中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2024).pdf
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1、自“十三五”以来,国家和各省出台了大量关于二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)的政策文件,可以明显看出,CCUS 技术需求和应用场景更加多样化,其与区域发展规划和工业空间布局的耦合备受关注。各地区推动CCUS 产业化、规模化发展布局时,基于地区的发展需求和工业空间规划布局,分析区域二氧化碳地质封存的可行性,尤其是经济可行性,做到有的放矢、科学决策,提前布局 CCUS 发展规划,是当前面临的重要挑战之一。2023 年 11 月 15 日,中美共同发表关于加强合作应对气候危机的阳光之乡声明,明确提出“两国争取到 2030 年各自推进至少 5 个工业和能源等领域碳捕集利用和封存(CCUS)大规模合作项
2、目”,CCUS 封存场址优选研究是落实这项声明中所提出目标的重要科学支撑。本研究基于国家和地方相关政策要求,充分考虑未来碳价格和二氧化碳地质封存的环境约束,以实现最小成本(包括捕集、输送、封存等成本)为目标,评估 2035-2060 年 CCUS 低速(CCUS 技术低速发展,碳价稳定增长)和强化(CCUS 技术高速发展,碳价高速增长)发展两种情景下,中国每个 1010 公里网格二氧化碳地质封存的经济可行性(https:/ 年全国具有封存经济适宜网格数为决策者摘要零;2060 年具有封存经济可行性的网格数量超过 2.5 万个,其中高适宜网格数达到近 8000 个,主要集中在西北(近 3000
3、个),其次是华北(2100 个)、华中(1000 个)、东北(1000 个)、南方(400 个)、华东(200 个)。强化情景下,2035 年具有封存经济可行性的网格数量达 1 万个,其中高适宜网格数达到近 3400 个,主要集中在西北(1500 个),其次是华北(860 个)、东北(600 个)、华中(350 个)、南方(70 个)、华东(60 个);2060年具有封存经济可行性网格数量增加至 2.6 万个,其中高适宜网格数达到近8000 个,主要集中在西北(3000 个),其次是华北(2100 个)、华中(1000个)、东北(1000 个)、南方(400 个)、华东(200 个)。评审专家
4、 杜祥琬 中国工程院中国工程院院士丁一汇 国家气候中心中国工程院院士李阳 中国石油化工股份有限公司中国工程院院士谢玉洪 中国海洋石油集团有限公司中国工程院院士王金南 生态环境部环境规划院 中国工程院院士邹才能 中国石油深圳新能源研究院有限公司 中国科学院院士姜培学 清华大学 中国科学院院士潘家华 中国社会科学院 中国社会科学院学部委员魏一鸣 北京理工大学教授雷涯邻 中国地质大学(北京)教授李政 清华大学 教授张希良 清华大学 教授严刚 生态环境部环境规划院 研究员张昕 国家应对气候变化战略研究和国际合作中心研究员王香增 陕西延长石油(集团)有限责任公司 首席科学家吕学都 亚洲开发银行首席气候变
5、化专家作者蔡博峰 生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心李琦 中国科学院武汉岩土力学研究所张贤中国 21 世纪议程管理中心许晓艺 中国科学院武汉岩土力学研究所郭静 生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心庞凌云 生态环境部环境规划院碳达峰碳中和研究中心刘桂臻 中国科学院武汉岩土力学研究所谭永胜 中国科学院武汉岩土力学研究所李霞颖 中国科学院武汉岩土力学研究所徐亮 中国科学院武汉岩土力学研究所严妍 华南理工大学吴赟龙 首都经济贸易大学于雷 生态环境部环境规划院战略规划研究所牛韧 生态环境部环境规划院战略规划研究所周云峰生态环境部环境规划院生物多样性与自然保护地研究中心阮建辉 中国科学院大学伍鹏
6、程 清华大学万科公共卫生与健康学院马乔 山东大学目录CATALOG附录参考文献01背景01/0708/1011/1314/1617/2223/2526/3132/7502技术路线03封存场址评估04情景设置05地质封存经济可行性评估06典型区域分析-以山西省为例附件1 二氧化碳地质封存经济可行性评估方法附件2“双碳”目标下中国各省份CCUS相关政策和规划附件3 中国CCUS示范项目一览表1.背景背景02二氧化碳(CO2)捕集利用与封存(CCUS)是指将 CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来,通过工程手段实现其减排并/或获得附带效益的过程。CCUS 是目前实现化石能源低碳化利用的唯一技术选
