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负碳排CCUS技术的商业化前景与机遇

北极星大气网  来源:国泰君安产业观察  作者:宋亚楠  2021/5/28 9:55:20  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:CCUS 碳达峰 碳中和 

1.4我国CCUS发展仍处在捕集的早期阶段

根据《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019) 》,截至2019年底,国内共开展了9个纯捕集示范项目、12个地质利用与封存项目,其中包含10个全流程示范项目。除此之外,国内还开展了数十个化工、生物利用项目。目前中国CCUS技术的推进和实践更多处于捕集阶段,进入能够产生实际收益的利用阶段的项目还非常有限;即便是在捕集阶段,中国的项目分布也严重不均,集中在电厂行业,与美国的广泛覆盖形成鲜明对比。

表4 各国积极参与碳中和

资料来源:《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019)》,国泰君安证券研究

图5 中国碳捕集项目过度集中于电厂,其他行业覆盖不足

资料来源:《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019)》,国泰君安证券研究

二、CCUS技术及其成熟度

CCUS技术包括CO2的捕集、运输、封存以及利用四个步骤。捕集是指主要从电站、工业设施或者空气中捕集CO2的过程。捕集到的CO2有两种使用路径:一是经过运输送往合适的地点进行封存,一般封存在地质结构中或者海底;二是对捕集到的CO2加以利用,用于生产其他产品或服务。

图6 CCUS产业链

资料来源:《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019)》,国泰君安证券研究

图7 CCUS技术示意图

资料来源:IEA《碳捕集、利用与封存(CCUS)——世界能源技术展望2020特别报告》

2.1二氧化碳的捕集

CO2的捕集主要有三种方式:燃烧前捕集(Pre-combustion)、富氧燃烧(Oxy-fuel combustion)和燃烧后捕集(Post-combustion)。

图8 CCUS技术路线图

资料来源:中国华能

2.1.1燃烧前捕集

燃烧前捕集技术包括基于整体煤气化联合循环发电(IGCC)的CO2捕集和工业分离两大类。

表5 燃烧前捕集方法

资料来源:碳交易网,国泰君安证券研究

2.1.2富氧燃烧捕集

富氧燃烧,又称氧气、二氧化碳燃烧技术或空气分离、烟气再循环技术。其原理是将空气分离得到纯氧用于燃烧,因而烟气中的主要成分是二氧化碳和水蒸气,分离成本也低于燃烧后捕集。但这一技术需要对现有的燃煤电厂进行空分、燃烧器、烟气再循环等多种装置的改造,面临的最大难题是制氧技术的投资和能耗太高,还没找到一种廉价低耗的能动技术。

2.1.3燃烧后捕集

由于燃煤是CO2的最大人为排放源,因而针对烟气中CO2的捕集技术研究成为了学术界关注的焦点。燃烧后捕集技术能够满足现有烟气特点的要求,工程量较小,被认为是可行性最高的CO2减排方法。燃烧后捕集可分为化学溶剂吸收法、相变溶剂吸收法、吸附法、膜分离法和低温分离法。

表6 燃烧后捕集方法

资料来源:《CO2捕集技术的研究现状》(刊载于《应用化工》),Global CCS Institute《全球碳捕集与封存现状2016年报告摘要》,国泰君安证券研究

2.1.4其他捕集方法

空气中直接捕集CO2技术(DAC)

目前,碳捕集与封存技术主要对固定源排放的CO2进行捕集和处置,而对分布源排放的CO2关注度不高。然而,后者占CO2总排放量近50%,也不容忽视。因此DAC(Direct Air Capture)概念被提出,其流程为:通过吸附剂捕集CO2,而后通过改变热量、压力或温度进行吸附剂再生,再生后的吸附剂再次用于CO2捕集,而纯CO2则被储存起来。2018年美国国家科学院的负排放技术报告中,预估了未来十年使用固体吸附剂的DAC成本在88-228$/t。DAC具有较高的灵活性,可以作为CCS的补充,但仍处在新型阶段,技术不成熟、经济成本高。

