作者：陳文會(huì) ， 魯璽 ， 雷涯鄰 ， 陳建峰

來源：A Comparison of Incentive Policies for the Optimal Layout of CCUS Clusters in China’s Coal-Fired Power Plants Toward Carbon Neutrality[J].Engineering,2021,7(12):1692-1695.

編者按

碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要能源系統(tǒng)開展低碳轉(zhuǎn)型，助力中國(guó)經(jīng)濟(jì)深度脫碳，尤其是燃煤電廠需要深度碳減排。碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）將在實(shí)現(xiàn)煤電碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)中發(fā)揮不可或缺的作用。目前，我國(guó)雖然已經(jīng)具備CCUS技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用能力，并正在積極籌備全流程CCUS產(chǎn)業(yè)化集群建設(shè)，但基礎(chǔ)設(shè)施的高成本和配套激勵(lì)政策的缺乏仍然是CCUS商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。

中國(guó)工程院陳建峰院士科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第12期發(fā)表《碳中和目標(biāo)下中國(guó)燃煤電廠碳捕集、利用與封存集群布局優(yōu)化的激勵(lì)政策研究》一文。文章構(gòu)建了多個(gè)模型研究如何制定最優(yōu)激勵(lì)策略促進(jìn)煤電行業(yè)CCUS技術(shù)的部署，以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。文章研究評(píng)估了三種激勵(lì)政策（碳市場(chǎng)價(jià)格、清潔電價(jià)上網(wǎng)補(bǔ)貼和二氧化碳封存利用補(bǔ)貼）對(duì)煤電CCUS系統(tǒng)全鏈條經(jīng)濟(jì)可行性的影響，最后優(yōu)選激勵(lì)政策方案。文章對(duì)識(shí)別煤電CCUS項(xiàng)目集群和優(yōu)化布局方案，制定相應(yīng)的CCUS技術(shù)部署激勵(lì)政策具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值和指導(dǎo)意義。

一、引言

中國(guó)宣布將采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)于2030年前使二氧化碳（CO2）排放達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，與全球1.5 ℃溫升控制目標(biāo)基本一致。碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)深度脫碳，尤其是燃煤電廠（CFPP）需要深度碳減排。2019年中國(guó)燃煤發(fā)電裝機(jī)容量已高達(dá)1.04×109 kW，CO2排放量達(dá)到3.5×109 t，約占CO2排放總量的35.6%。然而，鑒于中國(guó)龐大而年輕的煤電機(jī)群和電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完全淘汰平均服役年限不到15年、剩余壽命超過30年的燃煤發(fā)電廠不具有可行性。因此，制定電力系統(tǒng)深度脫碳戰(zhàn)略需要避免提前淘汰燃煤電廠而造成大量煤電資產(chǎn)的擱淺。碳約束情景下，碳捕集、利用與封存（carbon capture, utilization, and storage, CCUS）技術(shù)將在實(shí)現(xiàn)煤電碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)中發(fā)揮不可或缺的作用。

截至2020年，全球共有65個(gè)正在運(yùn)行或開發(fā)的大型商業(yè)CCUS設(shè)施，涉及眾多大型電廠捕集項(xiàng)目，說明部分CCUS技術(shù)已經(jīng)處于商業(yè)化運(yùn)行階段。目前，我國(guó)雖然已經(jīng)具備 CCUS 技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用能力，并正在積極籌備全流程CCUS產(chǎn)業(yè)化集群建設(shè)，但基礎(chǔ)設(shè)施的高成本和配套激勵(lì)政策的缺乏仍然是CCUS商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。借鑒其他低碳技術(shù)推廣的經(jīng)驗(yàn)，政府激勵(lì)政策是促進(jìn)CCUS技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的重要因素。此外，CCUS重點(diǎn)部署戰(zhàn)略將從大型獨(dú)立設(shè)施轉(zhuǎn)移到CCUS產(chǎn)業(yè)集群的建設(shè)。因此，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需要研究促進(jìn)煤電CCUS產(chǎn)業(yè)集群部署的具備成本效益的最優(yōu)激勵(lì)策略。

