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碳中和深度之三:从负排放技术中把握碳中和投资机会 CCUS或成可持续发展重要手段

发布于 2021-03-22 08:38 已被浏览 88

 碳中和成两会热点议题,长期聚焦相关领域。2020年9月,中国宣布了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年2月22日,国务院发布了《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》,其中提到了以节能环保、清洁生产、清洁能源等为重点率先突破,做好与农业、制造业、服务业和信息技术的融合发展,全面带动一二三产业和基础设施绿色升级。于3月5日召开的第十三届全国人民代表大会第四次会议中,国务院总理李克强提到去年坚决打好三大攻坚战,主要目标任务如期完成,同时提出“十四五”期间加强污染防治和生态建设,持续改善环境质量,巩固蓝天、碧水、净土保卫战成果,促进生产生活方式绿色转型等目标。碳达峰、碳中和成为两会热点议题,较长时间获得广泛关注。

碳中和目标是整体经济的挑战,只有通过大规模减少各经济部门(包括建筑、工业、交通、电力、炼油、农业、林业)的排放量,才可能将中国的二氧化碳排放量降至为零。每个部门都将面临自己的挑战和机遇,都需减少碳排放和碳足迹,以尽可能提前实现碳中和。我国碳中和目标的实现,意味着需要快速大规模地推广低碳能源,根据能源基金会中国碳中和综合报告中研究发现,要达到1.5℃的温控目标,低碳能源在一次能源消费总量中的占比,应从 2015年约6%增加到2035年的35-65%,以及2050年的70-85%。这些脱碳战略的实施还将导致建筑、工业和交通领域使用的能源载体发生变化。所有脱碳战略的根本在于各部门逐步淘汰未采用 CCUS 技术的煤炭使用。这表示电力和工业部门将首当其冲,因为目前煤炭占据了这些部门燃料供给的很大比例。

负排放技术不可或缺,这些负排放技术也是实现碳中和的关键八种负排放技术。根据The Conservation网站整理出现有造林/再造林、生物炭、生物质能源+CO2捕获和储存、直接从空气中捕捉、强化风化(矿物碳化)、改良农业种植方式、海洋(铁)施肥和海洋碱性共计8类负排放技术。

碳汇造林:林业碳汇是重要的碳汇吸收方式。我国的碳汇能力逐步提升,根据《自然》期刊,2010-2016年我国陆地生态系统年均吸收约11.1亿吨碳,吸收了同时期人为碳排放的45%,林业碳汇在碳中和愿景中扮演重要角色,将助力我国实现碳中和目标。

生物质能源:储量丰富,装机容量持续增长。生物质能源是唯一一种可以以气态、液态或者是固态使用的可再生能源,而且在全球呈现普遍性、能源价值高、可获取性强等特性。生物质主要包括木质素、农林废弃物、畜禽粪便、生活垃圾等,有发电、供热、制气、制油、制生物质碳等综合利用模式,非常多元可实现。生物质能多元化产业都取得了长足发展,尤其是以热电联产为主要供能模式的生物质发电,已经形成了非常完整且成熟的产业链。根据《我国生物质经济发展战略研究》,我国作为农业大国,生物质资源丰富,每年可产生农林生物质资源约39.79亿吨,其中可能源化利用部分达3.26亿吨,占比约8.2%。

CCUS:作为新兴技术引起重视,将成可持续发展重要手段。二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是指将二氧化碳从排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现二氧化碳减排的工业过程。作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新兴技术,CCUS是未来减少二氧化碳排放、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。根据GlobalCCS Institute, 2019年全球大型CCUS项目数量增加到51个,其中19个项目已经运行,4个项目在建,其他28个项目还处于设计或开发阶段。过去的十年,全球CCUS运营的数量在不断增加。2019年全球CO2捕集和封存量已经接近100Mtpa。根据中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019),国内共开展了9个纯捕集示范项目、12 个地质利用与封存项目,其中包含 10 个全流程示范项目。除此之外,国内还开展了数十个化工、生物利用项目。2019年我国共有18个捕集项目在运行,二氧化碳捕集量约170万吨;12个地质利用项目运行中,地质利用量约100万吨;化工利用量约25万吨、生物利用量约6万吨。

