探索清洁能源路径:二氧化碳储存的角色

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执行摘要

碳捕获,储存和使用在实现气候目标方面发挥着关键作用

碳捕集,利用和储存(CCUS)技术为在关键工业过程中实现深度二氧化碳(CO2)减少以及在电力部门中使用化石燃料提供了重要机会。 CCUS还可以实施新的清洁能源途径,包括低碳氢气生产,同时为许多二氧化碳去除(CDR)技术提供基础。

在清洁技术情景(CTS)中,到2060年,CCUS部署的二氧化碳排放量为115亿吨(GtCO2),捕获的CO293%被永久储存。在清洁技术方案中,CCUS的部署水平需要从目前的水平迅速增加<目前18个大型项目捕获约3300万吨二氧化碳/年>。

显然,化石燃料消耗之间的转换不是气候变化的长期答案,但在特定国家,行业和时间框架中使用低排放燃料可以使二氧化碳和空气质量受益。煤炭和天然气的碳捕获,利用和储存技术的部署是未来的另一个关键变量。

限制二氧化碳储存的可用性将增加能量转换的成本和复杂性。二氧化碳封存是CCUS机遇的重要组成部分。为了更好地理解CCUS作为气候减缓技术组合的一部分的价值,作为清洁技术方案的变量 - 到2060年将二氧化碳储存可用性限制在10Gt CO2 - 可变CO2储存方案(LCS)。这增加了成本和复杂性。实现与CTS相同的减排,特别是对于水泥生产等关键工业部门。 LCS的电力,燃料转换和工业部门的额外投资需求为13.7万亿美元,比实现CTS(4万亿美元)所需的额外投资高出40%,而基准则需要高参考技术解决方案(RTS)。 )。由于依赖更昂贵和新技术,限制二氧化碳储存的可用性,工业部门相对于CTS的边际减排成本将在2060年翻一番,从每吨二氧化碳250美元(tCO2)增加到500美元。选项。在电力部门,2060年的边际减排成本将从250美元/吨二氧化碳增加到450美元/吨二氧化碳。

整个能源系统都会感受到这种影响

直接依赖CCUS的部门边际减排的高成本将导致整个能源系统的减缓活动发生变化。在LCS中,与CTS相比,燃料转换部门的累计二氧化碳排放量增加了55%(17Gt CO2),工业部门增加了2%(4.8GtCO2),电力部门增加了2%(5.7GtCO2)。与CTS相比,这将需要更多的努力来减少建筑和运输部门的排放,分别降低15%和6%。在建筑领域,这些努力将包括进一步加速逐步淘汰化石加热技术。积极部署非常有效的技术(LED,热泵和空调)需要立即启动,并且比CTS更快地扩展。在交通运输部门,需要改变行为并推动将铁路活动增加8%的政策。 2060年,与CTS相比,公共汽车活动(行驶公里数)增加了16%,同时增加了电气化并减少了小型和轻型小型车辆的活动。 2060年,货运卡车活动也将减少9%。到2060年全球二氧化碳排放量,按情景和累积排放量(按部门和情景分类)

限制二氧化碳封存将推动新的电力需求

即使采取强有力的措施,LCS的电力部门也需要大量的新投资。与CTS相比,2060年的发电量将增加6130 TWh(增长13%)。这将需要额外的3,325千兆瓦(GW)的装机容量,接近2017年全球装机容量的一半。几乎所有新装机容量将是风能和太阳能光伏(PV),LCS的装机容量将增加到2060年增加了25%。这些技术迅速而广泛地扩展,可能对某些地区的土地使用,许可和基础设施发展产生影响。例如,与CTS相比,需要向LCS添加大约173,000个陆上风力涡轮机(假设平均大小为5兆瓦)。如果国内可再生能源的产能有限,进口氢基燃料可能是一种可行的替代方案。 LCS的大部分电力需求增长将受到工业和燃料转换部门的推动,特别是由于对电解氢的依赖程度较高。到2060年,LCS产生的全球约9%的电力将用于生产合成碳氢燃料,并由专用的离网可再生能源发电支持。这将需要大规模扩大氢气生产和扩大相关的氢运输基础设施,或进一步转化合成烃燃料或氨。 LCS情景中的全球最终能源需求变化相对于CTS情景(2060)

