宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

“双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年,CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势,而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据,能够建立高效CO_(2)输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地,能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显,面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题,调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力,构建了CCUS源汇匹配模型,在充分考虑源汇性质、捕集-输运-封存成本、CO_(2)运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上,应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法,结合ArcGIS平台和优化求解软件,获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案,并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明,截止2021年,宁夏工业碳排放源107个,碳排放总量2.26亿t/a,以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏,CO_(2)理论地质封存容量151.55亿t,以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好,在源汇直接相连的情况下,区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元,并以捕集成本为主,占比83.65%,单位减排成本402.32元/t,共需建设CO_(2)运输管道2 459 km;改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本,优化后CCUS单位减排成本降至381.76元/t,节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业,在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术,打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群,构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

基于碳排放核算的CCUS源汇匹配和部署研究

针对不同碳源捕集能耗、不同运输地貌和距离的压缩功耗,以及CO_(2)驱不同开发阶段能耗和泄漏的差异,以CCUS项目能耗和泄漏、散逸排放为约束条件,项目周期全流程净减排量最大为优化目标,建立碳减排量核算约束下符合油藏动态开发规律的CCUS源汇匹配方法,可为“双碳”目标下CCUS技术产业布局和项目实施提供决策依据。以中国石油在鄂尔多斯盆地的CCUS产业规划为例,综合考虑现有煤电、煤化工碳源运行和装置服役时限、CO_(2)捕集能耗预测、CO_(2)驱注入倍数与循环气量,以及盆地内煤基工业产业布局规划等限制因素,按2025年、2030年、2040年、2050年和2060年5个阶段完成鄂尔多斯盆地CCUS项目源汇匹配优化和阶段部署,匹配的CCUS/CCS项目群在2025—2060期间累计注入CO_(2)约3.96×10^(8)t(含循环气0.48×10^(8)t),扣除各工艺能耗和泄漏排放后的CO_(2)净减排量可达2.54×10^(8)t,净减排效率约为72.9%。

多重不确定性条件下长三角地区多行业CCUS源汇匹配模型研究与应用

随着“双碳”目标的提出,长三角地区面临一定的减排压力。合理布局规划碳捕集利用与封存(CCUS)项目对保障长三角地区能源安全,平稳实现区域“双碳”目标具有重要意义。CCUS技术的发展面临诸多不确定性因素,对CCUS未来时空部署形成巨大挑战。然而,现有CCUS源汇匹配研究多采用混合整数线性规划等方法,未充分考虑排放源、技术和政策等因素变化对CCUS减排潜力、宏观布局及成本效益的影响,导致规划结果与实际情况相比可能存在一定的偏差,给CCUS大规模部署带来较大挑战。为解决复杂不确定条件下CCUS源汇匹配问题,通过模糊可能性、随机机会约束和区间线性规划等方法,构建基于区间模糊机会约束规划方法的CCUS源汇匹配模型,应用在中国长三角地区CCUS源汇匹配的实际问题中,探究风险管理和决策支持方案。研究发现:若考虑不确定性,长三角地区CCUS项目总成本将高于确定性模型的评估结果;在违约风险为40%的情况下,长三角CCUS项目源汇匹配总成本最低,平准化减排成本低于30美元/t的排放源占筛选出排放源总数的38.5%,累计厂级碳捕集潜力56.9亿t。因此,将多重不确定性纳入模型综合考虑,探究不确定性条件下的CCUS源汇匹配部署方案,在提高项目经济性、可行性等方面具有重要的实际意义。

新疆维吾尔自治区工业固定排放源二氧化碳源汇匹配研究

碳中和背景下,碳捕集利用与封存技术被认为是未来减碳方案的核心举措之一,有助于解决当前化石能源系统和工业部门大部分的减排问题。新疆维吾尔自治区作为我国西北地区重要的能源综合利用基地,拥有良好的CCUS产业发展基础。在此基础上,本文聚焦新疆维吾尔自治区工业固定二氧化碳排放源,采用混合整数规划模型进行源汇匹配路线研究;结合空间分析,利用GIS工具,揭示源汇分布关系及源汇匹配状况;最后采用节约里程算法对基础的理论方案进行线路里程优化,以确定最优运输线路。结果表明,在总规划期内(至2050年),实施CCUS项目的总成本预计约为20471亿元人民币,单位减排成本约为378元/吨CO_(2);进一步通过节约里程法优化源汇匹配方案,有效减少了约3488千米的线路里程,单位减排成本降低至约273元/吨CO_(2)。此外,本文还初步识别出8个潜在的CCUS集群发展区域,为后续自治区大规模部署CCUS技术及发展集群提供有益参考。

