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今天是20250702星期三 距離2060碳中和還有12600天
熱點關(guān)鍵詞:
2024 03/14

來源:麥肯錫官網(wǎng)

中國加速邁向碳中和:碳捕集利用與封存技術(shù)(CCUS)

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編者按

中國加速邁向碳中和系列文章中,我們暢想了2050年由電動汽車、氫氣煉鋼、光伏發(fā)電、綠色儲能等新能源元素主導(dǎo)的碳中和世界。這一愿景的實現(xiàn)意味著全球需要在2030年將人為產(chǎn)生的二氧化碳凈排放量較2010年減少約45%,到2050年達(dá)到凈零排放。面對目標(biāo)與時間的雙重挑戰(zhàn),碳中和轉(zhuǎn)型如箭在弦。在各國競相開展相關(guān)研究與落地工作之時,中國在20209月舉行的第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。近日,兩份綱領(lǐng)性文件《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》與《2030年前碳達(dá)峰行動方案》接連發(fā)布,中國 “雙碳行動路線圖逐步明確。這兩個文件重申了中國此前承諾的2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的雙碳目標(biāo),并提出具體的實施路徑和階段目標(biāo)。

在此大背景下,麥肯錫中國區(qū)啟動了大規(guī)模碳中和轉(zhuǎn)型研究,聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)13“氣候行動也被麥肯錫中國區(qū)納入履行社會責(zé)任的重點內(nèi)容。基于麥肯錫全球可持續(xù)發(fā)展研究的豐富經(jīng)驗,結(jié)合對中國社會、行業(yè)和企業(yè)的全面理解和深刻洞見,動員全球百余名專家的知識力量,開展橫跨各大主要工業(yè)板塊的碳中和轉(zhuǎn)型趨勢、對策和技術(shù)研究,我們希望通過種種努力,能為中國早日達(dá)成碳中和目標(biāo)略盡綿力。

這是本系列的第七篇文章,我們將探究碳捕集利用與封存(CCUS)技術(shù)對中國碳中和轉(zhuǎn)型的意義,后續(xù)還將發(fā)布有關(guān)氫能的專題研究。我們非常歡迎各界專家同仁不吝賜教,您可在留言區(qū)提出寶貴意見,也可直接與團隊取得聯(lián)系。我們期待與社會各界共同推進(jìn)綠色中國碳中和轉(zhuǎn)型之偉業(yè)。

推廣CCUS勢在必行

為實現(xiàn)1.5攝氏度的溫控目標(biāo),到2050年全球二氧化碳減排必須達(dá)到80%以上。碳捕集利用與封存(CCUS)是實現(xiàn)這一目標(biāo)的必要技術(shù)手段,預(yù)計到2050CCUS將抵消當(dāng)前全球碳排放量的10%-20%。過去十年間,CCUS產(chǎn)能規(guī)模翻了一番。當(dāng)前全球產(chǎn)能達(dá)到4000萬噸,約半數(shù)集中在美國。CCUS產(chǎn)能目前主要用于天然氣加工,自然界天然氣礦床可能含有大量二氧化碳,有些濃度甚至高達(dá)90%,在天然氣出售或進(jìn)一步加工成為液化天然氣之前,必須使用CCUS技術(shù)將二氧化碳分離出來。未來將有約35CCUS項目計劃在2030年前建成。如能按期建成達(dá)產(chǎn),CCUS產(chǎn)能將較當(dāng)前增加兩倍。

CCUS是中國實現(xiàn)1.5攝氏度溫控目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)抓手,可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),特別是占中國二氧化碳排放量的60%-75%的電力行業(yè)及減排較難的工業(yè)部門,CCUS更是不可或缺的技術(shù)手段(見圖1)。綜合考量麥肯錫1.5攝氏度情景分析的排放總額,以及其他抓手潛在的最大排放量,我們發(fā)現(xiàn)這些難減行業(yè)減排目標(biāo)的35%-40%需要依靠CCUS等尚不成熟的技術(shù)加以解決。如果其他減排抓手的應(yīng)用速度與規(guī)模不理想,就更需要CCUS來填補碳中和缺口。到2050年,CCUS年減排量要達(dá)到約14億噸二氧化碳,而當(dāng)前產(chǎn)能僅100萬噸,應(yīng)加快探索大規(guī)模應(yīng)用手段。