7、择,是目前实现大规模温室气体减排的重要技术手段,是钢铁、水泥、有色、化工等难减排行业深度脱碳的可行技术方案,是实现碳中和目标技术组合的重要构成部分。1.背景图 1 CCUS 技术及陆海封存示意图海洋封存陆地封存背景03CO2 捕集是指将 CO2从工业生产、能源利用或大气中分离出来的过程,主要分为燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧和化学链燃烧。CO2 输送是指将捕集的 CO2运送到可利用或封存场地的过程。根据运输方式的不同,分为罐车运输、船舶运输、管道运输和火车运输。管道运输优点在于大规模、长距离。CO2 利用是指通过工程技术手段将捕集的 CO2实现资源化利用的过程。根据工程技术手段的不同,分为地
8、质利用、化工利用和生物利用,其中地质利用是将 CO2 注入地下,生产或强化能源、资源开采的过程,主要用于提高石油、地热、卤水、铀矿等资源采收率。CO2地质封存是指通过工程技术手段将捕集的 CO2储存于深部地质构造中,实现与大气长期隔绝的过程。根据地质封存体的不同,分为陆上咸水层封存、海底咸水层封存、枯竭油气田封存等。在所有封存类型中,深部咸水层封存占据主导位置,其封存容量占比约 98%,且分布广泛,是较为理想的CO2 封存场所;油气藏由于存在早期完整的构造、详细的地质勘探基础等条件,是适合CO2封存的地质场所。根据 中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)中国 CCUS 路径
9、研究,全球陆地 CO2理论封存容量为 642 万亿吨,海底理论封存容量为 213 万亿吨,中国 CO2理论地质封存容量为 14 万亿吨。背景04CCUS 地质封存潜力评估对于提高项目可行性和经济性至关重要,已有 CCUS 项目地质封存潜力评估研究综合考虑排放源和封存汇的空间位置以及经济性,建立最优输送路径,实现 CO2源汇之间封存量、经济性等方面的动态最优化匹配。海陆统筹规划,单阶段静态评估到多阶段动态优化,是 CCUS 亟需解决的关键科学问题。国内外以地理信息系统(GIS)目标优化方法和混合整数优化(MILP)方法开展了多项 CCUS封存潜力评估工作,经历了单阶段静态评估到多阶段动态优化的演
10、化过程,呈现出局部区域优化部署转入 CCUS 规模化、集群化方向发展的新趋势。已有研究应用最小成本路径分析(LCPA)方法寻求以成本效益最优的方式实现碳减排,满足无国家骨干管网(针对 CCUS 运输)和无 CCUS 集群、无规模化或商业化早期应用的需求。欧美针对 CCUS 源汇匹配以图 2 CCUS 技术环节背景05及集群运输管网数学模型开展了深入研究。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 2009 年提出 SimCCS 模型,采用预优化思想规划 CCUS 基础设施建设,允许管道合并与分支,实现了多源多汇的高效匹配;2012年,在 SimCCS 模型基础上开发了SimCCS TIME 模型,该模型能够在
11、空间和时间上优化 CO2管网,解决了 CO2捕集地点、捕集量以及捕集时间的匹配问题;2020 年SimCCS 2.0 模型集成了多个新功能,包括精细化的优化模型、新的候选网络生成技术,以及与高性能计算平台的集成。欧盟委员会联合研究中心 2011 年开发了 InfraCCS模型,将源汇匹配问题简化为混合整数问题,实现了单级静态规划和多级动态规划功能,并结合 GIS 和能源系统平台(MARKAL),开发了 MARKAL-Nl-UU 模型,用于规划荷兰 CCUS 基础设施建设。中国科学院武汉岩土力学研究所自主研发了全流程 CCUS 系统评 价 方 法(ITEAM-CCUS),由源汇匹配(包括技术经济
12、评价)、CO2排放评估和封存场地适宜性评价 3 大模块组成,涉及全国、行业和企业三种尺度,源汇匹配采用 GIS 空间分析技术以及成本矩阵获取平准化成本最低的源汇组合序列清单。清华大学通过贪婪算法中的气泡排序生成运输封存成本曲线,建立 ChinaCCUS DSS 模型,ChinaCCUS DSS 2.0 版 本 中 使 用MILP,考虑了排放源连接到多个汇以及运输路线中多个源共用管道的情景。在 CO2运输路径寻优方面,管道运输成本取决于地理条件,例如地形、环境生态等级、土地利用类型等,若给定某个地区的运输成本组成,则可以应用 LCPA 方法计算从起点到终点经济成本最小的运输 路 线。Middle