CO_(2)地质封存源汇匹配及安全性评价进展

CCUS是实现碳中和目标的重要技术手段,目前中国正处于“双碳”目标的落实阶段,在CO_(2)地质封存的经济界限评价、源汇优化和安全监测方面还缺乏成熟的技术体系。从封存技术经济界限、源汇匹配技术、封存安全性及监测3个方面总结了中国CO_(2)地质封存技术发展历程。回顾了CCUS技术在捕集、运输、注入封存阶段的经济成本,进一步总结了目前各阶段的技术经济界限及其影响因素。此外,通过总结国内外CCUS源汇匹配技术发展现状,明确了中国源汇特征及其分布,提出了进一步开展源汇匹配优化技术的发展方向。最后,通过总结CO_(2)地质封存安全风险评价及封存监测技术,明确了经济高效、有效、定量的监测方法是未来的研究重点。

苏北—南黄海盆地工业固定排放源CO_(2)地质封存源汇匹配研究

围绕“双碳”目标,各省根据自身地域与产业特点,陆续开展碳减排方案研究。作为最发达的省份之,江苏省巨大的经济产值伴随着大量的CO_(2)排放,如何处置这部分CO_(2)成为减排的关键。CCUS作为减少化石能源发电和工业过程中CO_(2)排放的关键技术以及实现碳中和的兜底技术,可大幅减少江苏省工业碳排放的同时,确保能源结构由煤炭为主体的化石能源消费向清洁能源过渡.

“双碳”目标下江苏地区CCUS源汇匹配研究

在调研江苏地区碳排放源规模、排放类型、封存场址、封存类型及封存规模基础上,通过剖析不同类型碳源的捕集成本、不同运输方式的安全性、成本及投资,从经济和安全的角度提出了如何选择合适的碳源汇匹配和管网布局,以实现总成本最小化,提高注CO_(2)驱油(CCUS-EOR)项目经济效益,对促进“双碳”事业的发展具有指导意义。

淮南煤田各类型地质体CCS源汇潜力评估及其匹配性

开展淮南煤田各类型地质体CCUS源汇潜力评估及其匹配性研究,对于CO_(2)–ECBM技术工程化推广意义深远。以淮南煤田各类型地质体(深部不可采煤层、残留煤体、采空区)为研究对象,首先,探讨了各类型地质体CO_(2)地质封存潜力评估方法;其次,分析了各类型地质体CO_(2)地质封存潜力;然后,基于成本最低目标函数及改进节约里程法,开展了CO_(2)地质封存源汇匹配研究,并优化了其管网设计;最后,基于3步走思路,提出了CCS源汇管网规划设计思路的系统建议。研究结果表明:燃煤电厂年平均CO_(2)排放量为0.588亿t,深部不可采煤层、残留煤体及采空区内CO_(2)地质封存总潜力分别为7.6200亿、0.0517亿、0.8246亿t,可分别封存CO_(2)12.97 a、0.088 a及1.40 a;10 a周期内,深部不可采煤层可封存CO_(2)5.876亿t,累计规划管道217.0960 km,需要资金373亿美元;1.45 a周期内,生产矿井及关闭矿井可封存CO_(2)0.852亿t,累计规划管道464.5161 km,需要资金73.6亿美元;基于改进节约里程法,CCS源汇匹配各地质封存汇点累计节约里程266.6127 km,累计节约成本11.21亿美元,分别占管道运输总里程、总成本的57.40%、79.95%;基于3步走思路,可分阶段、分区域实现淮南煤田各CO_(2)排放源及CO_(2)封存汇的全线贯通,可实现CO_(2)的全部运输及地质封存。

二氧化碳收集与封存的源汇匹配模型

大量的排放源与封存汇之间的匹配问题是二氧化碳收集与封存技术应用的关键问题之一。该文将该源汇匹配问题归结为一个具有多背包问题性质的组合最优化问题。在确定折现减排总成本最小化的目标下,通过引入虚拟汇,建立了CCS源汇匹配数学模型,并选择与贪婪算法相结合的混合遗传算法作为模型的优化算法。模型应用地理环境因素层次化、网格化与成本因子叠置化的处理方法,加强了对现实的模拟程度。通过二次开发,实现了基于地理信息系统(GIS)平台的CCS源汇匹配系统,并应用于河北省的源汇匹配情景模拟。