图9 DAC系统流程

资料来源:《空气中直接捕集CO2》(刊载于《洁净煤技术》)

生物质能源技术和CCUS结合的BECCS技术

一般而言,植物在生长过程中会吸收CO2,在利用生物质能的过程中会释放CO2,因此生物质能的利用通常被认为是碳中性的。而BECCS技术将生物质能的利用与CCS相结合,通过CCS技术将生物质能利用过程中排放的CO2进行分离、压缩并运至封存地点,使其与大气长期隔离起来,从而实现负碳排。

2.2二氧化碳的运输

CO2运输是CCUS捕集压缩、运输和封存利用的中间环节,此阶段可选的运输方式有管道运输和各种交通工具运输。目前主要是管道运输和油轮运输。

表7 CO2的运输方法

资料来源:《二氧化碳捕集、利用与封存技术全链分析与集成优化研究》,国泰君安证券研究

一般来讲,输送管道受地形和管道自身等因素的影响,管道沿线的压力时刻在发生变化。为了使自捕集系统的CO2压力达到管输系统输送要求,避免因压力不足产生两相流后导致的管道破裂,需通过泵站加压使其达到管道最小运行压力,进而使其沿着管道前进。管道的尽头通常距离封存CO2的地点较近,由专门人员对CO2进行封存工作,此外,也需要有管道的密闭性、防腐蚀性等方面的考虑。

由于运输环节可以借鉴天然气储运经验,相关技术较为成熟。

2.3二氧化碳的利用

二氧化碳的利用技术包括地质利用、化工利用、生物利用。

表8 二氧化碳的利用方法

资料来源:《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019)》,国泰君安证券研究

2.4二氧化碳的封存

CO2的封存技术包括地质封存和海洋封存两种方式。CO2封存主要把捕集的CO2压缩后运输到枯竭油气田等地下封存场所,然后进行注入,地下的温度和压力使CO2保持液态,CO2缓慢穿过多孔岩并填满孔隙的微小空间,实现对CO2封存。合适的CO2封存地点包括废弃的油田、废弃的气田、不能开采的煤田、含水岩层、含盐层等。中国在CO2封存方面具有很大的潜力,适宜于进行CO2封存的地点主要分布在中国东南部。

表9 二氧化碳的封存方法

资料来源:《二氧化碳捕集、利用与封存技术全链分析与集成优化研究》,国泰君安证券研究

2.5技术成熟度

目前,CCUS技术处于不同的成熟水平。CO2捕集、运输、封存和利用中的几种技术已经大规模投入应用,但是其他技术仍需要更进一步的完善和开发,其中包括一些十分具有前景的技术。

表10 IEA采用的TRL量表

资料来源:IEA《碳捕集、利用与封存(CCUS)——世界能源技术展望2020特别报告》,国泰君安证券研究

TRL(Technology Readiness Level)量表,即技术就绪水平量表,是一种用于衡量技术发展的成熟度的方法。TRL最初由NASA开发,用于评估某种技术在从实验室到最终市场运用周期中所处的具体阶段位置。TRL适用于任何技术,是一种通用框架,因而可以进行不同技术的成熟度比较。国际能源署采用的TRL量表分为6个等级,目前CCUS技术中比较成熟的有:化工业CO2捕集中的氨法物理吸收技术,燃料加工业CO2捕集中的天然气处理技术,CO2运输过程中的长途管道运输技术,CO2封存过程中的强化石油开采技术以及CO2利用过程中的尿素生产技术。

处于早期采用阶段的技术大多经历了完整的技术开发周期,但由于尚未广泛投入应用,因此不认为达到成熟阶段,例如燃煤电厂的CO2化学吸收法技术、钢铁厂商直接还原铁过程中的CO2化学吸收法技术、以及咸水层CO2封存技术等。绝大部分的技术仍处于原型阶段或者试点阶段。

表11 CCUS价值链中的技术就绪水平(TRL)

资料来源:IEA《碳捕集、利用与封存(CCUS)——世界能源技术展望2020特别报告》,国泰君安证券研究

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