根據(jù)我們的分析,到2050年,中國二氧化碳年度減排量需達(dá)14億噸,累計減排量約為190億噸。目前CCUS有三種推廣設(shè)想:1,勻速推廣,即保持均勻的增長速度推廣;2,有序過渡,即在2030年留出50%的緩沖,之后擴大規(guī)模;3,先慢后快,即在2030年留出75%的緩沖,之后擴大規(guī)模。

我們認(rèn)為先慢后快可能是目前最合適的推廣路徑。在這樣的情景下,未來十年是規(guī)模化推廣CCUS應(yīng)用的關(guān)鍵時期,在不超過碳排放預(yù)算的前提下爭取平穩(wěn)順利推廣,最終實現(xiàn)累計捕集約190億噸的二氧化碳。短期來看,各行各業(yè)應(yīng)當(dāng)積極探索提高能效等經(jīng)濟效益更好的抓手,將CCUS作為最后的手段。我們也需要明確一個重要卻容易被忽視的事實,即如果2030年各種負(fù)排放技術(shù)依然未見成熟,則需要更多地依靠CCUS來實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

CCUS技術(shù)全鏈條和實施成本分析

CCUS全鏈條由二氧化碳來源、捕集、運輸、利用/封存這四個環(huán)節(jié)構(gòu)成。我們分析了各個環(huán)節(jié)的主要技術(shù)及其可行性,并以封存為例,對CCUS全鏈條的實施成本進(jìn)行拆解。我們認(rèn)為,未來需要進(jìn)一步探索降本抓手和收益機制,加快推動CCUS擴大部署。

捕集技術(shù)排放源濃度

碳排放源的二氧化碳濃度決定了捕集化學(xué)方法,隨著二氧化碳濃度升高,捕集成本隨之降低。目前各類技術(shù)提供商正在加緊研發(fā)低濃度點源與直接空氣捕獲等化學(xué)方法。技術(shù)最為成熟的高濃度點源(50%-90%濃度的煙氣)主要來自乙醇、氨和天然氣加工的排放,無需化學(xué)方法,可通過脫水和壓縮設(shè)備實現(xiàn)碳捕集;低濃度點源(5%-15%濃度的煙氣),主要來自于大型減排難行業(yè)的點源,如發(fā)電廠和水泥廠,可通過化學(xué)溶劑、固體材料吸附劑、膜分離等捕集方法,其中化學(xué)溶劑捕集方法較為成熟;直接空氣捕獲是實現(xiàn)負(fù)排放必需的技術(shù)手段,從大氣環(huán)境中捕獲低濃度二氧化碳,可通過高溫堿性水溶液吸收再生、低溫固體吸附劑(TSA)再生、低溫液體溶劑(MSA)再生,目前技術(shù)尚不成熟(見圖2)。

捕集技術(shù)捕集成本

捕集成本與二氧化碳排放源濃度成反比,目前僅5%的排放量同時具備技術(shù)和經(jīng)濟可持續(xù)性,需要激勵措施與技術(shù)提升。高濃度點源在當(dāng)前激勵政策下已具備經(jīng)濟可持續(xù)性,但它們的排放量小于5%;低濃度點源在不斷出臺的激勵措施下將具備經(jīng)濟可持續(xù)性;直接空氣捕獲將需要激勵措施以及技術(shù)提升才能實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)性。

捕集技術(shù)生產(chǎn)階段

根據(jù)碳排放源的不同,可以在生產(chǎn)過程的不同階段捕集二氧化碳。以發(fā)電廠為例,可通過燃燒前、燃燒后與富氧燃燒的方式段捕集二氧化碳。燃燒前捕集過程將燃料轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳的氣體混合物,促進(jìn)清潔燃燒,并使二氧化碳被壓縮后能夠運輸;燃燒后捕集過程將二氧化碳從尾氣中分離,使用液體溶劑捕集二氧化碳;燃燒后捕集過程中的富氧燃料使用氧氣而非空氣作為燃料,使廢氣中產(chǎn)生高濃度的二氧化碳,便于分離。

運輸技術(shù)

