年。截至2020年初，仍有大量燃煤發電機組在建，為今后減排帶來了挑戰。如果不在大力部門大規模應用CCUS技術，要實現長期氣候目標將需要完全取消燃煤及天然氣發電。
•CCUS技術在支持現代靈活電力系統中發揮重要作用。根據IEA可持續發展情景，配備CCUS的燃煤及天然氣發電廠對于安全、可持續和負擔得起的電力系統越來越重要，到2040年配備CCUS的發電廠將提供全球5%的電力。滿足氣候目標還需建立極其靈活的電力系統，能夠管理高比例波動性可再生能源。燃煤和天然氣發電廠一直是電力系統靈活性的主要來源，為電網運行提供慣性和頻率控制等。CCUS使這些電廠能夠繼續發揮此類作用，并滿足長期靈活性要求。
•CCUS技術對于實現氣候目標、擴大低碳能源組合十分重要，為構建低碳未來發揮重要作用。碳捕集技術一直被確定為支持全球電力系統轉型所需的成本最低的技術組合的一部分，這對于以化石燃料發電為主的國家尤為重要。將碳捕集納入低碳技術組合可降低電力系統改造的總成本。根據IEA可持續發展情景，到2040年，全球有315吉瓦發電機組將配備CCUS設備，意味著未來20年改造和新增的CCUS容量須達到平均15吉瓦/年，配備碳捕集的化石燃料電廠平均每年將增加近300億美元的支出。到2040年，配備CCUS的發電廠將提供1900太瓦時的電力（圖1），占全球發電量5%，而2030年這一比例僅為1.5%（470太瓦時）。2040年，全球燃煤發電量中有40%來自配備碳捕集的燃煤電廠，而天然氣發電量中有16%來自配備碳捕集的天然氣電廠。CCUS在未來20年將捕集約970億噸發電碳排放，超過航空業10年的排放量（以2019年水平計）。
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•CCUS可解決現有電廠的碳排放問題。全球幾乎1/3的化石燃料電廠運行時間還不滿十年，大多數化石燃料電廠都不可能在2050年前退役，因此CCUS為現有和規劃中的化石燃料電廠的碳排放提供了一個可行的解決方案。碳捕集改造對于一些附近可封存CO2或利用CO2的新建高效化石燃料電廠最具吸引力，在評估改造是否能產生商業價值時，必須考慮現有發電廠的某些技術特征，如電廠壽命、容量、部署碳捕集設備的現場空間、容量因子和類型、燃料來源的位置，燃煤電廠的冷卻方式和蒸汽循環設計等對改造成本有重要影響。IEA對中國現有燃煤機組的分析發現，考慮上述因素，適合改造的機組超過300吉瓦。IEA認為，解決現有燃煤電廠排放問題應基于三個方面：利用碳捕集改造電廠、利用燃煤電廠提供靈活性、在不可能進行碳捕集的地區淘汰燃煤電廠。如果不采用CCUS技術，實現氣候目標將需要幾乎完全取消化石燃料發電。資產所有者將因此而蒙受損失，同時還意味著對其他低碳電力及相關基礎設施的投資增加。
•配備CCUS的化石燃料電廠能夠確保電力系統靈活性。隨著波動性可再生能源占比上升，電力系統運營商將面臨日益增長的靈活性需求。化石燃料電廠與水力發電和電網互聯共同滿足了當前大部分的靈活性需求。實現氣候目標意味著需要建立極為靈活的電力系統，配備CCUS的火力發電廠將成為未來高度靈活的電力系統的重要組成，火力發電在平衡波動性可再生能源造成的季節性或長期電力短缺方面發揮重要作用。在充分考慮電力系統靈活性、可靠性和碳排放的情況下，碳捕集在電力系統中的競爭力將增加。
•碳捕集技術有希望實現電力系統的凈零排放或負排放。將生物能發電與CCS結合，有望實現凈零排放或負排放電廠，這可以在抵消其他部門排放方面發揮重要作用，如長途運輸和工業加工，或是抵消用于電力調峰的天然氣發電廠的排放量。配備CCS的生物能電廠與配備CCUS的化石燃料電廠相比，在碳價提升的情況下，前者的成本競爭力越來越強。配備碳捕集的生物質聯合燃燒可能是現有化石燃料發電最具成本效益的方法之一，IEA的研究發現，10%的生物質混合燃燒配備捕集率達到90%的碳捕集系統，是實現碳中性超臨界燃煤發電的最經濟選擇。為了提升配備CCUS電廠的經濟性，應設計電力市場的商業模式以獎勵靈活性服務。
•碳捕集在發電領域的進展并未達到預期，但在一些關鍵地區正出現新的項目。目前電力部門有兩個大規模CCUS項目正在運營，即佩特拉諾瓦（Petra Nova）項目和邊界大壩（Boundary Dam）項目，兩個項目均是對現有電廠的改造。其中Petra Nova項目2017年投運，裝機容量240兆瓦，是世界上最大的燃燒后碳捕集系統，每年捕集1.4噸CO2并用于提高石油采收率。日本Osaki CoolGen碳捕集示范項目于2019年12月開始測試，從166兆瓦的整體煤氣化聯合循環電廠中捕集CO2。英國的BECCS試點項目是全球首個用于100%生物能發電的碳捕集示范項目，如果項目全面投產，該電站將成為世界首座負排放電站。美國的NET Power 50兆瓦清潔電廠是首家采用阿拉姆循環的天然氣電廠，使用了富氧燃燒超臨界CO2循環發電，該項目于2018年投運，能夠使零排放天然氣發電廠與現有發電技術競爭。目前在開發的CCUS項目有20個，其中11個在美國，中國和英國分別有3個，剩余3個分別位于愛爾蘭、韓國和荷蘭。上述項目中有7個用于天然氣發電，1個利用天然氣發電廠制氫，2個用于生物質電廠和廢物發電廠，其余則用于現有或新建電廠。在運行的2個大型CCUS項目和在建的20個項目預計總碳捕集能力將達到5000萬噸/年，但IEA可持續發展情景中到2030年電力碳捕集能力須達到3.1億噸/年，CCUS的發展尚未步入正軌。
