CO2捕捉與封存(CCS)技術(shù)當(dāng)前被認(rèn)為是短期之內(nèi)應(yīng)對全球氣候變化最重要的技術(shù)之一。CCS技術(shù)分為捕捉、運輸和封存三個環(huán)節(jié)。對于CO2捕捉,目前已掌握的三種方法是燃燒后捕捉、燃燒前捕捉和富氧燃燒捕捉。CO2的封存方式分為四種,一是通過化學(xué)反應(yīng)把CO2轉(zhuǎn)化成固體無機碳酸鹽;二是工業(yè)應(yīng)用,直接作為多種含碳化學(xué)品的生產(chǎn)原料;三是注入海洋1000m深處以下;四是注入地下巖層。
排放形式嚴(yán)峻
中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)和消費國,是僅次于美國的第二大電力生產(chǎn)和消費國,在我國耗煤最多的正是電力行業(yè),大規(guī)模的火電發(fā)展,導(dǎo)致大量CO2排放,造成巨大的環(huán)境影響。隨著世界對全球氣候變暖問題越來越關(guān)注,我國承受的國際壓力也越來越大。
盡管中國在過去關(guān)停的小火電裝機容量相當(dāng)于整個澳大利亞的電力裝機容量,每年可以減少1.1億t的CO2排放,但當(dāng)前情況仍然嚴(yán)峻。據(jù)2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù),中國十大發(fā)電集團(tuán)總耗煤量超過5.9億t,占全國煤炭總產(chǎn)量的1/5。這是綠色和平組織發(fā)布的《中國發(fā)電集團(tuán)氣候影響排名》中透露出的信息。據(jù)披露,十大發(fā)電集團(tuán)的耗煤量占了全國煤炭總產(chǎn)量的20%。
若按耗煤量以及2008年CO2排放量統(tǒng)計,排名最前的是華能、大唐和國電。這三家CO2排放總和已經(jīng)超過同年英國全國的溫室氣體排放量水平。
全球CO2的排放量正以每年3%的速度增長,到2030年將達(dá)到每年120億t,到本世紀(jì)末將超過200億t。按照這個速度發(fā)展下去,到2100年,整個地球的氣候條件將逐步接近史前年代:大氣層和金星的大氣層類似,CO2取代N2成為主要成分;溫室效應(yīng)造成的高溫將不適合任何動物的生存,人類社會則將在這一進(jìn)程中崩潰。
由于煤炭的儲量豐富且價格低廉,很長一段時間內(nèi),其在能源消耗構(gòu)成中依然會占有很高的比例,而應(yīng)用于燃煤發(fā)電廠的CCS技術(shù)最高捕捉效率高達(dá)90%,因此各國都視之為應(yīng)對氣候變化的最佳方案之一。
目前CCS技術(shù)仍處于試驗階段,技術(shù)上的不成熟所導(dǎo)致的高成本致使CCS難以大規(guī)模的推廣。麥肯錫估計捕捉和處理CO2的成本大概在75~115美元/t,與開發(fā)風(fēng)能、太陽能等新能源的價格相比并不具備太大的競爭優(yōu)勢。此外,由于被捕捉的CO2工業(yè)應(yīng)用前景非常差,封存是CO2捕捉的最終路徑。
CO2捕捉及封存技術(shù)陸續(xù)試點
作為補救措施之一,人類已經(jīng)開始嘗試將CCS技術(shù)化作為一種服務(wù)產(chǎn)品推向前臺,并已經(jīng)在部分地區(qū)進(jìn)行試點。
目前在歐盟各國如英國、法國、德國、意大利、西班牙、瑞典、挪威與荷蘭,都能夠看到CCS項目的身影。這些國家都是CCS技術(shù)的最早探索者和擁有者。德國萊茵集團(tuán)(RWE)、法國道達(dá)爾集團(tuán)、雪佛龍集團(tuán)、意大利國家電力公司(Enel)、英國石油公司(BP)和英荷殼牌石油公司等著名跨國企業(yè)都已經(jīng)宣布了CCS技術(shù)研發(fā)計劃,這些公司都期待在不久的將來,CCS技術(shù)能實現(xiàn)商業(yè)化運作。
瑞典能源巨頭——瀑布能源公司(Vattenfall)從2001年就開始研究CCS技術(shù),為此已投入了7000萬歐元,成為世界上第一個開始運作CCS試驗工廠的企業(yè)。
瀑布能源公司在德國東北部勃蘭登堡州建立了世界上第一家應(yīng)用CO2捕捉及封存技術(shù)的試驗性煤電廠。該公司2008年宣布,計劃2013年之前在丹麥建設(shè)一個CCS示范工廠——北日德蘭電站。