1. 碳中和是高质量增长与发展基础,绿色、低碳、循环势必加大力度

1.1. 碳中和成两会热点议题,长期聚焦相关领域

大力发展绿色生产生活方式,全方位改善生态环境。我国提出在 2060 年前实现碳中和的愿景,不仅展现我国在全球气候治理领域发挥领导作用的决心,也将为我国在瞬息万变的全球背景下实现经济增长和普惠繁荣奠定基础。由 2060 年碳中和愿景所引领的一系列转型工作,将提升中国在新兴的绿色经济领域的领导地位和竞争力,为结构性工业改革提供支持,逐步淘汰高污染能源与行业,加强能源安全,在持续显著提升人民健康和福祉的同时,全方位改善生态环境。

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“碳中和”成两会热点议题,较长时间获得广泛关注。2020年9月,中国宣布了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年2月22日,国务院发布了《国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》,其中提到了以节能环保、清洁生产、清洁能源等为重点率先突破,做好与农业、制造业、服务业和信息技术的融合发展,全面带动一二三产业和基础设施绿色升级。于3月5日召开的第十三届全国人民代表大会第四次会议中,国务院总理李克强提到去年坚决打好三大攻坚战,主要目标任务如期完成,同时提出“十四五”期间加强污染防治和生态建设,持续改善环境质量,巩固蓝天、碧水、净土保卫战成果,促进生产生活方式绿色转型等目标。碳达峰、碳中和成为两会热点议题,较长时间获得广泛关注。

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1.2. 各部门脱碳战略展望

根据IEA数据,从行业结构上看,2018年我国二氧化碳排放主要源自于电力/热力生产业(占比51%)、工业(占比28%)和交通运输业(占比10%),三者合计占比89%;目前我国发电仍主要以燃煤为主(2019年占比65%);交通运输业则主要依靠汽油/柴油燃烧提供动力,新能源车渗透率不足5%;而工业高能耗产品的制造过程中,煤、原油、天然气仍是主要动力来源。所以2060年我国碳中和愿景的实现颇具挑战,需要我国在制定强劲的长期战略的同时,有效识别电力、工业、交通、建筑、农业、林业等关键领域的碳减排和碳足迹,从政策、金融和技术等多角度实现跨行业合作。

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碳中和目标是整体经济的挑战,只有通过大规模减少各经济部门(包括建筑、工业、交通、电力、炼油、农业、林业)的排放量,才可能将中国的二氧化碳排放量降至为零。根据能源基金会中国碳中和综合报告中,相对于2015年不同模型下各部门二氧化碳减排量如表2所示。每个部门都将面临自己的挑战和机遇,都需减少碳排放和碳足迹,以尽可能提前实现碳中和。但减排技术发展日新月异,几十年后的减排机会可能与今天截然不同。

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我国碳中和目标的实现,意味着需要快速大规模地推广低碳能源,根据能源基金会中国碳中和综合报告中研究发现,要达到1.5℃的温控目标,低碳能源在一次能源消费总量中的占比,应从 2015年约6%增加到2035年的35-65%,以及2050年的70-85%。这些脱碳战略的实施还将导致建筑、工业和交通领域使用的能源载体发生变化。所有脱碳战略的根本在于各部门逐步淘汰未采用 CCUS 技术的煤炭使用。这表示电力和工业部门将首当其冲,因为目前煤炭占据了这些部门燃料供给的很大比例。同时能源基金会还设定了各部门不同的侧重点。

2. 负排放技术不可或缺,CCUS引发广泛关注

2.1. 技术创新是实现碳中和关键

根据最新发表IPCC报告,如果要实现巴黎协定的1.5℃温升愿景,负排放技术(Negativeemissions technologies)不可或缺,这些负排放技术也是实现碳中和的关键,The Conservation网站将现有的负排放技术汇总为8类。

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根据美国国家科学院《负排放技术和可靠的封存:研究议程》报告,为了实现气候和经济增长的目标,从大气中去除和封存二氧化碳的负排放技术将发挥重要作用。目前其中一些负排放技术可以使用,但还需要更多的技术来实现气候目标。其中造林/再造林、森林管理的变化、农业土壤的吸收和储存以及生物能源与碳捕获和封存(BECCS)这4种负排放技术已准备好进行大规模部署。这些负排放技术具有中低成本(100美元/吨CO2或更低),从目前的部署来看具有安全扩大的巨大潜力,并提供共同效益。

