CCUS技术对我国电力行业低碳转型的意义与挑战

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22053

摘要/Abstract

摘要：

在过去30年，我国电力行业发展迅速，一定程度上已经解决了效率与清洁问题，而落实“双碳”目标又对我国电力行业提出了低碳发展的要求。提高能源利用效率，提升零碳能源及碳中性能源占比，配备碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)技术是实现电力行业碳减排的3条重要途径。基于电力系统碳中和公式，分析了2000—2020年我国电力行业的碳减排历程及不同途径的碳减排贡献，并阐述了我国CCUS技术发展现状及路线。结果表明：2000—2011年，提高含碳能源利用效率为电力行业的碳减排做出了主要贡献；2011年以后，零碳能源占比的提升对电力行业碳减排的贡献更大。电力行业若要实现碳中和的目标，在化石能源不能被完全替代的情况下，CCUS技术是不可或缺的。目前，CCUS技术的成本及捕集能耗过高是阻碍其推广的主要原因，燃料源头捕集技术实现了能量的梯级利用和碳组分的富集，降低了CO₂的捕集能耗，相较于目前主流的碳捕集技术，燃料源头碳捕集系统的效率普遍可以提高5~8个百分点。

关键词: “双碳”目标, 碳中和, 碳捕集、利用与封存(CCUS), 电力系统, 碳排放强度

Abstract:

In the past three decades, China’s power industry has developed rapidly and solved the problem of efficiency and cleanliness to a certain extent. However, the implementation of the “double carbon” target has put forward the requirements of low carbon development for China’s power industry. Improving energy utilization efficiency, increasing the proportion of zero-carbon energy and carbon-neutral energy, and equipping carbon capture, utilization and storage (CCUS) technology are three important ways to achieve carbon emission reduction in the power industry. Based on the carbon neutral formula of power system, the carbon emission reduction history of China’s power industry and the carbon emission reduction contribution of different pathways between 2000 and 2020 were analyzed, and the current situation and routes of CCUS technology development in China were described. The results show that between 2000 and 2011, improving the efficiency of carbon-containing energy utilization made the main contribution to carbon emission reduction in the power industry, and after 2011, the increase of the proportion of zero-carbon energy contributed more to carbon emission reduction in the power industry. To achieve the goal of carbon neutrality in the power industry, CCUS technology is indispensable when the fossil energy cannot be completely replaced. Currently, the high cost and energy consumption of CCUS technology are the main reasons that hinder its promotion. The fuel source capture technology realizes the graded utilization of energy and the enrichment of carbon components, which reduces the energy consumption of CO₂ capture, and the efficiency of fuel source carbon capture system can generally be improved by 5 to 8 percentage points compared with the current mainstream carbon capture technology.

Key words: “double carbon” target, carbon neutrality, carbon capture, utilization and storage (CCUS), power system, carbon emission intensity

中图分类号:

TK 09

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图/表 11

图 1 不同煤种的平均热值及含碳量

Fig. 1 Average calorific value and carbon content of different coal types

图 2 我国2000—2020年火电供电标准煤耗

Fig. 2 Standard coal consumption of thermal power supply in China from 2000 to 2020

图 3 我国不同能源年发电量变化趋势

Fig. 3 Annual power generation trends of different energy sources in China

图 4 我国火电装机容量及发电量变化趋势

Fig. 4 Trends of installed capacity and power generation of thermal power plants in China

图 5 不同途径对电力行业碳减排的贡献

Fig. 5 Contribution of different ways to carbon emission reduction in power industry

表 1 我国主要CCUS示范项目

Tab. 1 Major CCUS demonstration projects in China

项目名称	项目规模/(万t/a)	捕集技术	后续处理
华能上海石洞口电厂碳捕集项目	12	燃烧后捕集	工业利用/ 食品利用
华能北京高碑店电厂	0.3	燃烧后捕集	食品利用
国电天津北塘热电厂	2	燃烧后捕集	食品利用
华润电力海丰电厂碳捕集测试平台	2	燃烧后捕集	工业利用/ 食品利用
中石化胜利油田 CO₂-EOR项目	100	燃烧后捕集	驱油
华能天津IGCC碳捕集项目	10	燃烧前捕集	盐水层封存
华能连云港清洁能源动力系统研究设施	3	燃烧前捕集	盐水层封存
中石油吉林油田EOR项目一阶段	15	燃烧前捕集	驱油
华中科技大学35 MW富氧燃烧项目	10	富氧燃烧	工业利用

表 2 不同碳捕集技术的能耗及成本

Tab. 2 Energy consumption and cost of different carbon capture technologies

捕集技术	电厂效率下降/%	捕集1 t CO₂的成本/美元
燃烧后捕集	9~15	29~51
燃烧前捕集	7~10	13~37
富氧燃烧	10~12	21~50

图 6 回收CO2的甲醇-动力多联产系统流程

Fig. 6 Flow of methanol-power polygeneration system for CO2 recovery

表 3 IGCC与多联产系统的性能对比

Tab. 3 Performance comparison between IGCC and polygeneration systems

性能	无CO₂回收的IGCC系统	回收CO₂的IGCC系统	回收CO₂的多联产系统
热效率/%	43.9	35.2	47.3
CO₂回收率/%	0	76.2	72.1
CO₂体积分数/%	37	37	51

图 7 分级气化发电方法流程

Fig. 7 Flow of stage gasification power generation method

表 4 IGCC与分级气化发电系统性能对比

Tab. 4 Performance comparison between IGCC and stage gasification power generation system

性能	传统气化方法的 IGCC系统		分级气化方法的发电系统
性能	无CO₂回收	回收CO₂	无CO₂回收	回收CO₂
发电效率/%	44.5	38.3	47.7	43.4
CO₂回收率/%	0	50	0	50
CO₂体积分数/%	29.0	29.0	48.1	48.1

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