英國政府已經(jīng)決定要在2014年之前投入10億英鎊建立一個CCS示范工廠。政府作為投資方,已經(jīng)出臺了競標(biāo)機制。
除了瑞典、英國這樣的典型外,CCS項目已經(jīng)在歐洲遍地開花。法國的道達(dá)爾集團(tuán)在法國西南部建立的Lacq試驗工廠,是世界上首個包含了CO2捕捉、運輸和地下封存全過程的CCS項目,其一體化程度前所未有。
歐洲委員會宣布投入14億美元在歐洲各國建立13個CCS示范工程,大大超過了對風(fēng)電以及其他新能源技術(shù)的投資。美國能源部也計劃在未來10年內(nèi)投入4.5億美元,在美國7個地區(qū)進(jìn)行CCS項目實驗。
目前主要有三種CO2捕捉工藝,即后燃燒捕捉、燃燒前捕捉和含氧燃料燃燒捕捉工藝。其中燃燒前捕捉工藝只能用于新建發(fā)電廠,而另外兩種技術(shù)則可同時應(yīng)用于新建和既有發(fā)電廠。德國和英國的試驗項目都屬于新建電廠,而另外兩種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)在更為普遍。
CCS技術(shù)將成為最終選擇
氣候組織中國項目發(fā)展經(jīng)理尹樂認(rèn)為,中國在節(jié)能減排和發(fā)展可再生能源方面的努力彰顯著中國應(yīng)對氣候變化的國家意志和國家力量。中國通過節(jié)能減排和發(fā)展可再生能源所可能帶來的CO2減排潛力,將在2030年前后被發(fā)掘殆盡,這意味著屆時CCS將成為最終選擇。但是,與其他新技術(shù)在其初始階段一樣,CCS技術(shù)現(xiàn)在并不具備被大規(guī)模推廣使用的條件,還需要在技術(shù)、政策和資金支持等方面做好準(zhǔn)備。
中國一方面需要加強國際合作引進(jìn)技術(shù),促進(jìn)CCS技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展;另一方面要加快自主研發(fā),通過試點,掌握核心技術(shù)和流程,建立自己的CCS項目。
CCS技術(shù)的應(yīng)用可能對中國溫室氣體總量減排起到?jīng)Q定性作用,同時也可能形成一個產(chǎn)業(yè)。這對于以煤炭為主要能源的中國,將有不可估量的意義。
重點項目
全球最大的燃煤發(fā)電廠CO2捕捉項目落戶上海,華能石洞口第二電廠CO2捕捉項目2009年7月份在上海開工,預(yù)計年捕捉10萬t的CO2,2009年底建成。
石洞口項目負(fù)責(zé)人,西安熱工研究所有限公司總工程師許世森告訴記者,目前正在建設(shè)的石洞口項目總投資1.5億元,只捕捉不封存。這是華能CO2捕捉的第二個項目——第一個項目位于北京高碑店,其每年約排放400萬t的CO2,CO2捕捉系統(tǒng)能夠捕捉其中的0.075%,約3000t,而捕捉能耗占電廠能耗比例則在30%以上。
由于CO2捕捉技術(shù)仍然不成熟,國家氣候中心副主任、清潔發(fā)展機制執(zhí)行理事會副主席呂學(xué)都對華能石洞口項目評價說,即使年捕捉10萬t,那也是個試驗。
與呂學(xué)都不同,許世森對CO2捕捉的未來很樂觀。
華能高碑店項目也是由西安熱工研究所有限公司承擔(dān)。許世森介紹說,華能高碑店燃煤電廠配套CO2捕捉裝置,已經(jīng)順利運行一年多,可以算得上世界上運行時間最長的燃煤電廠CO2捕捉裝置。
“項目捕捉而得的CO2能夠達(dá)到食品級的標(biāo)準(zhǔn),在銷售給中間商后,獲得了雙倍利潤。”許說,目前北京對CO2的市場需求量是6萬t,因此高碑店燃煤電廠所捕捉的CO2很容易就能被市場消化。截至2009年春節(jié),高碑店CO2捕捉系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
此外,許世森介紹說,石洞口項目和高碑店項目均采用燃燒后CO2捕捉,對于原來的電廠沒有改變?nèi)魏尾糠,僅僅是增加了一個捕捉裝置。“石洞口項目,我們認(rèn)為會運轉(zhuǎn)得比較好的,捕捉率應(yīng)該會在80%以上,CO2純度會在99.6%以上。”許說。此外,石洞口第二電廠收集的CO2仍然將沿用高碑店模式,加以工業(yè)利用——目前市場上,食品級CO2的市場價格約為1200元/t。但這個工業(yè)CO2市場仍然偏小,據(jù)悉,目前全球CO2工業(yè)利用量大約是每年1億~1.5億t/年,中國則更小。