美国国家科学院发布的《负排放技术和可靠的封存:研究议程》报告表明目前直接成本不超过100美元/吨CO2的负排放技术可以安全地扩大规模以捕集和封存大量的碳,但这些技术每年在美国捕集和封存的碳不到1Gt CO2,在全球低于10 Gt CO2。虽然这些技术捕集和封存的碳水平在美国排放总量(6.5 Gt CO2当量)和全球排放总量(50 Gt CO2当量)中占相当大的比例,但它们可能难以实现,因为这需要采用前所未有的农业土壤保护措施,森林管理实践和废物生物量捕获。如果要实现气候和经济增长目标,负排放技术可能需要在减缓气候变化方面发挥重要作用,到21世纪中叶在全球范围内每年去除10 Gt CO2,到21世纪末在全球范围内每年去除20 Gt CO2。

同时该报告建议美国应该尽快启动一项实质性的研究计划,以推进负排放技术。大量投资将:①改善现有的负排放技术(即沿海蓝碳、造林/再造林、森林管理的变化、农业土壤的吸收和储存,以及BECCS),以提高能力并减少其负面影响和成本;②在直接空气捕获和碳矿化技术方面取得迅速进展,这些技术尚未得到充分研究,但如果能够克服高成本和许多未知因素,其能力基本上将无限制;③推进有关生物燃料和碳封存的研究,该研究应作为减排研究组合的一部分进行。

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2.2. 碳汇造林传统手段潜力巨大,看好碳汇项目交易

碳汇造林有效助力碳减排。碳汇指通过森林、草原、湿地等保护修复措施增加对温室气体的吸收,减缓气候变化。我国大规模国土绿化行动成效显著。据国家林草局,“十三五”期间,我国完成造林5.29亿亩,森林抚育6.38亿亩,全民义务植树累计达28亿人次,义务植树116亿株。我国的森林覆盖率已经提高到23.04%,森林蓄积量超过175亿立方米。目前我国碳汇造林项目已具备从育苗、栽种、设计到养育、监测的全产业链实施能力,有效减少温室气体排放。根据《自然》期刊,我国的碳汇能力逐步提升,通过大力培育和保护人工林,2010-2016年我国陆地生态系统年均吸收约11.1亿吨碳,吸收了同时期人为碳排放的45%,可见林业碳汇在碳中和愿景中扮演重要角色,碳汇项目将助力我国实现碳中和目标。

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积极联动林业碳汇交易和碳排放权交易。2014年国家林业局出台的《关于推进林业碳汇交易工作的指导意见》中指出要找到林业碳汇交易与碳排放权交易之间的联系,通过鼓励林业碳汇自愿交易项目作为抵消项目以及推进排放配额管理,参与碳排放权交易。全国多地积极响应号召,完善清洁发展机制(CDM)林业碳汇项目交易,推进林业碳汇自愿交易。以湖北省为例,2015年湖北省通山县竹子造林碳汇项目是全国首个可进入国内碳市场交易的CCER竹子造林碳汇项目,预计20年的计入期内将产生13.11万吨减排量,年均减排量约0.66万吨。若未来CCER项目审批重启,碳汇造林项目有望为企业带来额外收益。

十四五规划助力,绿色发展提升林业碳汇前景。十四五规划纲要提出我国森林覆盖率要从2019年的23.2%提升到2025年的24.1%。《纲要》提出要着力提高生态系统自我修复能力和稳定性,守住自然生态安全边界,加快推进东北森林带、北方防沙带等生态屏障建设健全生态保护补偿机制,完善市场化多元生态补偿,鼓励各类社会资本参与生态保护修复,完善森林、草原和湿地生态补偿制度。鼓励受益地区和保护地区、流域上下游通过资金补偿、产业扶持等多种形式开展横向生态补偿。在列出的八项重要生态系统保护和修复工程中提到,在黄河重点生态区将保护修复林草植被 80 万公顷,在长江生态区完成营造林110 万公顷,在东北森林带培育天然林后备资源 70 万公顷等。造林碳汇项目将有望在政策支持下获得批准CCER并从中参与碳市场获得额外收益。

生态修复重视程度加深,企业迎来新机遇。“十三五”期间,国家林业局生态湿地规划明确表明至2020年湿地面积不低于8亿亩,重点指出黄河流域生态保护,长江生态保护等国家级重点生态保护区域。据自然资源部,“十三五”期间,全国整治修复岸线1200公里、滨海湿地2.3万公顷;开展了包括云南抚仙湖在内的25个山水林田湖草生态保护修复工程试点;开展长江干流和主要支流两侧、京津冀周边和汾渭平原重点城市等重点区域历史遗留矿山生态修复,治理修复废弃矿点近9000个、面积达2.5万公顷,生态修复成效显著,生态环境得到很大改善。

