06 - 生物质能碳捕集与封存在实现碳中和中的作用 - 常世彦-20230418-23页.pdf

生物质能碳捕集与封存（ BECCS）在 实现碳中和目标中的作用 常世彦 清华大学能源环境经济研究所 2023年 4月 18日 第四届全球生物质能创新发展高峰论坛 IPCC 1.5℃ 特别评估报告（ 2018年）的主要结论  气候变化已经不是未来的挑战 ， 而是眼前的威胁 全球气温 20172018 年已比工业化前高出 1℃ ， 按照这一排放速度 ， 2040年左右将比工业化前 高出 1.5℃ ， 2065年左右可能达到甚至超过 2℃ 。  实现 1.5℃ 温升 控制目标 要求 从现在起就采取大规模的减排措施 到 2030 年 实现 全球净人为 CO2排放量在 2010年水平上减少约 45， 到 2050年左 右达到净零排放 ， 同时要求非 CO2温室气体 排放大幅下降 。  依靠常规的减排措施可能不足以实现温升控制目标 ， 还需要发展碳移除技 术以更为快速地实现温室气体减排 。  生物质能结合碳捕集与封存 （ BECCS） 是当前最受关注的一项碳移除技术 ， 也是一项具有负排放特征的可再生能源技术 ， 有必要对其技术路径 、 影响 因素和可能潜力进行评估 。 2 生物质能耦合碳捕集与封存技术（ BECCS） BECCS是通过捕获生物质能利用过程中的 CO2， 并将 CO2永久封存在地质构造中的一项负排放技术 。 生 物质能结合碳捕集与封存 （ BECCS） 技术包括 生物质能利用 和 碳捕集与封存 （ CCS） 两个阶段 。 在负排放技术中 ， BECCS是目前唯一能够在 移除大气中的 CO2的同时提供持续的能源供应 的技术 BECCS示意图（ GCCSI， 2019） ①生物质生长过程吸收 CO2 ②生物质能利用中排放 CO2 ③捕获 CO2并封存在地质构造中 3 BECCS发展规模的 2个认识 通常而言 ， 更为严格的减排目标下 ， 未来大规模运用 BECCS的可能性就越 大 ， 规模化部署的时间点也越靠前； 在相同减排目标下 ， 近中期越是沿着高排放的路径前进 ， 未 来 BECCS的利用规模也可能越大 。 引自常世彦 , 郑丁乾与付萌 , 2℃ /1.5℃ 温控目标下生物质能结合碳捕集与封存技术 BECCS. 全球能源互联网 , 2019. 203 第 277-287页 . 4 认识一减排目标越严格， BECCS发展潜力越大 Source崔学勤 , 王克 , 傅莎 , 邹骥 . 2℃ 和 1.5℃ 目标下全球碳预算及排放路径 . 中国环境 科学 2017;374353-62. AR5情景数据库 （ 249 组 2 ℃ 情景 ） Rogelj等 （ 2015） （ 37 组 1.5 ℃ 情景 ） Source Luderer G, Vrontisi Z, Bertram C, Edelenbosch OY, Pietzcker RC, Rogelj J, et al. Residual fossil CO2 emissions in 1.5-2 degrees C pathways. Nat Clim Change 2018;8626 Fig. Breakdown of cumulative 2016–2100 CO2 emissions into sectoral Res-FFI-CO2 and negative CDR components 5 认识二剩余化石燃料排放越多， BECCS发展潜力越大 6 累积的 BECCS移除量 0 Gt CO2 累积的 BECCS移除量 151 Gt CO2 累积的 BECCS移除量 414 Gt CO2 累积的 BECCS移除量1191 Gt CO 2 路径分类 P1 No or limited overshoot P2 No or limited overshoot P3 No or limited overshoot P4 Higher overshoot 2030年生物质能相对于 2010年的 -11 0 36 -1 2050年生物质能相对于 2010年的 -16 49 121 418 到 2100年累积的 BECCS 0 GtCO2 151 GtCO2 414 GtCO2 1191 GtCO2 2050年能源作物的土地面积 0.2 million km2 0.9 million km2 2.8 million km2 7.2 million km2 IPCC.