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-solarbe文库

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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 China s 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