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•發電廠CCUS技術有大幅降低成本的潛力。通過改進技術、提高效率，以及降低資本成本和運營成本，能夠使下一代碳捕集發電廠成本大幅降低。邊界大壩CCS項目運營商根據其調試和運行經驗確定，建造和運行一個類似規模的CCUS設施可以節省30%的成本。Shand電站CCS可行性研究發現，建造第二代碳捕集設施的資本成本可以降低67%，碳捕集總成本實現45美元/噸，碳捕集率超過90%。碳捕集和封存國際知識中心針對燃燒后碳捕集的研究發現了降低資本成本、運營成本以及碳輸運和封存成本的可行措施（表1）。
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擴大CCUS電廠規模；改進布局、模塊化；提高捕集能力；提高發電機組效率；優化CCUS運行范圍；開發CCUS供應鏈
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減少胺降解；降低維護成本；優化熱能消耗；優化水耗；提高壓縮效率；數字化
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•大量研究項目促進了CCUS新興技術開發。目前正對燃燒后、燃燒前和富氧燃燒碳捕集系統進行改進和開發新技術，尚不清楚哪種技術在降低成本和改進性能方面最為有效。對電力部門的碳捕集新技術的評估總結了各主要技術的進展，包括：①燃燒后捕集，該技術是目前最成熟的碳捕集技術，已應用于當前兩個大型項目（Boundary Dam和Petra Nova），通過使用創新溶劑、捕集設備的標準化和大規模部署，能夠實現規模經濟，新出現的改進技術主要針對吸附劑和膜，但需要進一步研發和大規模示范；燃燒前捕集，研究重點在于分離水煤氣變換反應過程混合氣體中的CO2和O2的新技術，包括膜和吸附劑，其他研究領域包括煤氣化相關的技術，如改進渦輪機和燃料電池技術；③富氧燃燒碳捕集，研究主要集中在提高效率、經濟高效的空氣分離裝置以及新型氧氣生產技術。化學鏈循環是另一種正在開發的先進富氧燃料技術，具備巨大的碳減排潛力，但仍處于初級階段。超臨界CO2（sCO2）循環發電能夠大幅降低成本和排放，美國正嘗試將兩項sCO2技術發展至工業規模。
4、決策者需通過政策舉措加速CCUS在電力領域的發展
•政策制定者可通過支持在電力部門推廣CCUS的政策來加速低碳轉型。決策者應采取政策行動，為公用失業和投資者指明方向，以促進CCUS的發展和部署。政策行動將需要考慮到當地和區域電力市場的特點以及配備CCUS的電廠在市場中的預期作用，這種作用可能隨著靈活性要求的增加而發生變化。決策者需采取一系列政策措施以支持商業應用案例，加快碳捕集在發電領域的大規模部署。主要措施包括：①資金支持，包括政府或國企的撥款和資金；②公共采購，政府可直接或間接參與，包括向配備CCUS的電廠購電；③稅收抵免，如美國45Q條款為CO2地質封存和增強石油采收率分別提供稅收抵免，以及48A條款針對燃煤電廠的CCUS改造提供一定稅收激勵；監管標準和義務，如將成本轉移給消費者的受監管資產基礎模型或與碳封存義務相關的可交易碳捕集證書；運營補貼，如能夠彌補較高發電成本與市場價格之間差異的差價合約。
•增強投資者信心，激勵對發電領域碳捕集的投資。在不斷變化的市場中，投資者需要確信能夠持續得到政府支持，否則不會專注于該領域的投資。配備CCUS的發電廠可能在建造或運營方面成本過高，尤其是提供電力系統靈活性服務的發電廠，在低負荷下可能造成過高運營成本，因此需要更高的補償，或是通過市場設計將部分成本轉嫁給用戶。對于具有較高投資成本的改造項目或新型CCUS技術項目，以及容量因子隨時間變化的電廠，需制定提供資本支持和/或有保證的營業收入的政策，以及足夠靈活的適應基本負荷到靈活發電變化的政策。
•對CO2基礎設施的支持應成為CCUS政策激勵措施的一個基本要素。政府領導對于促進CO2運輸和封存基礎設施的發展至關重要。配備CCUS的發電廠有潛力成為共享基礎設施建設的“支柱項目”，包括建立工業碳捕集中心，其中大量的CO2可以為基礎設施開發帶來規模經濟。在英國，德拉克斯生物能發電廠配備了CCS設備，可以支持在亨伯地區實現凈零產業聚集的計劃。另外，一個配備碳捕集的天然氣發電廠的提議將支持在蒂茲谷（Tees Valley）發展CCS產業集群。
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文章來源：先進能源科技戰略情報研究中心
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