近年来我国生态修复行业规模不断扩大,北极星环保网统计数据显示,2011年起中国生态修复行业市场规模持续增加,从2011年的1656亿元增长到2018年的3199亿元,除2018年外,生态修复行业市场规模增速持续加大,2012年增速仅为7.97%,到2017年增速已达到13.2%,2018年增速回落到6.88%。

2.3. 生物质能源储量丰富,利用模式多元化,开启可替代空间

生物质能源储量丰富,装机容量持续增长。生物质能源是唯一一种可以以气态、液态或者是固态使用的可再生能源,而且在全球呈现普遍性、能源价值高、可获取性强等特性。生物质主要包括木质素、农林废弃物、畜禽粪便、生活垃圾等。

生物质能综合利用模式非常多元可实现:发电、供热、制气、制油、制生物质碳,工业文明所需的所有能源商品,生物质能均可提供。生物质能多元化产业都取得了长足发展,尤其是以热电联产为主要供能模式的生物质发电,已经形成了非常完整且成熟的产业链。在煤电被逐步去产能的今天,由于煤改气、煤改电陷入成本瓶颈,而风电和光伏不能实现稳定供能,生物质能发电正成为工业生产用能最佳替代角色。生物质能发电即指利用生物质发电,目前的发电方式主要包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、生物质与煤混合发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等等。根据2018年美国能源资料协会对全球生物质能产量与消费量的预测结果,2020年全球生物质能产量将达到4.38万亿英热单位,相当于约12.8亿千瓦时。发展生物质能发电已成为国际共识,2008至2017年间,全球生物质能装机容量从53.59GW增长至109.21GW,年复合增长率8.23%。

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根据国际能源署发布的《2020年可再生能源报告》,2019年全球生物质发电产能增加了8.5GW,中国在2019年全球新增的生物质发电装机容量中占了60%,其中大部分来自垃圾焚烧发电项目。全球第二大市场日本的规模仅为中国市场的十分之一。在工业方面,国际能源署表示,2019年生物能源占可再生热消耗的近90%。

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生物质能发电是生物质能的主要利用形式,近年来,为推动生物质能发电,国家式发布了一系列生物质能利用政策,包括《生物质能发展“十三五”规划》、《全国林业生物质能发展规划(2011-2020年)》等,并通过财政直接补贴的形式加快其发展。数据显示,2019年国家可再生能源电价补贴资金预算安排情况,生物质能发电补贴预算达42亿元;2020年可再生能源电价附加收入安排的支出中,生物质能发电补助为53.41亿元。

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我国以生物质直燃发电为主,垃圾焚烧和农林生物质发电占主导。常见的生物质发电技术有直燃发电、甲醇发电、生物质燃气发电技术等,目前我国的生物质发电以直燃发电为主,技术起步较晚但发展非常迅速,主要包括农林生物质发电,垃圾焚烧发电和沼气发电。

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我国生物质资源总量丰富,规模化欠缺限制当前发展。根据田宜水等《我国生物质经济发展战略研究》,我国作为农业大国,生物质资源丰富,每年可产生农业生物质资源约35.39亿吨,林业生物质资源约1.95亿吨,城市生物质资源约2.45亿吨,总计39.79亿吨。其中可能源化利用部分达3.26亿吨,占比约8.2%。我国广大农村地区和林区是开发生物质能发电的重点地区,但由于我国农业生产以家庭承包为主,秸秆等农林废弃物分散,储运困难且成本高,较难实现规模化,这是当前国内在生物质能发电发展中面临的主要问题之一。生物质能源不但可再生,而且可实现人工种植能源。革新了工业革命以来的人类能源获取方式,让能源从采掘时代,进入到种植时代。

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2.4. CCUS作为新兴技术引起重视,将成可持续发展重要手段

2.4.1. CCUS将成为可持续发展重要途径

二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是指将二氧化碳从排放源中分离后或直接加以利用或封存,以实现二氧化碳减排的工业过程。作为一项有望实现化石能源大规模低碳利用的新兴技术,CCUS是未来减少二氧化碳排放、保障能源安全和实现可持续发展的重要手段。

IEA(国际能源署)在《通过CCUS 改造工业》(Transforming Industry through CCUS)(2019年)提出,在清洁技术情景(与《巴黎协定》路径一致)下,2060 年工业部门的 CCUS 累计量将达到280 亿吨,能源加工和转换部门CCUS 累计量为 310 亿吨,电力部门 CCUS 累计量为 560 亿吨。CCUS 将实现 38% 的化工行业减排,15%的水泥和钢业行业减排。

