文献阅读 | 2°C目标下碳捕获与封存的全球布局

题目

A proposed global layout of carbon capture and storage in line with a 2 °C climate target

作者

Yi-Ming Wei, Jia-Ning Kang, Lan-Cui Liu, Qi Li, Peng-Tao Wang, Juan-Juan Hou, Qiao-Mei Liang, Hua Liao, Shi-Feng Huang and Biying Yu 

期刊

Nature Climate Change

时间

2021.02

一作

单位

Center for Energy and Environmental Policy Research, Beijing Institute of Technology, Beijing, China

链接

https://doi.org/10.1038/s41558-020-00960-0

研究导读

为了将全球变暖控制在2摄氏度以内，全球布局碳捕获、利用与封存(CCUS)是必不可少的。该研究提出了一个全球层面上具有成本有效性的碳源汇匹配战略。结果表明，CCUS选择了85个国家和地区的3093个碳源和432个碳汇来实现92GTCO2减排，其中64%将被封存到沉积盆地用于含水层储存，36%将用于CO2-EOR（强化石油采收）。在已确定的源汇匹配中，80%分布在300公里以内，主要分布在中国、美国、欧盟、俄罗斯和印度。总成本约占全球累计国内生产总值的0.12%。在有CO2-EOR的国家中，当油价超过每桶100美元时，75%的国家将实现盈利。该研究认为其建议的全球战略布局在经济上是可行的。然而若要开展实施，则需要在资金和技术转让方面加强全球合作。

研究背景

碳捕获、利用和封存（CCUS）被视为是实现气候目标的一种关键技术解决方案。国际能源署（IEA）强调，到2050年，CCUS将在发电、工业流程和燃料转换方面累计减排94 Gt的二氧化碳排放量（接近全球减排量的12%），以实现2°C的目标。然而，目前CCUS的发展还没有达到十年前所期望的理想规模，每年捕获的二氧化碳大约不到预测的1%。特别是，目前大多数CCUS项目仍处于无序规划阶段，并仅部署于美国、加拿大和中国等少数国家。很明显，CCUS技术缺乏与2°C气候目标一致的总体布局。

然而，大多数关于CCUS的现有研究更强调技术成本估算、项目和区域层面的CO2输送理论模型，以及精确的点到点的源汇配对。这些研究集中在少数技术领先的国家或地区，其远远达不到2°C的气候目标所需规模。因此，要了解CCUS所要求的二氧化碳减排量从哪里来，会到哪里去，以及如何从全球角度以具有成本效益的解决方案来匹配全球碳源和碳汇，仍将是一个挑战。

研究发现

CCUS全球碳源识别

为了更好地识别CCUS可用碳源的网格定位，该研究构建了1×1 平方千米的全球碳源数据库，扩展了现有的排放数据信息（全球大气排放数据库EDAGR）。在此基础上引入了CCUS的碳集群概念，它表示由相邻网格组成的区域，单个年排放量超过10000吨，总年二氧化碳排放量超过40000吨。该研究确定了4220个合适的碳排放集群，主要分布在87个国家（图1）。数据显示，到2050年，4220个碳源的累计CO2排放量为693.8 GtCO2，其中四分之三是发电厂排放的（518.8 GtCO2）。在47个国家中，几乎所有适合碳捕获的二氧化碳都来自电力排放。

图1. 全球碳源的空间定位

全球CO2地质封存潜力评估

为确保全球范围研究的可比性和一致性，该研究采用US Department of Energy（US DOE）的统一方法，估算全球87个国家794个陆上盆地的CO2地质封存潜力，包括180个CO2-EOR强化驱油和614个沉积盆地含水层封存。结果表明，全球CO2的有效地质封存潜力为2082 Gt。CO2-EOR强化驱油的储集潜力约为168 GtCO2（总计8%），而沉积盆地含水层的储集潜力则高达1914 GtCO2（92%）。图2a显示了CO2储存潜力的全球分布。就强化驱油而言，沙特阿拉伯拥有最丰富的CO2-EOR有效储量，占总储量的17.9%，其次是俄罗斯（17%）和伊拉克（12%）。排名前十的国家几乎贡献了全球CO2-EOR储存潜力的78.2%。就沉积盆地含水层封存而言，俄罗斯贡献12%以上，澳大利亚提供近10%，巴西贡献（7%）。这里排名前十的国家可以提供全球沉积盆地含水层封存潜力的65.3%。