1.5 ℃溫升控制目標(biāo)下，中國(guó)需要大規(guī)模部署CCUS技術(shù)，到2050年煤電CCUS技術(shù)的當(dāng)年減排CO2規(guī)模約為7.1×108 t。本文構(gòu)建多個(gè)模型研究如何制定最優(yōu)激勵(lì)策略促進(jìn)煤電行業(yè)CCUS技術(shù)的部署，以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。首先，基于大型煤電廠CO2排放源數(shù)據(jù)和封存潛力分布特征，構(gòu)建源匯匹配優(yōu)化模型，得到1.5 ℃溫升控制目標(biāo)下的煤電CCUS項(xiàng)目布局方案；其次，為了實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)降低成本，結(jié)合使用層次聚類分析（HCA）和最小生成樹（MST）模型，對(duì)煤電CCUS項(xiàng)目集群進(jìn)行識(shí)別，提出建立最低成本CO2輸送管道網(wǎng)絡(luò)的路線策略；最后，文中通過研究評(píng)估三種激勵(lì)政策（碳市場(chǎng)價(jià)格、清潔電價(jià)上網(wǎng)補(bǔ)貼和CO2封存利用補(bǔ)貼）對(duì)煤電CCUS系統(tǒng)全鏈條經(jīng)濟(jì)可行性的影響，優(yōu)選激勵(lì)政策方案。本研究對(duì)識(shí)別煤電CCUS項(xiàng)目集群和優(yōu)化布局方案，制定相應(yīng)的CCUS技術(shù)部署激勵(lì)政策具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值和指導(dǎo)意義。

二、CCUS技術(shù)經(jīng)濟(jì)與源匯匹配優(yōu)化分析

根據(jù)中國(guó)碳中和目標(biāo)，2050年燃煤電廠進(jìn)行CCUS技術(shù)改造的規(guī)模為每年減排7.1×108 t CO2，煤電行業(yè)在2035—2045年間將迎來機(jī)組碳捕集改造高峰。源匯匹配優(yōu)化分析結(jié)果顯示（附錄A中的注釋1），需要對(duì)總裝機(jī)容量約為159 GW的128個(gè)燃煤電廠（267個(gè)機(jī)組）進(jìn)行CCUS技術(shù)改造。本文使用卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)的綜合環(huán)境控制模型（integrated environmental control model, IECM）測(cè)算CCUS技術(shù)全流程各環(huán)節(jié)成本（關(guān)于燃煤發(fā)電廠改造篩選標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)信息參見附錄A中的注釋2），并應(yīng)用已發(fā)表的基于組件的學(xué)習(xí)曲線理論來估計(jì)技術(shù)進(jìn)步對(duì)CO2捕集成本的影響。圖1（a）中的結(jié)果顯示：到2050年，煤電廠CCUS項(xiàng)目規(guī)模達(dá)每年7.1×108 t CO2，總成本為每噸CO2 53~87美元。其中，CO2捕集成本為40~70美元?t-1，平均捕集成本為57美元?t-1，占CCUS系統(tǒng)平均總成本的80%。隨著技術(shù)進(jìn)步，CO2捕集成本比現(xiàn)有成本降低近30%，未來CO2捕集成本將逐漸降低到32~46美元?t-1。

圖1  成本效益結(jié)果、電廠匹配的埋存盆地運(yùn)輸距離和2050年CO2累計(jì)埋存量。（a）CO2捕集、運(yùn)輸和埋存成本與年累積捕集量的對(duì)比。x軸表示年CO2累計(jì)埋存規(guī)模；y軸表示有/無技術(shù)改進(jìn)的CO2捕集成本、CO2管道運(yùn)輸和埋存成本。（b）2050年CO2累計(jì)埋存量和輸送距離的關(guān)系。x軸表示CO2的平均輸送距離；y軸表示到2050年CO2累計(jì)運(yùn)輸埋存量。

關(guān)于CO2地質(zhì)封存潛力，塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、蘇北盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和吐哈盆地具有良好的CO2地質(zhì)埋存和CO2強(qiáng)化采油與封存（CO2 enhanced oil recovery, CO2-EOR）潛力，其中，深部咸水層埋存潛力合計(jì)為1.78×1012 t CO2，CO2-EOR利用埋存潛力為4×109 t CO2。根據(jù)源匯匹配優(yōu)化結(jié)果[圖1（b）]，連接塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、蘇北盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地與其良好匹配的煤電廠的平均CO2管道長(zhǎng)度分別為275 km、264 km、242 km、216 km、189 km、164 km和120 km。源匯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接的情景下，共需建造約29 490 km的CO2輸送管道，在2020—2050年期間累計(jì)CO2運(yùn)輸量高達(dá)1141 Gt?km，帶來高昂的運(yùn)輸成本。因此，有必要識(shí)別CCUS項(xiàng)目集群，建立CCUS樞紐形成CO2管道全局網(wǎng)絡(luò)，降低單位成本，推進(jìn)CCUS技術(shù)的大規(guī)模系統(tǒng)部署。