全球 1.5℃ 温升特别报告 全球主要区域 BECCS发展潜力 SSP数据库 引自郑丁乾 , 常世彦，蔡闻佳等 . 温升 2 ℃ /1.5 ℃ 情景下世界主要区域 BECCS发展潜力评估分析 . 全球能源互联网 , 2020. 304 第 351-362页 . 区域 包括的国家和地区 OECD 阿尔巴尼亚，澳大利亚，奥地利，比利时，波黑，保加利亚，加拿大，克罗地亚，塞浦路斯，捷克，丹麦，爱沙尼亚，芬兰，法国，德国，希腊，关岛，匈牙利， 冰岛，爱尔兰，意大利，日本，拉脱维亚，立陶宛，卢森堡，马耳他，黑山，荷兰，新西兰，挪威，波兰，葡萄牙，波多黎各，罗马尼亚，塞尔维亚，斯洛伐克， 斯洛文尼亚，西班牙，瑞典，瑞士，马其顿，土耳其，英国，美国 REF 亚美尼亚，阿塞拜疆，白俄罗斯，格鲁吉亚，哈萨克斯坦，吉尔吉斯斯坦，摩尔多瓦共和国，俄罗斯，塔吉克斯坦，土库曼斯坦，乌克兰，乌兹别克斯坦 ASIA 阿富汗，孟加拉国，不丹，文莱，柬埔寨，中国，朝鲜，斐济，法属波利尼西亚，印度，印度尼西亚，老挝，马来西亚，马尔代夫，密克罗尼西亚，蒙古，缅甸， 尼泊尔，新喀里多尼亚，巴基斯坦，巴布亚新几内亚，菲律宾，韩国，萨摩亚，新加坡，所罗门群岛，斯里兰卡，泰国，东帝汶，瓦努阿图，越南 M AF 阿尔及利亚，安哥拉，巴林，贝宁，博茨瓦纳，布基纳法索，布隆迪，喀麦隆，佛得角，中非 共和国，乍得，科摩罗，刚果，科特迪瓦，刚果民主共和国，吉布提， 埃及，赤道几内亚，厄立特里亚，埃塞俄比亚，加蓬，冈比亚，加纳，几内亚，几内亚比绍，伊朗，伊拉克，以色列，约旦，肯尼亚，科威特，黎巴嫩，莱索托， 利比里亚，利比亚，马达加斯加，马拉维，马里，毛里塔尼亚，毛里求斯，马约特岛，摩洛哥，莫桑比克，纳米比亚，尼日尔，尼日利亚，巴勒斯坦，阿曼，卡塔 尔，卢旺达，留尼汪，沙特阿拉伯，塞内加尔，塞拉利昂，索马里，南非，南苏丹，苏丹，斯威士兰，叙利亚，多哥，突尼斯，乌干达，阿拉伯联合酋长国，坦桑 尼亚，西撒哈拉，也门，赞 比亚，津巴布韦 LAM 阿根廷，阿鲁巴，巴哈马，巴巴多斯，伯利兹，玻利维亚，巴西，智利，哥伦比亚，哥斯达黎加，古巴，多米尼加共和国，厄瓜多尔，萨尔瓦多，法属圭亚那，格 林纳达，瓜德罗普岛，危地马拉，圭亚那，海地，洪都拉斯，牙买加，马提尼克岛，墨西哥，尼加拉瓜，巴拿马，巴拉圭，秘鲁，苏里南，特立尼达和多巴哥，美 属维尔京群岛，乌拉圭，委内瑞拉 7 我国 BECCS利用规模或将全球最大 Source Peters, G.P. and O. Geden, Catalysing a political shift from low to negative carbon. NATURE CLIMATE CHANGE, 2017. 79 p. 619-621. 8 我国 BECCS的碳减排潜力 国内外学者对我国 BECCS发展潜力的多项最新研究显示，中长期我国 BECCS发展规模将显著增加， 2050年 BECCS的年碳移除量约为 228亿吨 CO2（国内学者的估算量约为 2-9亿吨 CO2 ）。意味着我 国应将 BECCS作为实现 2060年前碳中和目标的一项重要措施，提前进行战略部署。 