基于GAMS的CCUS源汇匹配动态规划模型

碳捕集、利用与封存(CCUS)系统中的CO2排放源(如火电厂)与封存地点(如废弃油田)之间需要通过管道运输环节连接。合理的源汇匹配能够建立高效管网,降低成本。作为大型基础设施,考虑到资金限制及经济最优化,CCUS管网需要分阶段进行建设。为了规划管网布局,分析其经济可行性,该文提出基于GAMS的源汇匹配动态规划模型。该模型采取预优化的方法,首先提供2种方案确定可行路径;再将源汇匹配问题简化为混合整数规划问题,由GAMS/Cplex进行建模求解。通过对京津冀地区做案例分析,发现该模型能够解决多阶段CCUS管网建设问题,确定各阶段CO2捕集与封存位置及相应量值、运输管道拓扑结构及各管径;与单阶段静态规划相比,多阶段动态规划所得管网具有更强的连通性。

基于油藏CO_2驱油潜力的CCUS源汇匹配方法

CO_2捕集、利用与埋存(CCUS)商业化的关键因素是通过工业CO_2排放源与油田间的源汇匹配,筛选出最具经济性的匹配方案。基于油藏驱油潜力和油田CO_2驱注气的阶段开发特点,以油田可承受CO_2极限成本为约束条件,CCUS商业化项目的总成本现值最小为优化目标,建立了工业CO_2排放源与具有效益开发潜力油藏的CCUS源汇匹配评价流程和相关指标计算方法。并以我国东部地区某油田及附近碳源为例,筛选出可承受CO_2极限成本大于150元/t的油田区块,将CCUS全生命周期划分为6个阶段,完成燃煤电厂(碳源地)与油田区块间管道布局和CO_2注入井的接替(分阶段)注采规划,并发现当油价高于70美元/桶时,油田区块的平均可承受CO_2极限成本接近该源汇匹配下的全生命周期CO_2平均供给成本。

基于GAMS的CCS源汇匹配管网优化模型

碳捕集与封存(CCS)技术的推广对减缓全球气候变暖具有重要意义。CCS技术成熟后,CO2排放源和封存汇间的匹配及运输管网设计将成为大规模实施CCS项目的关键问题。为了对中国大陆CO2运输管网进行规划,并估算实施CCS项目的全流程总成本,该文在原ChinaCCS决策支持系统(ChinaCCS DSS)基础上开发出基于GAMS的源汇匹配管网优化模型。该模型可以确定CO2捕集与封存位置及相应量值、运输管道拓扑结构及各管径。通过对京津冀地区做案例分析,发现该地区CO2捕集量在0～180Mt/a变化时,源汇匹配单位总成本约为181～260RMB/t;较之原匹配模型,减少约20RMB/t,更具经济性。

我国大型燃煤电厂CCS源汇匹配与优化研究

针对我国CCS系统的源汇匹配问题,挑选我国最大的40个燃煤电厂（源）和26个封存场地（汇）为研究对象,在充分考虑源汇性质、捕捉封存成本与运输距离的基础上,基于总减排成本最低原则,结合地理信息系统（ArcGIS）构建了CCS源汇匹配模型,得出了源汇匹配理论方案。结果表明在源汇直接相连情况下,上述电厂通过CCS技术减排需修建管道23089km,30年累积减少CO2排放1.27×10^9吨,单位减排成本53.63美元/吨。此外,运用改进节约里程法对理论方案进行优化,优化后可节约管道里程11686km,单位减排成本降低6.94%。根据优化方案,从未来重点勘探封存区域、管网规划等方面提出了有助于我国CCS大规模部署的建议。

中国水泥行业点源层面CCUS技术减排潜力与优化部署

高能耗、高排放的水泥行业是中国减碳工作中重点关注的行业。目前水泥行业总CO_(2)排放约13.75亿吨,占全国总排放的12%,面临巨大的减排压力。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术能对水泥行业深度减排,是实现“碳达峰与碳中和”目标不可或缺的关键性技术。为精准测算水泥行业开展CCUS的减排潜力和优化部署方案,基于生产线尺度数据测算水泥生产过程各个环节的CO_(2)排放量以及适合开展CO_(2)捕集的规模。构建全流程成本核算模型和CCUS源汇匹配模型,得到水泥行业开展CCUS技术各环节的成本、源汇匹配优化方案和减排潜力。研究结果表明:中国水泥行业与过程相关的CO_(2)排放约占60%,该环节的捕集规模为6.18亿吨CO_(2)/年。华北地区的河北、华东地区的山东和中南地区的湖北、河南的水泥熟料生产线CO_(2)捕集潜力大并且成本低,与渤海湾盆地、江汉—洞庭盆地和临汾盆地形成良好的源汇匹配关系,适合优先开展CCUS技术减排,形成示范效应。

CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同的技术基础研究进展

规模化集群化部署是CCUS技术发展方向和化石能源低碳化利用的国家重大需求,CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系及机制是实现CCUS技术规模化、集群化部署的理论基础。系统梳理评述了国内外CO_(2)地质封存潜力及其评价方法、CCUS源汇匹配与管网设计模型、CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系、CCUS集群部署技术基础与模式等领域的主要进展,讨论展望了我国CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同理论方法体系的研究思路。研究工作取得以下认识:CO_(2)地质封存潜力制约着CCUS技术的发展潜力与应用规模,适宜性评价方法、封存容量评估方法和封存选址方法所构成的CO_(2)地质封存潜力评价方法体系已初步建立,但亟待完善发展;源汇匹配是CO_(2)运输管网设计与CCUS技术集群化部署的重要直接依据,完善建立CCUS源汇匹配规划优化模型与CCUS集群管网设计模型是技术关键,从单阶段静态规划模型向多阶段动态规划模型发展是方向;CO_(2)地质封存潜力与能源资源协同关系构成了CCUS技术的约束条件,CCUS技术与可再生能源、氢能、储能等新能源技术的协同有望形成实现能源系统脱碳的新路径、新模式和新方向,CO_(2)地质封存潜力与生物质、水资源协同关系约束了CCUS技术规模化部署地域和BECCS技术发展应用潜力,基于CCUS源汇匹配模型的能源资源系统优化模型研究也成为新的技术需求;CO_(2)地质封存潜力、能源系统约束的CCUS源汇匹配优化方案和CCUS全流程技术体系构成CCUS集群化部署的重要技术基础,近源输送陆上封存CCUS集群部署模式应是我国优先考虑发展方向,远源输送陆上封存CCUS集群部署模式和离岸封存CCUS集群部署模式在我国长三角、大湾区等区域也有发展前景。

中国西南地区CCUS区域中心建设路径与政策建议

西南地区正在加快推动成渝地区双城经济圈和国家天然气(页岩气)千亿立方米产能基地等国家战略实施,面临能源消费量增长硬需求和碳减排硬约束之间的矛盾,推动CCUS产业发展是解决该问题的必由之路,而建设CCUS区域中心是CCUS产业规模化、集群化发展的必然趋势,其中四川盆地是西南地区打造CCUS区域中心的最佳选择。为了加快建设中国西南地区CCUS区域中心,系统梳理了国外的经验做法,分析了其优势和挑战,结合我国西南地区的CO_(2)排放及分布情况、封存地质条件、源汇匹配关系,针对性提出了建设路径和政策建议。研究结果表明:①打造中国西南地区CCUS区域中心具有企业减碳和增产的需求巨大、高耗能行业企业碳源丰富且较为集中、地质封存潜力大且分布集中、源汇匹配情况较好、地方政府积极支持等5大优势;②当前面临的主要问题是缺乏顶层设计和统一规划、缺乏全产业链协同技术攻关的共享平台、缺乏碳减排的激励和约束政策体系等;③下一步应聚焦CCUS-EGR、CCS、DACCS等3条路径,分启动、扩展、规模化发展3个阶段打造西南地区CCUS区域中心,形成两个千万吨级产业集群和3个百万吨级产业集群,并比选技术路径和商业化路径。结论认为,要重点从完善顶层设计,出台统一的战略规划;强化科技攻关体系建设,加快形成技术成熟、经济可行的CCUS全链条技术;强化政策支持、推动国际合作等3个方面入手,加快推动中国西南地区CCUS区域中心建设。

中国大陆CCUS源汇静态匹配管网布局

碳捕集、利用与封存（CCUS）技术对能源结构以煤为主的中国中远期碳减排可能具有重要作用,而中国大陆CCUS匹配管网布局还鲜有研究。该文通过建立基于数学规划和优化的高级建模系统（GAMS）的源汇匹配管网优化模型对中国大陆主要的电厂、钢铁、水泥、合成氨、炼油等排放源以及油田、煤田、咸水层等封存库进行了匹配研究。结果表明：管网布局以南北走向为主,华东和华北地区是实施CCUS的重要地区。通过实施CO2地质封存,每年可增产原油23Mt,增产煤层气4.9×1010 m3,经济效益达7.8×1010 RMB/a。当CO2捕集封存量在288~2 886Mt/a变化时,单位CO2运输成本保持在7~12RMB/t之间。当CO2捕集量达到2 886Mt/a时,管道总长度达5.0×104 km。