三、CCUS優(yōu)先布局集群與減排潛力

基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接源匯匹配連接結(jié)果，首先使用HCA對(duì)CCUS集群中心進(jìn)行識(shí)別分類，然后使用MST模型構(gòu)建CCUS項(xiàng)目集群的成本最低的CO2運(yùn)輸管道網(wǎng)絡(luò)（關(guān)于HCA和MST模型的詳細(xì)信息見附錄A中的注釋3和4）。通過建立CCUS項(xiàng)目集群和樞紐共享輸送管道，CCUS項(xiàng)目集群的管道總長(zhǎng)度可減少至8708 km（平均管道長(zhǎng)度為86 km），平均CO2輸送成本可從10.62美元?t-1降低至4.26美元?t-1。假設(shè)煤電廠壽命期為45年，在這些煤電廠的剩余壽命期內(nèi)，可通過CCUS技術(shù)累積減排1.1596×1010 t CO2，其中，65.4%的CO2可通過深部咸水層封存（deep saline formation, DSF）實(shí)現(xiàn)減排，33.6%的CO2可采用CO2-EOR方式實(shí)現(xiàn)減排。在華北區(qū)域，總裝機(jī)容量為26.4 GW的20個(gè)煤電廠（49臺(tái)機(jī)組）能夠在渤海灣盆地進(jìn)行地質(zhì)利用與封存，平均運(yùn)輸距離為67 km，到2050年可實(shí)現(xiàn)每年1.196×108 t的CO2減排潛力，累計(jì)減排CO2 2.364×109 t，在2025—2060年累計(jì)減排4.3×109 t。在東北區(qū)域，從11個(gè)煤電廠（19臺(tái)機(jī)組）捕集，通過管道輸送到松遼盆地開展CCUS項(xiàng)目，平均運(yùn)輸距離為80 km，累計(jì)實(shí)現(xiàn)減排CO2 5.32×108 t。在華東地區(qū)，總裝機(jī)容量為57.65 GW的36個(gè)煤電廠（75臺(tái)機(jī)組）被劃分為三個(gè)CCUS項(xiàng)目集群，運(yùn)輸?shù)教K北盆地進(jìn)行利用與埋存，平均管道長(zhǎng)度為60 km。在西北地區(qū)，總裝機(jī)容量為45.61 GW的42個(gè)煤電廠（82臺(tái)機(jī)組）累計(jì)捕集3.071×109 t CO2，運(yùn)輸?shù)蕉鯛柖嗨古璧剡M(jìn)行埋存，平均運(yùn)輸距離為56 km。到2050年，累計(jì)有8.68×108 t、2.63×108 t、1.92×108 t從燃煤電廠捕集后的CO2通過管道輸送到準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地和塔里木盆地開展CCUS技術(shù)的封存，分別匹配20個(gè)、3個(gè)和5個(gè)燃煤電廠。

通過確定優(yōu)先開展CCUS技術(shù)的煤電廠和形成CCUS項(xiàng)目集群部署方案，為決策者制定科學(xué)、合理的激勵(lì)政策促進(jìn)CCUS技術(shù)的推廣提供科學(xué)依據(jù)支撐。

圖2  煤電廠CCUS項(xiàng)目集群和全壽命期累計(jì)減排量。

四、CCUS項(xiàng)目集群布局的激勵(lì)政策分析研究

由于CCUS技術(shù)的部署和商業(yè)化面臨巨大的成本壓力，我國(guó)的政策激勵(lì)力度還有待進(jìn)一步加強(qiáng)，以推進(jìn)CCUS技術(shù)的早期示范與應(yīng)用試驗(yàn)。參考各國(guó)CCUS相關(guān)激勵(lì)政策，本文考察煤電實(shí)施CCUS技術(shù)所需要的臨界碳市場(chǎng)價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼和CO2封存利用補(bǔ)貼方案，并在模擬這三種主要激勵(lì)政策相互作用的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)的激勵(lì)策略（激勵(lì)政策分析模型和數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息見附錄A中的注釋5和表S1）。

