CCUS碳捕集、封存和再利用技術(shù)發(fā)展的四大挑戰(zhàn)

文章來(lái)源:中國(guó)石油石化陸曉如2022-08-08 10:17

“雙碳”背景下，CCUS作為一種大規(guī)模的溫室氣體減排技術(shù)被寄予了厚望。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)指出，如果沒有CCUS，幾乎所有氣候模式都不能實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)，且全球碳減排成本將會(huì)成倍增加。包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家以及眾多企業(yè)，已經(jīng)將CCUS定位為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，著重布局，著力發(fā)展。

CCUS大發(fā)展的機(jī)遇就在眼前。但是，現(xiàn)在還不得不潑一盆冷水。

澳大利亞Gorgon項(xiàng)目，最初計(jì)劃每年捕獲并向地下注入400萬(wàn)噸CO2。盡管其擁有雪佛龍、埃克森美孚、殼牌等強(qiáng)大的股東背景，項(xiàng)目2016年開始運(yùn)營(yíng)至今仍未能實(shí)現(xiàn)埋存目標(biāo)，表現(xiàn)比目標(biāo)低了約50%。

1技術(shù)挑戰(zhàn)

Gorgon項(xiàng)目包括液化天然氣工廠和CCS設(shè)施。耗資31億美元的Gorgon工廠于2016年3月生產(chǎn)出了第一批LNG，但其CCS設(shè)施到2019年8月才開始首次運(yùn)行，比計(jì)劃晚了三年半。

究其原因是2017年末檢查發(fā)現(xiàn)，其液化天然氣廠和注水井之間的管道中存在過量水，造成了閥門和管道發(fā)生泄漏腐蝕。

事實(shí)上，Gorgon項(xiàng)目暴露的技術(shù)問題遠(yuǎn)不止于此。例如，沙子堵塞了地下的注氣井，損害了壓力管理系統(tǒng)。雪佛龍澳大利亞公司運(yùn)營(yíng)總監(jiān)Kory Judd說(shuō)：“我們還有很多路要走，才能實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的注入系統(tǒng)的承諾。”

在我國(guó)，技術(shù)上的挑戰(zhàn)同樣嚴(yán)峻。

長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)研究院提高采收率研究所副所長(zhǎng)范偉直言，相較于一些兄弟企業(yè)，長(zhǎng)慶油田開展CCUS較晚，很多技術(shù)上的“雷點(diǎn)”已經(jīng)被蹚過了。

吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，前期做了充足的準(zhǔn)備，長(zhǎng)慶油田在CCUS先導(dǎo)試驗(yàn)中避免了很多問題，實(shí)施過程較為順利。但隨著CO2的持續(xù)注入，其依然爆出了一些“雷點(diǎn)”，比如管道腐蝕。

“二氧化碳是酸性氣體，腐蝕性比較強(qiáng)。雖然驅(qū)油效果好，但腐蝕問題一直是國(guó)際國(guó)內(nèi)的一大困擾。”范偉說(shuō)。

長(zhǎng)慶油田CCUS的注采系統(tǒng)利用的是過去建的水驅(qū)系統(tǒng)。利用之前進(jìn)行過詳細(xì)排查，對(duì)井筒完整性做過評(píng)估，對(duì)注采系統(tǒng)管線進(jìn)行過防腐處理……預(yù)防了所有能預(yù)見的問題，但注氣兩年后，個(gè)別井還是出現(xiàn)了腐蝕問題。

“除了腐蝕外，今后要解決的重點(diǎn)難題還有氣竄。因?yàn)槎鯛柖嗨古璧氐蜐B透油藏的混相條件比較好，我們現(xiàn)在沒有發(fā)生氣竄，但國(guó)外一些油田氣竄問題出現(xiàn)得比較多。發(fā)生氣竄，對(duì)采出系統(tǒng)影響比較大。”范偉說(shuō)。

隨著我國(guó)CO2驅(qū)油的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，應(yīng)用對(duì)象已從低滲透油藏拓展到特高含水油藏、復(fù)雜斷塊油藏等。長(zhǎng)期有效安全CO2封存場(chǎng)地選擇難度大、CO2安全監(jiān)測(cè)技術(shù)不成熟等方面的挑戰(zhàn)日益凸顯。

面臨挑戰(zhàn)的，遠(yuǎn)不止單是驅(qū)油利用技術(shù)。

在捕集技術(shù)上，比較成熟的化學(xué)吸收法存在能耗高、成本高的問題；在輸送技術(shù)上，長(zhǎng)距離CO2管道運(yùn)輸?shù)暮诵募夹g(shù)還有待突破；在封存技術(shù)上，國(guó)外已開展了大量的咸水層封存示范，我國(guó)僅開展了10萬(wàn)噸級(jí)咸水層封存示范……