此外,許也承認(rèn),CO2捕捉本身都非常耗能,因為要在現(xiàn)有的裝置上增加設(shè)備,都是要增加負(fù)擔(dān)的,捕捉CO2肯定是要付出代價的。“但既然要遏制全球變暖,也要付出代價。”許說。
許世森算過一筆賬:“發(fā)電廠做這樣的項目,發(fā)電成本起碼要提高20%~30%,比如說原來發(fā)一度電可能要3~4角,現(xiàn)在就要提高20%~30%的價格。能耗方面,如果電廠要收集CO2,我們算過,發(fā)電效率要降低8%~10%,能耗對發(fā)電的影響是很大的,所以說,減排CO2是需要付出代價的。石洞口二廠也只是一年收集10萬t的CO2,也不是全電廠收集。”另外,高碑店電廠把捕集的CO2賣掉,并沒有封存,也不能算做減排。
發(fā)展面臨瓶頸
技術(shù)和資金是目前各國發(fā)展CCS技術(shù)面臨的主要瓶頸。目前,雖然CO2的捕捉和運輸技術(shù)都比較成熟,地質(zhì)埋存也有先例,但到目前為止,全世界還沒有一座大型的完整的CO2捕捉、運輸?shù)椒獯娴漠a(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)。CCS技術(shù)還沒有明確的商業(yè)應(yīng)用模式,即對捕捉的CO2商業(yè)應(yīng)用手段有限。
相關(guān)專家指出,為了捕捉CO2,發(fā)電廠需要更多的燃料,這將消耗更多的成本。另外發(fā)電廠的投資成本也要增加,因為必須增加額外的設(shè)備來捕捉CO2。所以CCS項目增加的不僅僅是發(fā)電的投資成本,還有運營成本,而封存成本也十分高昂。同時,CCS的大規(guī)模推廣又依賴于大型示范工程經(jīng)驗的積累。
解決途徑與前景
解決這一系列問題,必須依賴各國政府的政策、資金支持和國際間合作。尹樂說:“Nopolicy,noCCS。”2009年G8會議提出,在2010年以前,由各國政府支持在全球范圍內(nèi)建設(shè)20個CCS示范項目,以保證到2020年時實現(xiàn)CCS技術(shù)商業(yè)化。而CCS技術(shù)動輒成百上千億美元的投資,根本不是發(fā)展中國家承擔(dān)得起的。
若中國決定推動封存成為其減少排放的主要努力措施,則存儲需求將非常龐大。據(jù)中英煤炭利用近零排放項目(NZEC)近期的一項研究表明,40年使用期限的電廠將可產(chǎn)生約2億t的CO2。
2009年中國的發(fā)電裝機容量達(dá)8.74億kW,并預(yù)計將在2020年達(dá)到16億kW。
然而一些地質(zhì)預(yù)測較為樂觀,美國自然資源保護(hù)委員會的一份報告稱,中國具備在地下或海床下存儲30?660億t氣體的潛能,相當(dāng)于逾400年目前的排放量。報告并稱,中國逾90%的CO2主要生成中心距離大型地下儲存基地的距離不超過160km,但這些潛在儲存容量的99%是處于鹽堿含水層,這一儲備選項尚未經(jīng)過充分研究。
盡管中石油今年已在東北部展開試點項目,將CO2注入衰竭的油氣田,并通過使用一項已經(jīng)鑒定的技術(shù)提取更多燃料,但這一選擇僅可封存中國一小部分CO2排放。而對大型、陳舊油田泄露問題的擔(dān)憂或成為一大問題,這些油田已在開采過程中打了不計其數(shù)的鉆井,海上儲存是為另一選擇,但這將加劇在成本及技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)在一份報告中表示,中國多數(shù)碳輸轉(zhuǎn)及儲存的成本應(yīng)該相當(dāng)于2~8美元/t。
總之,結(jié)合目前中國的情況,CCS將會成為最終的選擇,雖然還面臨技術(shù)的困難,成本上的壓力。希望隨著試點項目的相繼實施,伴隨著國際應(yīng)用的快速發(fā)展,有了政策的大力支持,CCS技術(shù)的應(yīng)用將會在中國火電廠減排領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用,成為現(xiàn)實選擇,而其自身的高耗能缺陷,也勢必造成能源成本的提升。