13、ton 等(2020)采用最小成本路径分析法实现 12 个背景06国家和各省出台的相关政策文件充分表明,CCUS 技术需求和应用场景更加多样化,除了考虑已有工业源外,未来新建工业源CCUS 配套备受关注,CCUS 与区域发展规划和工业空间优化的耦合成为决策重点。借鉴已有 CCUS 地质封存潜力评估方法,同时面向已有工业源改造和未来工业源布局,评估中国区域二氧化碳地质封存经济可行性,是当前 CCUS 管理决策的重点科技需求。“十四五”时期,CCUS 作为碳中和兜底技术作用凸显,国家顶层设计和地方性规划和政策,对CCUS 的战略部署和重点任务要求与“十二五”“十三五”时期相比均发生明显转变(见附件
14、 2)。一是发展目标和重点任务更加明确。由纲领性要求逐渐转变为更具体、更明确甚至分阶段的技术发展目标和任务要求,强调 CCUS 项目的集成化、规模化发展。中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见提出“推进规模化碳捕集利用与封存技术研发、示范和产业化应用,加快建设全流程、集成化、规模化二氧化碳捕集利用与封存示范项目”;工业领域碳达峰实施方案提出,钢铁行业 CCUS等技术取得突破应用,建材行业实现窑炉 CCUS 技术产业化示范,石化化工行业要加快部署大规模CO2源和两个深海玄武岩储层的优化部署。Chen 等(2010)使用 GIS 软件基于成本最低目标的源汇匹配模型
15、,考虑管道的基本建设成本和因地形条件而产生的额外成本,估算中国河北省 88 个排放点源到 25 个封存汇成本最小的管道运输路径。背景07CCUS 产业化示范项目。二是 CCUS 技术需求和应用场景更加多样化。CCUS 技术部署更加注重领域化、专业化要求,同时强调与工业减排或负碳技术的耦合。地方结合自身的优势、CCUS技术及产业发展、高排放工业行业布局等因素,对 CCUS 技术规划的应用场景更加丰富。除 CO2驱油技术外,各地方加大对钢铁、水泥等行业推广应用力度。在国家和地方的规划中还提到探索开展 CO2海洋封存技术示范,体现了中国CCUS 部署由陆地向海洋领域的拓展。三是强调 CCUS 技术本
16、身的能效提升和成本降低。CCUS 技术在应用过程中需要额外的能源消耗,对其提出全生命周期能效提升和成本降低要求,真正体现了利用CCUS 技术减排、推动行业企业绿色低碳转型初衷,同时也意味着作为重要减排技术,对 CCUS 的利用从“粗放”式向“精细”化的科学转变。中国对 CCUS 的规划部署要求体现了由开展试点示范到推动集成化、规模化发展的决策转变。中国CCUS 项目(见附件 3)特点由对单一领域、技术的发展向提出多领域、多技术的耦合转变,由注重技术本身带来的减排效果到同时注重CCUS 技术全生命周期的能源消耗转变。既体现了中国当下 CCUS 产业和技术整体发展的现状,也契合了“双碳”目标下 C
17、CUS 技术向精细化、多样化和绿色低碳化过渡,以及大规模商业应用的迫切需求。基于地区的发展需求和工业空间规划布局,分析评估中国区域 CO2地质封存经济可行性,做到有的放矢、科学决策,提前布局 CCUS 发展规划,是支撑当前 CCUS 管理决策的重点科技需求。082.技术路线技术路线09基于未来碳价格和环境、地质约束,以实现最小成本(包括捕集、输送、封存等成本)为目标,评估 2035-2060 年 CCUS 低速和强化发展两种情景下,中国每个 1010 公里网格二氧化碳地质封存经济可行性。重点解决中国每个网格在给定约束条件下,是否可以利用二氧化碳地质封存,实现该网格的大幅碳减排。基于成本的中国
18、CO2地质封存经济可行性评估共分为五个部分:(1)评估封存场址的适宜性,即确定 CO2汇的适宜性。(2)以网格为单元,分析 CO2源的捕集、封存等环节的成本。(3)针对管道运输方式,通过构建网格成本阻抗评价模型,寻优最小管道运输成本路径。从自然环境、社会经济等角度选取生态红线、土地利用类型、地表坡度、环境地质等级和人口密度等评价指标,构建网格成本阻抗评价模型,确定网格成本阻抗系数,并采用 Dijkstra 算法计算最小成本路径上的管道输送成本系数。(4)CO2地质封存经济可行性评估。基于最小成本路径方法对中国全域网格进行源汇匹配,在不同情景下评估每个网格在 2035-2060 年期间 CO2地
19、质封存的经济可行性。(5)典型区域 CO2地质封存的经济可行性评估。CO2封存成本主要包括运行成本、固定成本和环境成本。运行成本指地质封存技术实际操作过程中,各个环节所需要的成本投入;固定成本是地质封存技术的前期投资,如设备安装、占地投资等;环2.技术路线技术路线10封存场址成本评估经济可行性封存盆地适宜性人类健康影响生态功能区划地下水和地表水社会经济条件封存潜力条件工程地质条件人口密度生态红线2035-2060碳价预测影响决定网格层面的封存情景分析区域工业空间布局基于最小成本路径方法的封存情景分析区域层面的封存情景分析趋势变化特征土地利用类型地表坡度地质环境网格成本阻抗面Dijkstra算法