限制二氧化碳储存的可用性意味着与CTS相比,LCS中的二氧化碳捕获发电几乎会消失。在CTS情景中,涉及CCUS的煤,天然气和生物质设施的装机容量在2060年约为615 GW。在LCS,燃煤电厂将分阶段实施CCUS,从2025年到2040年的平均装机容量为60GW,CTS的平均装机容量为45GW。提前退休将导致2017年至2060年间收入损失约1.8万亿美元。燃料的LCS和CTS情景全球装机容量变化

行业需要重大技术变革

在LCS,钢铁和化学工业的生产将大大转向非化石燃料路线和更新的技术选择。到2060年,25%的钢水,约5%的氨和25%的甲醇将依赖于电解氢。就钢铁而言,虽然这个过程尚未进行大规模测试,但计划进行试点。三分之二的水泥生产排放是工艺排放,由于缺乏竞争性的CCUS替代品,该部门将吸收LCS中几乎一半的二氧化碳存储容量。与CTS相比,到2060年,该行业的二氧化碳储存量将减少约15%(0.7GtCO2),水泥行业将增加排放量(水泥排放量将增加1%)。

合成烃燃料将取得突破

CCUS是燃料转换行业的低成本减排选择,占CTS行业减排量的近一半。这包括通过部署具有碳捕获和储存的生物能源,支持该行业到2060年成为净碳负值。由于二氧化碳储存有限,基于生物二氧化碳的合成碳氢化合物燃料将被用作更大规模的BECCS的替代品。在LCS,这些燃料需要大约4,700 TWh的电力,取代全球石油初级石油需求的9%和天然气需求的2%。

实现净零排放将更具挑战性

限制二氧化碳储存的可用性将增加水泥生产等关键部门直接减排的挑战,同时限制使用CDR或“负排放”技术。在碳中性和能源系统中,这些技术需要补偿难以直接减少的残余排放。在许多方面将未来温度限制在1.5摄氏度,全球排放将在本世纪下半叶变为净负值,这取决于CDR技术和二氧化碳封存的部署。因此,对2060年以后二氧化碳储存的持续限制不太可能满足长期气候目标。

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执行摘要

碳捕获,储存和利用在实现气候目标方面发挥着关键作用

碳捕获,利用和储存(CCUS)技术为在关键工业过程中以及在电力部门中使用化石燃料实现深度二氧化碳(CO2)减少提供了重要机会。 CCUS还可以实现新的清洁能源方法,包括低碳氢生产,同时为许多二氧化碳去除(CDR)技术提供基础。

在清洁技术情景(CTS)中,CCUS到2060年部署了115亿吨二氧化碳(GtCO2),并且93%的捕获二氧化碳被永久储存。在清洁技术方案中,CCUS的部署水平需要从目前的水平迅速增加<目前由18个大型项目捕获的每年约3300万吨二氧化碳]。

显然,在增加的化石燃料消耗和不减少的化石燃料消耗之间的转换本身并不能为气候变化提供长期的答案,但在特定的国家,部门和时间框架内,使用密集度较低的燃料可能会受益于二氧化碳和空气质量。煤炭和天然气的碳捕获,利用和储存技术的部署是未来的另一个关键变量。

限制二氧化碳储存的可用性将增加能量转换的成本和复杂性。二氧化碳封存是CCUS机遇的重要组成部分。为了更好地理解CCUS作为气候减缓技术组合的一部分的价值,作为清洁技术方案的变量 - 到2060年将二氧化碳储存可用性限制在10Gt CO2 - 可变CO2储存方案(LCS)。这增加了成本和复杂性。实现与CTS相同的减排,特别是对于水泥生产等关键工业部门。 LCS的电力,燃料转换和工业部门的额外投资需求为13.7万亿美元,比实现CTS(4万亿美元)所需的额外投资高出40%,而基准则需要高参考技术解决方案(RTS)。 )。由于依赖更昂贵和新技术,限制二氧化碳储存的可用性,工业部门相对于CTS的边际减排成本将在2060年翻一番,从每吨二氧化碳250美元(tCO2)增加到500美元。选项。在电力部门,2060年的边际减排成本将从250美元/吨二氧化碳增加到450美元/吨二氧化碳。