管道是當(dāng)前大量運輸二氧化碳最主要的選擇。在一定運輸距離(650公里)內(nèi),管道運輸具有成本優(yōu)勢。美國擁有約6500公里二氧化碳管道,約占全球總長度的85%,而這一長度遠(yuǎn)不足以滿足減排目標(biāo)下的CCUS管道運輸需求。預(yù)計到2050年,所需的CCUS二氧化碳運輸管道長度大約是當(dāng)前的100倍。預(yù)計未來通過一體化CCUS項目,可建立起囊括多個排放點源、匯集點和封存點的二氧化碳運輸網(wǎng)絡(luò)。一旦形成規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng),可降低單個參與項目的門檻與成本。當(dāng)前,美國正在研究將自身現(xiàn)有的天然氣、合成氨、乙醇等基礎(chǔ)設(shè)施與未來建設(shè)的二氧化碳管道相結(jié)合可能釋放的潛力。船舶運輸是長距離運輸?shù)囊环N新興替代選擇,當(dāng)前主要應(yīng)用于食品級液態(tài)二氧化碳的運輸。鐵路與卡車可用于少量運輸二氧化碳,其較大的應(yīng)用潛力在于將二氧化碳配送到終端市場。所有的運輸方式都需將二氧化碳加壓壓縮,當(dāng)前液態(tài)和超臨界流體二氧化碳運輸正在成為遠(yuǎn)距離儲存獲取的手段。

利用技術(shù)

降低CCUS技術(shù)實施成本的關(guān)鍵在于找到合適的利用技術(shù)。我們分析了各類CCUS利用技術(shù)可能實現(xiàn)的二氧化碳減排量(見圖3),包括提高石油采收率技術(shù)(Enhanced oil recovery, EOR,當(dāng)前主要應(yīng)用在陸上)、化學(xué)利用技術(shù)和生物利用技術(shù)。目前行業(yè)正在衍生新的技術(shù)發(fā)展趨勢,包括諸如在離岸海上油田中開發(fā)EOR項目和利用二氧化碳直接合成淀粉等。在各類利用技術(shù)的應(yīng)用上,我們的主要判斷如下:EOR具有經(jīng)濟價值,因而被認(rèn)為是短期內(nèi)更可行的方案。然而油價下行壓力可能影響相關(guān)需求,預(yù)計EOR需求會在2035-2040年達(dá)到頂峰,隨后下降。化學(xué)利用技術(shù)包括在化工生產(chǎn)過程中使用二氧化碳,如有機碳酸鹽、煤化工等,對二氧化碳終態(tài)濃度的要求較低(約40%),因而成本更低,有進(jìn)一步研發(fā)的潛力;我們也觀察到化學(xué)利用技術(shù)的需求正在逐步增加,但仍無法充分消化大量的二氧化碳排放。生物利用技術(shù)將二氧化碳用于食品和飲料生產(chǎn),但由于對二氧化碳終態(tài)濃度的要求較高(濃度約90%以上),因而成本更高、需求較少。

封存技術(shù)

無法被利用的二氧化碳,則需要通過封存技術(shù)進(jìn)行埋存。然而就目前來看,封存技術(shù)對于企業(yè)來說成本極為高昂,且沒有經(jīng)濟價值,需要政府出臺相關(guān)政策進(jìn)行激勵。同時,實施封存需要合適的地質(zhì)條件,因此合適的封存地點以及容量可能是天然限制因素。我們分析了可能的封存地點,枯竭油田封存、枯竭氣田封存和陸上咸水層封存是潛力相對較高的選幾個選項。其中,枯竭油田封存和枯竭氣田封存地點多集中于中國北部和東部地區(qū),且油田和氣田大多相鄰,預(yù)計封存總?cè)萘渴?span id="sonloasityk" class="s1" style="font-size: 18px; box-sizing: inherit;">CCUS總需求量的30%。枯竭油田封存以及枯竭氣田封存實施額外成本較少,是較成熟的技術(shù)流程,在運用EOR技術(shù)充分捕獲采收潛力后,EOR現(xiàn)場最終往往留作直接封存,且油氣公司為相關(guān)地塊和設(shè)施的所有者,易于施行管理。

然而需要注意的是,油氣田封存可能存在一定的泄漏風(fēng)險,多是由于油氣田的設(shè)計和開采方式所致,例如油井、裂縫可能發(fā)生泄漏。陸上咸水層封存空間更大、更分散,在西南、中國中部等地區(qū)應(yīng)用潛力更大,同時可能更適合布局分散的行業(yè)板塊,例如水泥行業(yè)。陸上咸水層封存具有廣闊的應(yīng)用潛力,預(yù)計封存總?cè)萘渴?span id="sonloasityk" class="s1" style="font-size: 18px; box-sizing: inherit;">CCUS總需求量的50-70倍。然而陸上咸水層封存不確定性也更高,運輸和封存設(shè)施可能需要第三方運營商進(jìn)行投資和管理;同時,土地用于高濃度二氧化碳封存的相關(guān)法規(guī)和申報流程復(fù)雜,當(dāng)前在中國僅有一項試點。另外,陸上咸水層封存需要考慮地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性,不同地區(qū)的封存適宜程度存在差異,適宜性高的地區(qū)泄漏風(fēng)險相對較低。

