文献阅读 | 氢和碳捕获、储存和利用在能源去碳化中的价值：来自综合价值链优化的启示

题目

The value of hydrogen and carbon capture, storage and utilisation in decarbonising energy: Insights from integrated value chain optimisation

作者

Christopher J.Quarton，Sheila Samsatli

期刊

Applied Energy

时间

Jan 2020

一作

单位

Univ Bath, Dept Chem Engn, Bath BA2 7AY, Avon, England

链接

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113936

研究导读

人们对碳捕获、利用和储存（CCUS）和基于氢气的技术越来越感兴趣，以实现能源系统的脱碳和灵活性的提升。然而，对于这些技术的总体价值仍有诸多争论。价值链优化可以确定二氧化碳和氢气技术将如何融入能源和化学品部门的现有价值链，以及它们如何有效地协助实现气候变化目标。本研究是第一个对二氧化碳和氢气的综合价值链进行建模和优化的研究，对CCUS和氢气技术在能源系统中的作用进行了全系统评估。结果表明，CCUS有机会使现有的发电系统脱碳，但长期的低成本脱碳和灵活性提升仍需通过可再生能源和氢气储存得以实现。碳捕获和利用（CCU）生产的甲醇在72-102英镑/兆瓦时的价格范围内变得有利可图，而目前的市场价格约为52英镑/兆瓦时，仍然远低于现有的燃料价格，因此用CCU产品取代现有燃料需求的机会较高。然而，研究人员发现CCU当下所涉及的脱碳范围仍然很小。为了使碳捕集与封存的投资具有吸引力，需要额外的驱动力，如工业的去碳化和负排放政策。本文提出的模型和见解对于政策制定者和投资者评估所考虑的技术潜在价值将是有价值的。

关于CCUS的争论

关于CCS和CCU在帮助实现低碳能源转型方面的相对优势，存在着激烈的争论。然而，将这些技术视为直接竞争关系可能是有问题的，因为它们通常服务于不同的目的。在这场辩论中考虑氢气价值链是有用的，因为它们既是CCU的内在因素，也是潜在的竞争对手。

规模：为实现2050年2度目标，CCUS技术必须在全球范围内封存160 GtCO2，有研究人员认为这仅占石油和天然气储层储存能力的六分之一，深层盐水层中还有相当多的容量。研究认为，CCU的预计市场规模允许160 GtCO2中的不到3%在长时间封存。

可持续性：CCS本质上是一个不可持续的过程：虽然储存能力可能很大，但它仍然是有限的。由于没有CCS设施被长期运行，其长期影响仍不确定。同时，对CCU进行环境评估则会充满挑战，因为模型系统中的所有影响都必须被正确计算。在许多CCU过程中，二氧化碳只是被暂时封存，当产品被使用时二氧化碳将被重新释放到大气中。虽然CCU产品可以在一定程度上替代化石燃料的使用，但从全生命周期来看，CCU产品对于全球变暖的影响被发现高于化石燃料的。然而，在一些情况下，CCU产品的二氧化碳排放可以被重新捕获和重新利用，从而创造一个可持续的二氧化碳循环。

经济和效率: CCU能够生产具有经济价值的产品，与任何环境效益无关。同时，CCS仅仅是一种减排战略，在没有法规支持的情况下，没有明确的商业案例。也许有可能将CCU和CCS项目结合起来，CCU可以为CCS提供一些财政支持。虽然CCS和CCU都已经有了商业运营的例子，但也很难确定如果运营规模大大增加，两者的经济性会有什么变化 。尽管CCU具有明显的经济激励作用，但由于在捕集和利用阶段所需的能源投入水平不确定性较高，人们对该过程的效率表示担忧。当然，CCS过程也需要在捕集过程之外的能源投入，例如用于压缩和运输。

灵活性：传统电力系统依靠诸如CCGTs等化石燃料发电机来提供能源系统的灵活性和稳定性，根据电力需求提高或降低发电量的能力。一些人认为，在风力和太阳能等可再生能源渗透率不断提高的电力系统中，化石燃料低碳发电将更加重要，需要借助碳捕集技术来尽量减少化石燃料发电机的排放。同时，利用氢气作为原料的工艺可用于负载平衡，如果氢气是由电解产生的，它可以根据可变的电力供应进行增减，并且有研究已经证明能够为电网提供频率响应服务。氢气还可以被储存起来，以恒定的速度供应给CCU工艺过程。