Source Duan H, Zhou S, Jiang K, Bertram C, Harmsen M, Kriegler E, et al. Assessing Chinas efforts to pursue the 1.5 degrees C warming limit. Science 2021;372378. Cross-model analysis of distributions of mitigation contributions under the warming limits in 2050 9 我国 BECCS减排的经济效益 情景设计 CPS当前政策情景 2C-BECCS实现 2℃ 温升目标下 BECCS规模化发展情景 2C-NoBECCS实现 2℃ 温升目标不考虑 BECCS规模化发展情景 1.5C-BECCS实现 1.5℃ 温升目标下 BECCS规模化发展情景 1.5C-NoBECCS实现 1.5℃ 温升目标不考虑 BECCS规模化发展情景 能源经济模型（ C-GEM） 模型部门 子部门 农业部门 农业 AG R 能源部门 煤炭 C O A L 原油 O IL 天然气 G A S 成品油 R O IL 电力 E L E C 高耗能部门 非金属 N M M 钢铁I 3835-66. 碳中和目标下的能源系统转型 2020 2035 2050 2060 核电 2 5 10 15 可再生 14 29 53 65 煤 57 34 17 10 油 19 17 12 6 天然气 8 14 7 4 13 引自张希良等 . 碳中和目标下的能源经济转型路径与政策研究 . 管理世界 2022;3835-66. 碳中和目标下的碳移除技术 14 引自张希良等 . 碳中和目标下的能源经济转型路径与政策研究 . 管理世界 2022;3835-66. 主要技术手段对碳中和的贡献 15 引自张希良等 . 碳中和目标下的能源经济转型路径与政策研究 . 管理世界 2022;3835-66. 生物质能耦合碳捕集的不同方式 不同生物质能技术路线结合碳捕集的不同方式，例如生物燃料乙醇主要在 发酵过程中捕集 CO2；生物质气 化发电主要通过 燃烧前捕集 CO2；生物质燃烧发电和供热可以通过 燃烧后捕集 CO2 引自 IEAGHG， 2014 16 案例生物质发电 CCS 德拉克斯（ Drax）电厂 项目名称 Drax BECCS project 地点 英国北约克郡 时间 2018年开始实施 ， 2019年开始从 100的生物质原料中捕获 CO 2 捕集量 在碳捕集试点期间每天捕获约 1 tCO2 CO2源 从燃烧木质颗粒的生物质发电厂中捕获CO 2 运输方式 管道运输 封存地点 计划运输至北海 南部 封存 ， 同时也在将捕 获的 CO2在饮料行业中重新利用或制备动 物饲料的可能 长期目标 建成全球最大的碳捕集项目 ， 到 2030年每年移除 800万吨 CO2 Drax BECCS project 目前处于早期阶段 ， 仅捕 获二氧化碳 ， 未来将通过管道运输至北海封存 https//www.drax.com/tag/beccs-bioenergy-carbon-capture-storage/ 17 案例乙醇工厂 CCS IL-ICCS项目 监测区域 IBDP项目 乙醇工厂 CO2运输管道 CO2运输管道 IL-ICCS项目 项目名称 伊利诺伊州 工业 二氧化碳捕集与封存项目（ IL-ICCS） 地点 美国伊利诺伊州迪凯特 （ Decatur） 时间 2017年开始注入 捕集量 1百万 tCO2/年 CO2源 ADM公司的 玉米 乙醇工厂 运输方式 管道运输 封存地点 西蒙山 大约 2.1km深 的砂岩层中 投资 总投资 2.07亿美元 ， 其中美国能源部负担1.41亿美元 ， 占总投资的 68 IL-ICCS项目是另一个 BECCS项目 IBDP（ Illinois Basin –Decatur Project） 的延续 ， IBDP项目开始于 2011年 ， 并在 2014年结束 ， 同样从乙醇工厂中 捕获 CO2， 经管道运输至西蒙山的砂岩层中永久封存 ， 目前处于监测阶段 。 IBDP项目每天捕获 1千吨的 CO2， 在运行的 3年期间共捕获 1百万吨 CO2。 