“整體來(lái)看，我國(guó)CCUS基礎(chǔ)研究工作較為薄弱，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于研發(fā)和小規(guī)模示范階段，缺乏大規(guī)模的工業(yè)化示范和應(yīng)用，存在捕集能耗高成本高、缺乏運(yùn)輸管網(wǎng)、二氧化碳資源利用轉(zhuǎn)化效率低等問題。這些都有待技術(shù)創(chuàng)新去解決。”中國(guó)石化集團(tuán)公司高級(jí)專家陳軍指出。

2成本之困

技術(shù)挑戰(zhàn)，帶來(lái)的是成本的激增。

為解決管道腐蝕問題，長(zhǎng)慶油田需要投入治理費(fèi)用。新區(qū)CCUS建設(shè)注入、產(chǎn)出系統(tǒng)使用防腐管材，次的也要用內(nèi)防腐涂層管材。其比普通管材的價(jià)格高幾十倍，導(dǎo)致項(xiàng)目成本陡升。

“目前長(zhǎng)慶油田的注入規(guī)模比較小，但隨著規(guī)模的擴(kuò)大，僅因此產(chǎn)生的成本就將是相當(dāng)大的壓力。”范偉說(shuō)。

可以說(shuō)，在CCUS實(shí)際操作的全流程中，運(yùn)行成本的困擾縈繞在各個(gè)環(huán)節(jié)。

捕集端，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，火電安裝碳捕集裝置導(dǎo)致成本增加0.26~0.4元/kWh。在石化和化工行業(yè)中，CCUS運(yùn)行成本主要來(lái)自捕集和壓縮環(huán)節(jié)。采用CCS和CCU工藝，煤氣化成本分別增加10%和38%。“尤其是低濃度煙氣CO2捕集成本居高不下，制約了碳利用封存工作的開展。”陳軍指出。

在延長(zhǎng)石油CCUS綜合項(xiàng)目中，其CO2來(lái)自煤制氣中的預(yù)燃燒過程，具有較高的純度和濃度，成本得以下降?！吨袊?guó)二氧化碳捕集利用與封存年度報(bào)告（2021）》的數(shù)據(jù)顯示，相較于其他CCUS項(xiàng)目，延長(zhǎng)石油CCUS綜合項(xiàng)目的捕集和運(yùn)行成本下降了約26.4%，僅為26.5美元/噸CO2。

輸送端，目前我國(guó)主要是用槽車運(yùn)輸液態(tài)CO2。運(yùn)輸成本高，噸公里運(yùn)費(fèi)1元甚至更高。而運(yùn)輸過程需要消耗燃料，產(chǎn)生碳排放，并不環(huán)保。同時(shí)，公路運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性、安全性受到氣候等多種因素的影響。

固定成本，比如設(shè)備安裝、占地投資等，同樣也是一筆巨額支出。

寶鋼（湛江）工廠啟動(dòng)的一個(gè)CCUS項(xiàng)目，CO2年捕集能力為50萬(wàn)噸。封存場(chǎng)地在北部灣盆地，距離工廠100公里以內(nèi)，需要投資5200萬(wàn)美元。寶鋼（湛江）工廠進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)評(píng)估顯示，綜合固定成本和運(yùn)行成本，總減排成本達(dá)65美元/噸CO2。

有研究測(cè)算，不包括運(yùn)輸和封存成本，國(guó)外捕集CO2的成本約為11~57美元/噸，而我國(guó)當(dāng)前的低濃度CO2捕集成本為300~900元/噸。

另有一類成本，也應(yīng)當(dāng)注意——環(huán)境成本。

CO2在捕集、運(yùn)輸、利用與封存等環(huán)節(jié)都可能發(fā)生泄漏，容易給附近的生態(tài)環(huán)境、人身安全等造成一定的影響。與此同時(shí)，大部分CCUS項(xiàng)目有額外增加能耗的特點(diǎn)。增加能耗就必然帶來(lái)污染物的排放問題，例如前述的槽車運(yùn)輸。