降本抓手

我們的成本拆解分析發(fā)現(xiàn),CCUS的成本主要集中在捕集環(huán)節(jié),且隨著需求量的擴大,2030年后成本將會大幅上升。為擴大CCUS的應(yīng)用規(guī)模,亟需進(jìn)一步研究降本抓手,包括開發(fā)第二代碳捕集技術(shù)、降低電力成本、形成規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)、優(yōu)化封存點規(guī)劃、合理利用社會資源等。其中,我們認(rèn)為潛力最大的降本抓手為降低電力成本、提高能源效率和利用規(guī)模經(jīng)濟,通過降低單位二氧化碳耗電量和用電成本,實現(xiàn)在捕集環(huán)節(jié)顯著降本;同時利用規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)優(yōu)化封存點規(guī)劃,能夠進(jìn)一步降低運輸和封存成本。在相對樂觀的情景預(yù)測下,CCUS成本可能降低30%-40%

CCUS技術(shù)在中國的投資

在中國投資布局的CCUS主要分為三種類型:具有經(jīng)濟價值的EOR項目、綠色煤電試點項目和新興技術(shù)試點項目。當(dāng)前CCUS項目已在中國落地近30項,其中大部分是以油氣公司為投資主體的EOR項目。如當(dāng)前在建的齊魯石化勝利油田CCUS項目為全國首個百萬噸級CCUS項目,預(yù)計2021年底投產(chǎn),建成后齊魯石化可將捕集的二氧化碳運送至勝利油田進(jìn)行驅(qū)油與封存。

當(dāng)前一系列CCUS試點項目正在涌現(xiàn),如綠色煤電試點項目的投資主體主要為中國大型發(fā)電集團及其所屬的投資機構(gòu),如2021年年初剛建成受電的由國家能源集團投資的國華錦界電廠15萬噸/年的碳捕集與封存的全流程示范項目,目標(biāo)是使煤炭發(fā)電達(dá)到二氧化碳和污染物的近零排放,并提高綠色煤電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性,為商業(yè)化做技術(shù)準(zhǔn)備。

新興技術(shù)項目投資主體更為多樣化,當(dāng)前仍處于研究階段,尚不具有經(jīng)濟性,主要為未來投資主體自身的碳中和轉(zhuǎn)型進(jìn)行技術(shù)試點,或為二氧化碳的下游應(yīng)用做技術(shù)試點與研究。例如海螺集團蕪湖白馬山水泥廠5萬噸/年的CCUS項目將生產(chǎn)高濃度二氧化碳產(chǎn)品,應(yīng)用于焊接、食品保鮮、干冰生產(chǎn)、激光、醫(yī)藥等領(lǐng)域。此外,中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究院近日也公布了以二氧化碳為原料,不依賴植物光合作用,直接人工合成淀粉的成功實驗。

CCUS技術(shù)的宏觀實施路徑

我們認(rèn)為,未來CCUS可能成為碳中和轉(zhuǎn)型下的一項必不可少的技術(shù)選項,需要政策激勵,與企業(yè)產(chǎn)生合力、加速推廣。我們分析了美國如何建立推廣CCUS價值鏈的應(yīng)用案例,希望可以為中國業(yè)界提供有效參考(見圖4)。

在美國應(yīng)用案例中,燃煤電廠等二氧化碳排放方致力于建設(shè)大規(guī)模碳捕集設(shè)施,以期獲得政府提供的碳稅抵免;油田等碳封存點通過收集二氧化碳進(jìn)行EOR/封存部分減免稅款從而獲益。此外,政府還對管道等基礎(chǔ)設(shè)施投資以及CCUS技術(shù)研發(fā)提供補貼,并設(shè)計合適的監(jiān)管框架以推動CCUS項目的開展。企業(yè)和外部投資者則可通過投資CCUS項目,換取稅收抵免等穩(wěn)定收益。

參考美國的應(yīng)用案例,我們?yōu)槿珖秶?span id="sonloasityk" class="s1" style="font-size: 18px; box-sizing: inherit;">CCUS推廣設(shè)計了三步走路徑:

  • 行業(yè)試點期(2021-2030:適當(dāng)?shù)恼邫C制(例如補貼及碳稅)和切實的經(jīng)營環(huán)境保障,可為CCUS項目創(chuàng)造經(jīng)濟激勵和可持續(xù)的商業(yè)前景。同時,相關(guān)部門應(yīng)基于2050年減排目標(biāo),評估CCUS設(shè)施和研發(fā)方面所需的投資,盡早開展資源規(guī)劃與鋪排。

  • 地區(qū)推廣期(2031-2040:各地區(qū)根據(jù)行業(yè)結(jié)構(gòu)和可用資源,制定自己的CCUS發(fā)展路線圖;同時,對于CCUS的應(yīng)用加大相關(guān)支持(例如,補貼、政策支持),推動應(yīng)用提速。

  • 全國應(yīng)用期(2041-以后):企業(yè)識別潛在的資源整合機會(例如CCUS企業(yè)、輸送管道等)后,向價值鏈外圍延伸拓展以捕獲成本協(xié)同效益;在逐步取消部分CCUS補貼后,應(yīng)學(xué)習(xí)其他地區(qū)商業(yè)模式的成功經(jīng)驗,并有序推動CCUS在全國的部署。

在中國未來的CCUS生態(tài)系統(tǒng)中,各方應(yīng)通力合作、持續(xù)探索與調(diào)整校準(zhǔn)適合中國的成本實施路徑,推動CCUS大規(guī)模落地(見圖5)。首先,應(yīng)根據(jù)本地適宜的地質(zhì)條件確定具體CCUS實施路徑。其次,應(yīng)建立多種機制協(xié)同各部門為CCUS的有序?qū)嵤╀伮贰@纾⑸虡I(yè)機制如CCUS專項補貼、碳稅和安全法規(guī)等其他支持機制為CCUS的部署營造良好的環(huán)境;同時可通過碳市場調(diào)節(jié)對于企業(yè)排放配額的分配和交易,對于CCUS項目的實際減排量計入信用在碳市場上交易。征收碳稅有助于將減排成本轉(zhuǎn)移至制造環(huán)節(jié),從而為上游減碳提供激勵。最后,建立跨行業(yè)、跨國界合作的CCUS生態(tài)圈,使政策制定者與企業(yè)開展有效對話;聯(lián)合各方,集中資源,實現(xiàn)協(xié)同增效。可以積極與歐洲及美國相關(guān)部門和企業(yè)開展合作交流,共同促進(jìn)CCUS的成本降低以及碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。企業(yè)則需要在政策框架下密切關(guān)注CCUS相關(guān)政策動向與技術(shù)進(jìn)展,積極探索二氧化碳利用的新商業(yè)模式,在碳中和轉(zhuǎn)型大勢中先人一步抓住機會。對于有一定資金基礎(chǔ)的大型電力、油氣企業(yè),應(yīng)積極與高校和科研單位開展CCUS試點,力爭成為國際一流的CCUS服務(wù)提供商。

實現(xiàn)零碳中國 ”,需要持之以恒的關(guān)鍵舉措與實際行動。我們認(rèn)為,碳中和轉(zhuǎn)型早已不是可選項,而是如箭在弦的必選項。我們希望通過這一系列的文章提供思路和洞見,觸發(fā)更多思維激蕩和觀點碰撞,與社會各界協(xié)力構(gòu)建零碳社區(qū),推動各方共同努力實現(xiàn)深度變革。

接下去我們還將就氫能技術(shù)展開深度論述。歡迎行業(yè)同仁與我們交流觀點,或直接與團隊取得聯(lián)系。

作者:

華強森(Jonathan Woetzel)是麥肯錫資深全球董事合伙人及麥肯錫全球研究院聯(lián)席院長,常駐上海分公司

汪小帆是麥肯錫全球董事合伙人,常駐上海分公司

克林特·伍德(Clint Wood)是麥肯錫全球董事合伙人,常駐休斯頓分公司

阿拉什戴爾·漢密爾頓(Alastair Hamilton)是麥肯錫全球董事合伙人,常駐休斯頓分公司

廖緒昌是麥肯錫全球副董事合伙人,常駐香港分公司

本文作者感謝馮梓君、高雅、黃逸楠、李星澤、李雅婷、李英、廖建凱、林天惠、盧奕丞、王循、王家駿、謝瑢、楊旭晨、姚宇涵、葉婧文、于冰清、袁子葳、張明亮、趙佳茵對本文的貢獻(xiàn)。(排名按照姓氏順序)


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