海上CCS/CCUS作业模式探讨与分析

CO_(2)地质封存与利用是应对温室气体排放、实现碳达峰碳中和目标的关键技术。从CCS/CCUS作业类型、CO_(2)来源等角度对全球海上CCS/CCUS项目进行分析,总结形成4类海上CCS/CCUS作业模式。通过对CO_(2)相态变化、杂质含量等因素对CO_(2)性能的影响研究,分析了海上CO_(2)源汇匹配、运输、注入的难点。结合国内海上CCS/CCUS业务现状与发展需求,从海上CO_(2)集群枢纽式源汇匹配模式探索、注入模式优化及配套设备研发、流动保障技术能力建设3个方向明确今后海上CCS/CCUS作业技术发展方向。

我国现代煤化工产业清洁高效利用战略研究

碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的集群化部署是推动现代煤化工产业实现清洁高效利用的重要引擎。为了解决我国现代煤化工产业碳排放强度大、碳减排成本高等问题,本文在收集整理我国现代煤化工产业已投产及在建、拟建项目的产量或产能数据的基础上,通过运用二氧化碳捕集潜力计算模型,以及构建的现代煤化工CCUS项目源汇匹配模型,分别研究了我国现代煤化工项目的分布情况、碳排放量情况、CCUS项目的二氧化碳捕集潜力、CCUS项目的源汇匹配情况,以及CCUS项目的全流程成本。研究结果表明:1)当今,我国现代煤化工产业已形成了以“三西(蒙西、陕西、山西)+宁夏”为核心,以新疆、青海2省(自治区)为补充,以东部沿海省份为外延的现代煤化工产业格局。2)在考虑了在建和拟建的现代煤化工项目后,我国现代煤化工产业的碳排放量呈现出了显著上升的趋势。截至2020年,我国在建的现代煤化工项目的二氧化碳年排放量预计为26388万t,拟建的现代煤化工项目的二氧化碳年排放量预计为64479万t。3)截至2020年,我国现代煤化工CCUS项目对二氧化碳的年捕集潜力为55622万t,其中内蒙古、陕西、新疆、山西是我国现代煤化工CCUS项目碳捕集潜力最大的省份(自治区),二氧化碳年捕集潜力分别为14873万t、9988万t、8088万t、4000万t。4)在兼顾了二氧化碳捕集规模与管道运输经济性的省份(自治区)之中,内蒙古及陕西与鄂尔多斯盆地、山东与渤海湾盆地、新疆与鄂尔多斯盆地及准噶尔盆地、江苏及浙江与苏北盆地分别形成了良好的源汇匹配关系。5)从CCUS全流程成本和碳捕集潜力及源汇匹配关系的角度来看,陕西、山东、江苏、浙江4省是适合优先运用现代煤化工CCUS技术的省份。

CCUS对中国粗钢生产的碳减排潜力评估

在评估2019年277个涉及粗钢生产的钢铁企业和17.6亿tCO_(2)排放量的基础上,采用针对钢铁行业的全流程CCUS系统评价模型(ITEAM-CCUS模型)研究了粗钢生产结合碳捕集利用与封存技术(CCUS)的CO_(2)减排潜力.评估设置了8种情景,初步回答了钢铁行业的粗钢生产通过规模化CCUS的减排规模、成本范围、封存场地、优先企业分布等关键问题.结果显示:粗钢企业开展全流程CCUS项目可以实现大规模的CO_(2)减排.在早期示范机会情景,企业全流程CO_(2)强化深部咸水开采(CO_(2)-EWR)和CO_(2)提高石油采收率技术(CO_(2)-EOR)结合项目增加67~467元/t粗钢的单位成本(60%捕集率的平准化成本低于300元/t)可以年累计减排8.7亿t规模CO_(2),约占总捕集量的88%;单独EWR项目年累计驱替深部咸水10.5亿t.具有CCUS改造潜力的粗钢企业主要分布于渤海湾盆地、准噶尔盆地、江汉盆地与鄂尔多斯盆地.