目前，這種額外增加的能耗主要集中在捕集階段，對(duì)成本以及環(huán)境的影響十分顯著。基于醇胺吸收劑的化學(xué)吸收法在商業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用中存在明顯限制，最主要的原因之一就是運(yùn)行能耗過高，達(dá)到了4.0~6.0MJ/kg CO2。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)的研究報(bào)告認(rèn)為，只有當(dāng)捕集和封存CO2的總成本降到25~30美元/噸時(shí)，CCUS才可能大規(guī)模推廣。我國(guó)現(xiàn)在離這個(gè)目標(biāo)，目前無(wú)疑還很遙遠(yuǎn)。

3尷尬的經(jīng)濟(jì)性

研究顯示，要實(shí)現(xiàn)將全球變暖控制在2℃以內(nèi)，到2050年需要將CO2的封存能力從4000萬(wàn)噸/年增加到5.6億噸/年以上。這將需要6550億~12800億美元的投資。

如此巨額的投資，能獲得怎樣的經(jīng)濟(jì)回報(bào)呢？

從目前來(lái)看，答案還是一個(gè)大大的問號(hào)。“CCUS項(xiàng)目最大的痛點(diǎn)、難點(diǎn)，就在于經(jīng)濟(jì)性。”中國(guó)石油大學(xué)（北京）碳捕集利用與封存研究中心執(zhí)行主任彭勃教授認(rèn)為。

美國(guó)NRG能源公司和日本JX能源公司聯(lián)合投資的Petra Nova項(xiàng)目，投資總金額超過10億美元。該項(xiàng)目對(duì)煤電廠的煙氣流進(jìn)行CO2回收，然后注入附近油田用于三次采油。

2017年1月開始運(yùn)營(yíng)至2020年1月，該項(xiàng)目已經(jīng)累計(jì)捕集近400萬(wàn)噸CO2，通過三次采油實(shí)現(xiàn)原油增產(chǎn)超過420萬(wàn)桶。盡管捕集和利用效果很好，但項(xiàng)目成本很高。其每噸CO2的捕集成本為40~80美元，輸送CO2和向地下注入還會(huì)產(chǎn)生巨額的開支。

該項(xiàng)目90%的收入來(lái)源為三次采油，因此油價(jià)直接影響了項(xiàng)目的收入水平。2017—2020年，國(guó)際油價(jià)整體處于低位，致使NRG能源公司僅在2019年就發(fā)生了約1.01億美元的項(xiàng)目資產(chǎn)減值損失。2020年5月，受新冠肺炎疫情和油價(jià)暴跌的雙重打擊，Petra Nova項(xiàng)目被迫停止運(yùn)營(yíng)。

事實(shí)上，2010—2017年間，美國(guó)能源部高級(jí)化石能源研究計(jì)劃資助了包括Petra Nova項(xiàng)目在內(nèi)的9個(gè)CCUS示范項(xiàng)目，總計(jì)花費(fèi)約11.2億美元。而Petra Nova是唯一的運(yùn)營(yíng)到了2020年的項(xiàng)目，其他項(xiàng)目早已流產(chǎn)。對(duì)美國(guó)未來(lái)的CCUS項(xiàng)目，有關(guān)人士也認(rèn)為沒有希望，原因就在于項(xiàng)目看起來(lái)沒有經(jīng)濟(jì)可行性。

在澳大利亞Gorgon項(xiàng)目，雪佛龍面臨著更加尷尬的處境。

由于未能實(shí)現(xiàn)承諾的埋存目標(biāo)，雪佛龍被迫購(gòu)買碳配額。今年1月，當(dāng)雪佛龍購(gòu)買碳補(bǔ)償時(shí)，澳大利亞碳信用單位飆升至每噸57澳元的高點(diǎn)。按照這樣的價(jià)格，雪佛龍所要支付的補(bǔ)償費(fèi)用將超過2.5億澳元。

經(jīng)濟(jì)性是任何項(xiàng)目可持續(xù)運(yùn)行的保證。但恰恰是經(jīng)濟(jì)性的不明確，給CCUS項(xiàng)目帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

“就我國(guó)的情況來(lái)看，目前CCUS示范項(xiàng)目整體規(guī)模較小、成本較高，還談不上經(jīng)濟(jì)效益，更多的是出于探索研究、試驗(yàn)示范的目的。但未來(lái)要進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，要工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，沒有經(jīng)濟(jì)性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。”彭勃指出。

之所以石油企業(yè)成為我國(guó)CCUS項(xiàng)目的主力軍，很重要的原因是CO2驅(qū)油提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。因?yàn)樗梢酝ㄟ^采出的石油獲得直接的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)EOR示范項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)0.1~0.4噸石油/噸CO2的換油率。這在當(dāng)前的高油價(jià)水平下，可以實(shí)現(xiàn)正向投資回報(bào)。