基础设施：CCS的一个主要挑战是，它需要一个连接捕集和储存设施的运输基础设施，即在实现CCS的经济性之前，捕集厂、储存设施和运输基础设施都需要投资。有人认为，如果CCU利用设施可以位于来自捕集厂的大型二氧化碳来源附近，那么将会最大限度地减少对昂贵二氧化碳运输的需求。此外，CCU依赖于二氧化碳以外的其他原料，这些原料将有自己的生产、分配和储存要求。例如，氢气，无论是用于CCU还是其他应用，都需要一个生产基础设施。氢气的 "气化 "需要电解器和足够的（可再生的）电力生产来驱动这一过程。

多样化:  未来能源系统将寻求多样化的能源来源，以确保供应安全。CCU可以通过生产一系列不依赖特定自然资源（如化石燃料）的燃料来帮助实现这一目标。同时，有些人认为CCS只是化石燃料行业持续发展的一项有利技术，供应安全问题仍会随着时间的推移而加大。

研究方法

综合价值链优化

价值网模型（VWM）是为了优化CCS、CCU和氢气的综合价值链而开发的，以确定它们在40年内能源系统去碳化中的作用。VWM是一个混合整数线性规划（MILP）模型，它可以表示通过转换、储存和运输资源的各种技术，将初级资源（如天然气和风能）转化为最终产品和服务（如电力和热能）的相互关联的路径。优化决定了系统的设计和该系统的运营策略，以优化目标函数，其中可能包括系统成本、环境影响和其他指标。空间和时间在VWM中都有明确的表示，以便捕捉初级资源可用性和能源及产品需求的空间分布，以及它们的时间变化性质。VWM能够模拟和优化各种不同类型的价值链和网络，如全国性的多载体能源系统和城市能源系统。

研究涵盖共135种优化情景，以探索二氧化碳和氢气价值链对需要去碳化和灵活性能源系统的潜在贡献。VWM被应用于英国能源系统，作为一个中等规模、主要基于化石的能源系统的研究案例。优化的目标是为系统实现最大化净现值（NPV）。

研究发现

可再生能源和储氢提供脱碳和能源系统灵活性

在基准政策的优化方案中，2056年将达到低碳和灵活能源系统。然而，若没有安装CCUS技术：则以较低的成本通过可再生能源和储氢为能源系统提供去碳化和灵活性。

图1显示了2056年基准情景最优系统设计的结果：图1a显示了能源和二氧化碳的总体流量，图1b显示了系统设计的分布地图。到2056年，所有的发电量都由风电提供：目前所有的燃气发电站将在四十年中陆续退役。整体发电量大大增加（1.6倍），考虑到电力需求增长和供热电气化。图1a显示了2056年家庭供暖的满足情况：总体而言，63%的供暖需求用电满足，23%用天然气，其余用氢气满足。如图1a所示，2056年所有剩余的二氧化碳排放都来自家庭的天然气锅炉：发电的完全脱碳和供热的显著脱碳足以实现最后十年的减排目标。

在基准情景下，发现CCUS在提供系统灵活性方面的成本效益不如储能。为了研究CCUS是否能在能源系统中发挥提供灵活性的作用，对一些额外的优化情景进行了模拟，重点是增加储氢（基线情景中主要的灵活性提供者）的成本和风电成本。

图1. 基准情景下的最佳能源系统

图2. 四种特色情景下按来源划分的二氧化碳年排放量

CCUS的经济激励

鉴于在基准情景下，仅靠脱碳和灵活性约束不足以将CCUS技术引入最佳系统设计中，还必须探讨技术的经济性。主要是通过改变两个因素来实现：二氧化碳交易价格和甲醇的零售价格。此外，还进行了因素分析，探讨了不同技术成本假设的影响。图3显示了在不同的二氧化碳交易价格和甲醇价格下，56个方案中的每一个方案在40年的时间范围内，CCU的甲醇总产量。