图2. CO2有效封存潜力的全球分布

2°C目标下的CCUS最优源汇匹配

为实现2050年CCUS的92 GtCO2必要减排，源汇匹配结果表明，有85个国家和地区的3093个碳集群和432个碳汇被选中，总计58.61 GtCO2将被封存到沉积盆地蓄水层封存，其中电力碳源和非电力工业碳源各提供约一半，另有33.39 GtCO2将用于全球CO2-EOR驱油中，其中66%来自电力部门捕获的CO2。在源-汇匹配中，80%在300 km的经济合理距离内（图3）。

图3. 全球经济高效布局的CCUS运输量和运输距离

全球源-汇匹配主要分布在八个国家和地区（中国、美国、欧盟、俄罗斯、印度、沙特阿拉伯、澳大利亚和墨西哥），共承担了2399个碳源和197个碳汇所需92 GtCO2的76%（图4a-h）。从运输距离来看，在美国、欧盟、澳大利亚和沙特阿拉伯，超过91%的CO2可以匹配到300 km范围内的合适汇，这表明短途小批量运输将是这四个国家未来CCUS布局的主要选择。在印度和墨西哥，70–80%捕获的二氧化碳将分别在小于300公里的合理距离内运输，其余的分布在300公里到500公里之间。对于俄罗斯和中国来说，长途运输相对比其他国家多。500公里以上的源汇配对中，中国占比例超过11%，俄罗斯占比例超过17%。

图4. 2050年八个国家和地区的优化源汇匹配

2°C目标下的CCUS总成本

CCUS的成本等于CO2捕获、运输和地质封存的投资支出减去CO2项目获得的效益。结果表明，根据2°C目标，研究提出的全球成本有效型CCUS布局战略将需要近8.20万亿美元的金融投资，这将被CO2-EOR项目产生的效益所抵消，导致到2050年的总成本为5.76万亿美元（按2019年不变价格计算）。全球平均碳价约为62.65美元t–1二氧化碳。超过77%的总成本发生在捕获过程中，截至2050年，这一成本约为4.45万亿美元。非电力部门将产生39%的捕获成本，电力部门将占61%。除捕集过程外，二氧化碳运输和储存还需要3.25万亿美元和0.50万亿美元。尽管当前布局策略的总成本非常高，但它仍然可以从CO2-EOR项目中获得2.44万亿美元的收益。如果该战略不引入CO2-EOR，全球CCUS部署成本将高得多。因此，CO2-EOR的开发不仅仅是将CO2储存在地下，而是为CCUS项目的盈利能力和发展带来了希望。

图5. 全球CCUS布局方案的经济效益

研究结论

本文有助于制定全球经济高效的CCUS布局策略，将温升限制在2°C以下。在确定全球4220个碳源和794个碳汇储存潜力的基础上，开发了一种经济优化方法C3IAM /GCOP，结合IEA的预测从全球角度提供CCUS布局，以实现CCUS所需的CO2减排。研究认为，应在277个沉积盆地含水层中封存总量为58.6 GtCO2，并在全球155个油田中封存33.4 GtCO2，以提高采收率。多数匹配的源汇配对发生在中国（29%）、美国（17.49%）、欧盟（9.75%）、俄罗斯（7.87%）、印度（4.13%）、沙特阿拉伯（3.56%）、澳大利亚（2.02%）和墨西哥（1.95%）。布局方案还表明，80%的源-汇匹配将在300公里的合理距离内，这意味着这在技术上是可行的。

研究提出的CCUS布局策略能够以经济高效的方式解决全球变暖问题，但是需要全球85个国家和地区的共同协作，到2050年支付全球累计GDP约0.12%，这被认为是可承受的。81个国家CCUS需要的成本从12万美元到2.02万亿美元不等。若要全球层面推广CCUS,则需要发达国家向欠发达国家转让资本和技术。研究发现俄罗斯、伊朗和沙特阿拉伯等高成本国家的碳源通常远离适合CO2-EOR项目的碳汇，导致其EOR潜力利用率低于全球平均水平（21.54%）。

编辑&排版：刘心远

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