但即便如此，目前CO2驅(qū)油的應(yīng)用規(guī)模還是相當(dāng)有限的。最直接的原因就是，目前水驅(qū)的成本更低、效益更好。一組最簡(jiǎn)單不過的數(shù)字對(duì)比就能說(shuō)明問題：商業(yè)用水6.15元/噸，而我國(guó)當(dāng)前僅低濃度CO2捕集的成本就達(dá)到了300~900元/噸。

“在‘雙碳’目標(biāo)和高油價(jià)下，石油企業(yè)推進(jìn)CCUS有一定的動(dòng)力。但是，如果相關(guān)成本沒有大規(guī)模下降，或者無(wú)法從碳市場(chǎng)獲得回報(bào)，CCUS項(xiàng)目欠缺商業(yè)模式，缺乏穩(wěn)定的收入來(lái)源，企業(yè)就會(huì)缺乏長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的動(dòng)力。從可持續(xù)發(fā)展來(lái)講，CCUS效益如何體現(xiàn)，不得不考慮。”彭勃說(shuō)。

4產(chǎn)業(yè)化的阻礙

目前，我國(guó)的CCUS整體處于建設(shè)示范項(xiàng)目階段。走向商業(yè)化、規(guī)?；\(yùn)行，是行業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展的必經(jīng)之路。但是，現(xiàn)在我國(guó)CCUS的商業(yè)模式尚未成熟，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨著多重阻礙。

全流程CCUS項(xiàng)目涉及電力、煤化工、鋼鐵、油氣等多個(gè)行業(yè)的不同企業(yè)。項(xiàng)目的實(shí)施，普遍面臨成本分?jǐn)?、收益分享、?zé)任分擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)等難題。

“例如，CCUS項(xiàng)目投資偏高，但目前不同行業(yè)之間的成本分?jǐn)傄?guī)則并不明確。各個(gè)行業(yè)都有減排的需要，但通過CCUS項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的二氧化碳減排量認(rèn)定和歸屬不明確。”彭勃說(shuō)。

除了需要進(jìn)一步梳理與明確項(xiàng)目開發(fā)過程中的責(zé)任、權(quán)利與義務(wù)外，CCUS產(chǎn)業(yè)鏈條中的各環(huán)節(jié)還需要建立有效的協(xié)調(diào)機(jī)制或行業(yè)規(guī)范以及長(zhǎng)期公平的合作模式，有效解決氣源供給、管網(wǎng)輸送、地企關(guān)系等難題，從而實(shí)現(xiàn)CCUS項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的良好對(duì)接。

齊魯石化—勝利油田CCUS項(xiàng)目，似乎給出了可行的解決方案。

該項(xiàng)目由齊魯石化二氧化碳捕集、勝利油田二氧化碳驅(qū)油與封存兩部分組成。齊魯石化捕集的二氧化碳采用綠色運(yùn)輸方式，送至勝利油田進(jìn)行驅(qū)油封存，從而實(shí)現(xiàn)了二氧化碳捕集、驅(qū)油與封存的一體化應(yīng)用。

齊魯石化、勝利油田同是中國(guó)石化旗下的子公司。該CCUS項(xiàng)目也是在中國(guó)石化集團(tuán)公司的整體安排部署下實(shí)施的，所以某種程度上雙方更容易破除碳源企業(yè)與碳匯企業(yè)之間的壁壘。其成本分?jǐn)偂⑹找娣窒?，以及?zé)任、風(fēng)險(xiǎn)的分擔(dān)問題等，有內(nèi)部的解決機(jī)制，因此能夠形成比較穩(wěn)定的流程上的上下游對(duì)應(yīng)關(guān)系。

而實(shí)際上，我國(guó)更多的碳源企業(yè)與碳匯企業(yè)并不屬于同一行業(yè)，更不屬于同一母公司。

“如果都是一個(gè)集團(tuán)內(nèi)的，項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)管理上就會(huì)相對(duì)暢通。但如果不是，碳源企業(yè)就會(huì)擔(dān)心捕集后的二氧化碳的出路，碳匯企業(yè)則擔(dān)心碳源供應(yīng)的穩(wěn)定可靠。雙方都會(huì)覺得不穩(wěn)定。”彭勃說(shuō)。

因此，我國(guó)急需建立市場(chǎng)機(jī)制，建立產(chǎn)業(yè)集群，讓不同的排放源、不同的封存區(qū)塊，形成宏觀的穩(wěn)定狀態(tài)。

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