不同情景下128個(gè)煤電廠實(shí)施CCUS技術(shù)所需要的激勵(lì)政策臨界值，如圖3所示，沒有補(bǔ)貼情景下平均臨界碳市場(chǎng)價(jià)格達(dá)到每噸CO2 72.42美元，CO2-EOR產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益和CCUS技術(shù)進(jìn)步能夠抵消CCUS的成本，分別能將平均臨界碳價(jià)格降低14%和29%。若給予煤電CCUS技術(shù)電價(jià)補(bǔ)貼22美元?(MW?h)-1 [0.015元人民幣?(kW?h)-1]，能降低臨界碳價(jià)至每噸CO2 25~50.98美元；若政府再給予每噸CO2 20美元的埋存補(bǔ)貼，則可進(jìn)一步將臨界碳價(jià)降到每噸CO2 9~33美元，但仍高于目前市場(chǎng)平均碳價(jià)：每噸CO2 7美元（每噸CO2 49元人民幣）。由于目前較低的碳市場(chǎng)價(jià)格對(duì)煤電CCUS技術(shù)部署的激勵(lì)作用有限，導(dǎo)致政府需要提高電價(jià)補(bǔ)貼和埋存補(bǔ)貼來抵消CCUS技術(shù)高昂的成本，從而實(shí)現(xiàn)其減排潛力。為了避免高昂的財(cái)政支出，需要發(fā)揮碳交易市場(chǎng)的市場(chǎng)化政策工具來提高CCUS項(xiàng)目的價(jià)值。更具體地說，碳價(jià)格對(duì)其他激勵(lì)方式的臨界補(bǔ)貼水平具有重大影響。圖3顯示，隨著碳價(jià)格的上漲，電價(jià)補(bǔ)貼臨界值和埋存補(bǔ)貼臨界值都顯著下降，帶來政府CCUS技術(shù)補(bǔ)貼支出的顯著減少。因此，政府可以通過完善碳排放權(quán)交易機(jī)制，提高碳價(jià)格，進(jìn)一步發(fā)揮碳排放交易市場(chǎng)對(duì)CCUS技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用。

圖3  不同情景下煤電開展CCUS技術(shù)所需激勵(lì)政策的臨界值。（a）臨界碳價(jià)格；（b）臨界電價(jià)補(bǔ)貼；（c）臨界埋存補(bǔ)貼。CCS：CO2捕集、運(yùn)輸和咸水層埋存；CCS-EOR：CO2捕集、運(yùn)輸和驅(qū)油利用埋存；TI：考慮CCUS的技術(shù)進(jìn)步。

五、結(jié)論與建議

為了實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)碳中和目標(biāo)，需要對(duì)總裝機(jī)容量約為159 GW的128個(gè)燃煤電廠（267個(gè)機(jī)組）進(jìn)行CCUS技術(shù)改造。通過建立CCUS樞紐以實(shí)現(xiàn)CO2運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施共享，能夠顯著降低CO2管道運(yùn)輸距離和成本。煤電CCUS項(xiàng)目集群主要分布在華北、東北、華東和西北地區(qū)，能夠與塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、蘇北盆地、松遼盆地、渤海灣盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地形成良好的源匯匹配。煤電CCUS項(xiàng)目集群可累積減排CO2 1.1596×1010 t，總體上65.4%的CO2通過深部咸水層封存實(shí)現(xiàn)減排，33.6%的CO2通過CO2-EOR的方式實(shí)現(xiàn)減排。

碳市場(chǎng)機(jī)制、上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼和CO2封存利用補(bǔ)貼這三種方式可激勵(lì)CCUS項(xiàng)目部署，其中高水平的碳價(jià)格能直接解決CCUS技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性問題，并且顯著減少政府CCUS技術(shù)補(bǔ)貼支出。此外，CO2-EOR產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益和CCUS技術(shù)進(jìn)步能降低成本，減輕政府CCUS技術(shù)補(bǔ)貼支出。因此，完善和發(fā)展成熟的碳交易市場(chǎng)、加大CCUS技術(shù)的研發(fā)投入、開展大規(guī)模CCUS集群示范有利于構(gòu)建面向碳中和目標(biāo)的CCUS技術(shù)體系。未來的研究可以比較不同商業(yè)模式下全鏈條CCUS項(xiàng)目部署的政策激勵(lì)機(jī)制。

來源：《Engineering》