虽然52英镑/兆瓦时的甲醇市场价格和23英镑/吨的二氧化碳交易价格不足以激励CCU的甲醇生产，但随着甲醇价格增加40%（达到72英镑/兆瓦时），CCU成为最佳能源系统的一部分。在这种情况下，在一些现有的CCGT工厂安装二氧化碳捕集设施，捕集的二氧化碳与电解产生的氢气一起，在一个单一的二氧化碳加氢工厂生产甲醇。这个工厂每年生产8.2太瓦时，但如图2b所示，二氧化碳利用对总排放量的贡献每年最多只有2.1 MtCO2。CCU工厂只在前20年运行, 在后来的几十年里，随着现有CCGTs的退役，它们被风力发电所取代，而不是投资于新的CCGTs与CCU。因此，到最后十年，通过可再生能源和热力脱碳来实现脱碳。尽管对更广泛的系统来说，安装和运行资本密集型的CCU技术只有20年是最理想的，但在现实中，这种战略对潜在的投资者可能没有吸引力。

随着甲醇价格的100%增长（达到102英镑/兆瓦时），CCU有更大的贡献，而且CCU（与新的CCGTs一起）在几十年中都能维持。图2c显示了这种情况下的年度二氧化碳排放量，图4显示了四个十年中每个十年的甲醇生产率。尽管CCU在四十年中都在运行，但它仍然在第二个十年中达到高峰，一些CCU工厂在现有的CCGTs退役时退役。然而，在这种情况下，当下有些地方仍值得投资于带有CCU的新CCGT，因此，CCU对最后十年的排放目标仍有很大的贡献（尽管应注意，封存在CCU产品中的排放将在产品被消费时重新排放）。图5显示了在这种情况下2056年关键技术（包括CCU）的安装能力。为了使氢气供应与二氧化碳加氢和家庭供暖的需求相匹配，需要有大量的氢气储存。

图3.  2017年至2056年期间，各种情景下的甲醇总产量（二氧化碳氢化）

图4. 甲醇价格为102英镑/兆瓦时的情况下，每十年的甲醇年产量

图5. 甲醇价格为102英镑/兆瓦时情况下的最佳能源系统

研究结论

结果显示，在基准成本和政策假设下，CCUS有机会使现有发电系统脱碳。然而，长期的脱碳可以通过扩大可再生能源，利用储氢来确保系统的灵活性，并以较低的成本实现。CCUS技术及其相关供应链的高资本成本意味着找到基于灵活性的商业案例具有挑战性。将捕获的二氧化碳与可再生氢结合起来的CCU途径能够生产出与现有燃料有竞争力的合成燃料。例如，如果有类似的零售价格，CCU生产的甲醇作为运输燃料可以与石油竞争，但目前与化石来源的甲醇的现有市场价格相比，它没有竞争力。尽管CCU有经济机会，但根据现有的市场规模，CCU不太可能对二氧化碳减排做出重大贡献，特别是考虑到使用该燃料时的二次排放。

本研究提出的方法和结果对政策制定者和潜在的投资者都很有价值。研究结果表明，如果CCUS技术要得到进步，就必须实施适当的政策激励。这对CCS来说尤其如此。在这项研究中，发现CCS要成为最佳能源系统的一部分，需要130英镑/tCO2的二氧化碳交易价格。然而，可能有其他政策可以更有效地激励这项技术。虽然这项研究发现CCUS在电力和供热部门的脱碳潜力可能是有限的，但在对工业施加严格的脱碳目标的情况下，其贡献可能会更大，因为大部分工业都依赖化石燃料。然而，也应该考虑工业的其他去碳化选择，如提高效率、使用低碳燃料（如可再生氢和生物燃料）和电气化。

这项研究考虑到现有的技术装机容量，评估了一个为期四十年的国家能源系统，以模拟向低碳系统过渡的过程。结果显示了向可再生能源的快速过渡和氢气供应链的扩展。然而，电力转天然气的规模是否能足够快地扩大，还有待观察。替代方案可能会在中期看到更多来自化石燃料的氢气生产；在这种情况下，CCUS技术将有更大的机会。最后，本研究考虑了2050年低碳能源系统的最佳配置。把目光投向这个目标之外，投向可能的零碳能源系统，正变得越来越重要。在这种情况下，负排放技术，如BECCS和DACS可能变得更加重要，因此从长远来看，CCUS可能会有更大的作用。

编辑&排版：刘心远

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