国际上很多政府、组织、企业等积极推动 CCUS 在全球的发展与布局,为 CCUS 发展提供了强有力的政策支持。当前,控制 CO2排放有若干途径,根据IEA数据,预计到 2050年,CCS将贡献约14%的 CO2减排量。

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2.4.2. CCUS发展现状

CCUS项目建设加快步伐,模式仍待成熟。近十余年来,CCUS 技术的进步主要体现在从捕集到利用再到封存各个产业链条的新技术不断涌现,技术种类亦不断增多并日趋完善。CCUS整个过程可以分为三步:碳捕集、运输、利用与储存。

CCUS的全球发展和部署继续加快步伐。根据Global CCS Institute, 2019年大型CCUS项目数量增加到51个,其中19个项目已经运行,4个项目在建,其他28个项目还处于设计或开发阶段。过去的十年,全球CCUS运营的数量在不断增加,但是在2010年至2017年期间在建项目却有所减少。自2017年以来,CCUS行业一直保持增长势头。2019年全球CO2捕集和封存量已经接近100Mtpa。

2.4.3. 我国CCUS发展及机遇

根据中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019),国内共开展了9个纯捕集示范项目、12 个地质利用与封存项目,其中包含 10 个全流程示范项目。除此之外,国内还开展了数十个化工、生物利用项目。2019年我国共有18个捕集项目在运行,二氧化碳捕集量约170万吨;12个地质利用项目运行中,地质利用量约100万吨;化工利用量约25万吨、生物利用量约6万吨。

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我国二氧化碳捕集示范项目:主要分布在华东、华北地区。项目类型包括燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧捕集。我国二氧化碳捕集主要在煤化工行业开展,其次为火电行业、天然气厂以及甲醇、水泥、化肥等工厂。烟气浓度的高低常常与成本息息相关。

我国地质利用和封存项目:提高石油采收率为主,主要围绕几个油气盆地开展,包括东北松辽盆地、华北渤海湾盆地、西北鄂尔多斯(17.940, -1.24, -6.47%)盆地和准噶尔盆地。项目类型主要包括二氧化碳驱提高石油采收率(CO2-EOR)、二氧化碳驱替煤层气(CO2-ECBM)和咸水层封存三种。

驱替煤层气项目目前处于先导试验阶段,由中联煤在沁水-临汾盆地的柳林和柿庄开展。二氧化碳铀矿地浸开采技术已成熟,中国核工业集团在通辽进行了工业应用。二氧化碳驱提高石油采收率项目在国内三大石油公司中石化、中石油以及延长石油的油田开展,包括中石化胜利油田、中原油田以及中石油大庆、吉林、新疆油田和长庆油田。

化工利用与生物利用项目:越来越多的技术被纳入 CCUS 体系中,包括化工利用、生物利用、物理利用等。化工利用的产品包括材料、燃料、化学品等;生物利用的产品包括燃料、化学品、食品、饲料、肥料等。整体上,化工利用和生物利用的二氧化碳利用量较少。

成本:在CCUS捕集、输送、利用与封存环节中,捕集是能耗和成本最高的环节。二氧化碳排放源可以划分为两类:一类是高浓度源(如煤化工、炼化厂、天然气净化厂等),另一类是低浓度源(如燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂等)。高浓度源的捕集成本大大低于低浓度源。

根据中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)报告(2019),我国当前的低浓度二氧化碳捕集成本为300-900元/吨;罐车运输成本约为 0.9-1.4元/吨·公里;驱油封存技术因技术水平、油藏条件、气源来源、源汇距离等不同,成本差异较大,全流程成本在120-800元之间,驱油封存项目实现封存二氧化碳的同时提高石油采收率,额外采出的原油,可以对CCUS项目提供一定的经济回报,具体回报率与油价相关;咸水层封存全流程的成本约为 249元/吨。

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整体来说国内CCUS技术发展仍处于起步阶段,因此整体的碳捕集成本也还处于较高水平。目前国内已开展的 CCUS 项目中大多数都为企业自发投资建设。

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综合来看,CCUS的发展离不开资金的支持,由于其技术的不确定性,而且目前缺乏政策指引和激励机制,缺乏有效的跨企业协调合作等问题,导致CCUS目前面临较强的商业模式的制约。但未来随着碳中和的推动,以及国家科学技术部、国家发展和改革委员会及地方政府多次呼吁企业、研究机构和高校积极开展CCUS,国家激励政策的进一步完善、碳市场的成熟等,都将有利于CCUS的产业发展。

 

 



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