https//www.energy.gov/fe/articles/doe-announces-major-milestone-reached-illinois-industrial-ccs-project 18 全球主要区域 BECCS发展潜力 SSP数据库中 BECCS的技术路线 包括 生物质发电 、 生物质液体 燃料 以及 生物质制氢 生物质发电和生物质液体燃料 结合 BECCS的发展潜力占比较 大 ， 而生物质制氢的占比较小 但是当提高温升目标到 1.5℃ 时 ， 生物质制氢的增加量相对 较大 引自郑丁乾 , 常世彦，蔡闻佳等 . 温升 2 ℃ /1.5 ℃ 情景下世界主要区域 BECCS发展潜力评估分析 . 全球能源互联网 , 2020. 304 第 351-362页 . 19 案例水泥 BECCS 挪威 Full Chain CCS项目的水泥厂和垃圾焚烧厂 挪威 Full Chain CCS项目 BECCS流程 项目名称 挪威 Full Chain CCS 地点 挪威 开始时间 2013年开始前期试验 ， 计划于 2023～2024年进行大规模捕集 捕集量 两个工厂分别计划 在 2023～ 2024年 捕集40万吨的 CO 2 CO2源 位于泰勒马克郡的 Heidelberg Norcem水 泥厂 （ 生物质 30） 以及位于奥斯陆的 Fortum Oslo Varme垃 圾焚烧厂 （ 约 58生物质 ） 运输方式 先 用船舶从 工厂运输至位于挪威西海岸 的临时储存设施 ， 然后通过管道输送至 北海封存 封存地点 北海 成本 包括建设以及 10年期的运行预算为 25.7亿欧元 20 BECCS 在钢铁厂的应用 The introduction of bioenergy with CCS could theoretically achieve carbon-neutral steelmaking considering that bioenergy can substitute over 40 of fossil-based CO2 emissions and that CCS can capture over 60 of the CO2 emissions that occur on-site without a significant retrofit of a steel plant. Source Mandova et al.,2019 21 建议 总体来看，规模化发展 BECCS技术能够为我国经济社会发展提供负排放空间，为我国 2060年前实现碳 中和目标提供重要技术支撑。我国需要对 BECCS的战略定位，技术路径和发展规划开展系统研究，从资源、 技术和风险防控等方面加强综合评估。具体建议如下 （ 1）加强适用于 BECCS的生物质资源评估 。构建长时间尺度的生物质资源监测、评价和决策支持体系，加强对农业 剩余物、林业剩余物、能源植物等不同类型生物质资源的系统研究。 （ 2）加强适用于 BECCS的生物质能技术评估 ，研究碳中和目标下 BECCS技术发展路线图。重点比较生物质发电、燃 煤耦合生物质发电、生物质航空燃料以及生物质制氢结合 CCS在我国推广应用的可行性和经济性，推进建设全流程、集 成化、规模化 BECCS示范项目。 （ 3）加快推进 BECCS国际技术创新合作 。针对全球在规模化部署 BECCS上的切实需求， 将 BECCS列为我国碳中和国 际大科学计划和大工程项目的重要内容 ，以大科学计划和大工程项目等科研组织模式来带动 BECCS技术的创新突破。将 BECCS作为中美、中欧、中英等双边框架下技术创新合作的重要内容，同时 将 BECCS纳入“一带一路”技术合作战略框 架 ，系统评价 BECCS在“一带一路”国家的适用性、应用潜力与可能影响。 （ 4）构建 BECCS风险防控与可持续管理体系 。系统评估 BECCS技术规模化应用的社会、经济、环境和生态影响与潜在 风险，研究部署风险防控与可持续管理体系。 谢谢 changshiyantsinghua.edu.cn