20、最小成本路径管道输送成本捕集成本封存成本总运行成本路径寻优路径成本系数累加图 3 技术路线图境约束主要由地质封存技术可能产生的环境影响和环境风险所致。本研究以运行成本为研究重点,定义 CO2地质封存运行总成本(TC),包括捕集成本(CC)、管道输送成本(PC)、封存成本(SC)三部分组成。技术路线如图 3 所示(详细评估方法见附件 1)。3.封存场址评估封存场址评估12科学合理的场地适宜性评价和选址工作是实现 CO2地质封存的前提条件。目前中国已开展多项适宜性评价工作,本研究中国沉积盆地适宜性评价结果来源于 Cai 等(2017)研究将中国沉积盆地适宜性分为、四级,由低到高分别转换为低适宜(I
21、)、一3.封存场址评估图 4 中国沉积盆地 CO2封存适宜性封存场址评估13般适宜(、)、高适宜()三类。中国海域沉积盆地适宜性数据来自于中国地质调查局水文地质环境地质调查中心发布的中国及毗邻海域主要沉积盆地二氧化碳地质储存适宜性评价图(1:500 万),将中国海域盆地分为不适宜(A)、较不适宜(B)、一般适宜(C)、较适宜(D)和适宜(E)五级,由低到高分别转换为低适宜(A、B)、一般适宜(C、D)、高适宜(E)三类。Cai 等(2017)考虑了地质适宜性和环境适宜性,设立了杀手指标排除不适宜区域,然后采用四分法进行综合评价,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的评估主要考虑地质适宜性,将
22、地质安全性、储存规模、社会环境风险和经济适宜等指标分为 5 个等级,其中不适宜类似于杀手指标。在经济性评价中并未使用适宜性条件,不影响经济评价结果。中国海陆沉积盆地适宜性整合结果如图 4 所示。144.情景设置情景评估154.情景评估根据中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)中国 CCUS 路径研究对 2035-2060 年 CCUS 各环节技术成本(捕集成本、封存成本、运输成本)的预测1,综合已有研究、领域权威专家对未来中国碳市场价格的预测,分别建立低速情景、强化情景评估未来中国 CO2地质封存经济可行性。两种情景考虑因素如下:低速情景低速情景:中国 CCUS 工程项目以
23、较低速度发展,主要考虑 CCUS 捕集成本较高且未能快速下降,同时碳市场 CO2价格保持较为稳定的增长速度。强化情景强化情景:CCUS 不断实现技术突破,CCUS 成本持续显著下降,且碳市场 CO2价格保持较快增长趋势。为评估两种情景下封存总成本计算结果的不确定性范围,本研究分别构造捕集成本、封存成本、运输成本参数正态分布函数,依据其函数分布,采用蒙特卡洛模拟方法基于网格单元从 2035-2060 年每 5 年分别随机抽取 10000 次捕集成本、封存成本、运输成本的模拟结果,并计算每个网格10000次封存总成本的95%置信区间,作为网格封存总成本的不确定性范围。低速情景、强化情景下 2035
24、-2060 年 CO2地质封存总成本的 95%置信区间范围分别为 1.05%,1.32%。1重点考虑捕集成本、运输成本、封存成本,未考虑管道建设等固定投资成本。情景评估16情景年份捕集(元/吨)封存(元/吨)运输(元/(吨 千米)碳价格(元/吨)低速情景20357040035400.40.620020406031030350.350.530020505020025300.30.4560020603015020250.250.4800强化情景20356035030350.30.530020405025020300.250.4540020503015015250.20.38002060201001
25、0200.150.21000表 1 情景参数注:数据基于全国碳市场成交数据、国际能源署(IEA)、世界银行(World Bank)、中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告(2021)中国 CCUS 路径研究以及高水平学术期刊文章公开资料等信息,并咨询领域权威专家综合评估得到。对于各情景参数取值的预测,本报告未考虑宏观经济环境与能源市场变化、全国碳市场行业扩围、产业结构转变、关键技术突破以及排放主体心理预期调整等因素对各情景参数的影响,因此预测结果可能会带来一定的不确定性。5.地质封存经济可行性评估地质封存经济可行性评估185.地质封存经济可行性评估将 2035-2060 年每个网格封存
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