整个能源系统都会感受到这种影响

直接依赖CCUS的部门边际减排的高成本将导致整个能源系统的减缓活动发生变化。在LCS中,与CTS相比,燃料转换部门的累计二氧化碳排放量增加了55%(17Gt CO2),工业部门增加了2%(4.8GtCO2),电力部门增加了2%(5.7GtCO2)。与CTS相比,这将需要更多的努力来减少建筑和运输部门的排放,分别降低15%和6%。在建筑领域,这些努力将包括进一步加速逐步淘汰化石加热技术。积极部署非常有效的技术(LED,热泵和空调)需要立即启动,并且比CTS更快地扩展。在交通运输部门,需要改变行为并推动将铁路活动增加8%的政策。 2060年,与CTS相比,公共汽车活动(行驶公里数)增加了16%,同时增加了电气化并减少了小型和轻型小型车辆的活动。 2060年,货运卡车活动也将减少9%。到2060年全球二氧化碳排放量,按情景和累积排放量(按部门和情景分类)

限制二氧化碳封存将推动新的电力需求

即使采取强有力的措施,LCS的电力部门也需要大量的新投资。与CTS相比,2060年的发电量将增加6130 TWh(增长13%)。这将需要额外的3,325千兆瓦(GW)的装机容量,接近2017年全球装机容量的一半。几乎所有新装机容量将是风能和太阳能光伏(PV),LCS的装机容量将增加到2060年增加了25%。这些技术迅速而广泛地扩展,可能对某些地区的土地使用,许可和基础设施发展产生影响。例如,与CTS相比,需要向LCS添加大约173,000个陆上风力涡轮机(假设平均大小为5兆瓦)。如果国内可再生能源的产能有限,进口氢基燃料可能是一种可行的替代方案。 LCS的大部分电力需求增长将受到工业和燃料转换部门的推动,特别是由于对电解氢的依赖程度较高。到2060年,LCS产生的全球约9%的电力将用于生产合成碳氢燃料,并由专用的离网可再生能源发电支持。这将需要大规模扩大氢气生产和扩大相关的氢运输基础设施,或进一步转化合成烃燃料或氨。 LCS情景中的全球最终能源需求变化相对于CTS情景(2060)

限制二氧化碳储存的可用性意味着与CTS相比,LCS中的二氧化碳捕获发电几乎会消失。在CTS情景中,涉及CCUS的煤,天然气和生物质设施的装机容量在2060年约为615 GW。在LCS,燃煤电厂将分阶段实施CCUS,从2025年到2040年的平均装机容量为60GW,CTS的平均装机容量为45GW。提前退休将导致2017年至2060年间收入损失约1.8万亿美元。燃料的LCS和CTS情景全球装机容量变化

行业需要重大技术变革

在LCS,钢铁和化学工业的生产将大大转向非化石燃料路线和更新的技术选择。到2060年,25%的钢水,约5%的氨和25%的甲醇将依赖于电解氢。就钢铁而言,虽然这个过程尚未进行大规模测试,但计划进行试点。三分之二的水泥生产排放是工艺排放,由于缺乏竞争性的CCUS替代品,该部门将吸收LCS中几乎一半的二氧化碳存储容量。与CTS相比,到2060年,该行业的二氧化碳储存量将减少约15%(0.7GtCO2),水泥行业将增加排放量(水泥排放量将增加1%)。

合成烃燃料将取得突破

CCUS是燃料转换行业的低成本减排选择,占CTS行业减排量的近一半。这包括通过部署具有碳捕获和储存的生物能源,支持该行业到2060年成为净碳负值。由于二氧化碳储存有限,基于生物二氧化碳的合成碳氢化合物燃料将被用作更大规模的BECCS的替代品。在LCS,这些燃料需要大约4,700 TWh的电力,取代全球石油初级石油需求的9%和天然气需求的2%。

实现净零排放将更具挑战性

限制二氧化碳储存的可用性将增加直接减少水泥生产等关键部门的挑战,同时限制使用CDR或“负排放”技术。在碳中性能源系统中,这些技术需要补偿难以直接减少的剩余排放。在许多方面将未来的温度限制在1.5°C,全球排放量在本世纪下半叶变为净负值,这取决于CDR技术和二氧化碳封存的大量部署。因此,2060年后继续限制二氧化碳储存不太可能满足长期气候目标。

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