论文标题：Reduction potential of the energy penalty for CO2 capture in CCS

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yawen ZHENG , Lin GAO , Song HE , Hongguang JIN

发表时间：15 May 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0864-x

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研究亮点

1、本文指出CCS发展和部署的困境、教训和机遇，为二氧化碳捕集节能提供一个有希望的方向。

2、指出CCS技术的时间窗口，给出CCS技术未来可能的发展路径。

研究背景及意义

作为应对气候变化的重要手段，零碳行动已经获得多达127个国家的支持。而在众多的减碳方案中，只有二氧化碳捕集和储存（CCS）有望更加低碳地利用化石能源。在过去的数十年，CCS收到了广泛关注和研究，并且包括美国能源部、英国能源和气候发展中心、中国科学技术部等在内的多个国际组织机构对其提出了多种不同的技术路线。CCS一直被当作一种大规模的成熟工艺，但是CCS在全球范围内的部署进度仍然滞后，而这可能是由于CCS高初始投入和运行成本所导致（见表一）。基于此，本文旨在指出CCS发展和部署的困境、教训和机遇，为二氧化碳捕集节能提供一个有希望的方向。通过指出CCS技术的时间窗口，给出CCS技术未来可能的发展路径。

表1 CCS项目的能耗和开销

研究内容及主要结论

1、碳捕集的潜力和机遇

如图1所示，二氧化碳从混合流股中的分离是二氧化碳捕集体系的核心，燃烧后化学吸收则是一个具有代表性的分离过程，而分离技术可分为平衡分离（ESP）和速率分离（RSP）二类。如图2所示，从热力学角度来看，二氧化碳的最小分离功随着二氧化碳浓度的增加而减少。此外，以燃烧后为参照，燃烧前捕集的理论能耗较之降低47%，全氧燃烧的理论能耗则较之降低近86%。如图3所示，其预测了不同分离技术效率提高和捕获技术系统创新的节能潜力。其中，燃烧后捕集技术的损失将从8-14点减少到6-9点，主要受益于分离技术(再沸器负荷降至约2 GJ/t CO2)；预燃烧、多联产、氧燃料燃烧和CLC将受益于分离升级和捕获创新的改进，效率损失可能减少2-4个百分点；新一代的二氧化碳捕获技术，如源头控制，则可能接近零排放，而这意味着彻底解决这个问题。

图1 二氧化碳分离和捕集系统的物理示意图

图2 二氧化碳分离的最小需求功和二氧化碳浓度之间的关系

图3 不同技术路线的节能潜力

2、实现碳中和的机遇

在过去的5年里，与可再生能源的发展相比，CCS显然失去了其应有的关注和期望，此外其还必须面对针对煤炭政策所带来的负面效应。而随着煤炭的逐步淘汰，碳捕集与封存的空间受到了严重挤压，CCS在全球范围内部署的窗口正在缩小。中国的情况与其他国家略有不同，考虑到能源消耗量巨大、煤炭的高度依赖性、石油和天然气的有限性、可再生能源的稳定性和连续性上的缺陷以及对能源供应安全的担忧，煤炭可能仍是维持中国庞大能源系统稳定和安全的重要组成部分。因此，碳中和目标和煤炭的必要性将导致一种特定的情况，在这种情况下，CCS必须在实现能源安全、效率、清洁和低碳排放等多重目标的技术方案中得到发展。图4以路线图原图为背景，更新了过去5年二氧化碳捕集技术的进展情况。其中，第一代二氧化碳捕集技术进展的最新信息说明了CCS在过去五年中取得的进展。截至2020年底，全国已建成和运行的二氧化碳捕集示范项目已超过10个，涵盖了燃烧后、燃烧前、全氧等所有具有代表性的技术方案，减排成本在44~66美元/t CO2之间。同时，CCS项目的成本也在不断降低，从第一个大型CCS项目的成本在140美元/t CO2左右，到第二个示范项目的60美元/t CO2 。此外，中国大部分地区高度重视CCS技术的创新，在国家重点研究计划中支持了11个新一代CCS技术的发展项目。这些项目包括3个源控制技术项目和2个分离技术项目，获得超过2000万美元的公共资金。在中国政府于2021年3月发布的“十四五”规划中，CCUS被确定为绿色转型的重点任务之一，这意味着将加大对CCUS的支持力度，并在随后的几年中实施三个大型全链CCUS项目。

路线图中，两个核心要素，第一代二氧化碳捕集技术的产业化和第二代低成本技术的创新，为中国的CCS提供了可能的路径。预计到2030年，以燃烧后捕集为主的第一代CO2捕集技术的规避成本将降至40美元/t CO2左右，主要得益于分离技术的改进和工程经验的积累等因素。而与第一代技术产业化并行，到2040年，第二代技术可能达到相同的成本水平，并从第一代技术手中接过接力棒。然而，考虑到CCS的窗口期越来越窄，这种双轨方法必须加快。代表第一代和第二代技术之间的交叉点应该从2040年提前到2030年，这可以为更广泛地部署具有成本竞争力的CCS铺平道路。到2035年，通过应用第二代二氧化碳捕集技术和碳定价实现的捕集成本降低将会进一步促进CCS更广泛的商业应用。

图4 CCS在中国的示范和部署路线图

原文信息

Reduction potential of the energy penalty for CO2 capture in CCS

Yawen ZHENG1, Lin GAO2*, Song HE1, Hongguang JIN2

Author information：

1. Laboratory of Integrated Energy System and Renewable Energy, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

2. Laboratory of Integrated Energy System and Renewable Energy, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Abstract：

CO2 capture and storage (CCS) has been acknowledged as an essential part of a portfolio of technologies that are required to achieve cost-effective long-term CO2 mitigation. However, the development progress of CCS technologies is far behind the targets set by roadmaps, and engineering practices do not lead to commercial deployment. One of the crucial reasons for this delay lies in the unaffordable penalty caused by CO2 capture, even though the technology has been commonly recognized as achievable. From the aspects of separation and capture technology innovation, the potential and promising direction for solving this problem were analyzed, and correspondingly, the possible path for deployment of CCS in China was discussed. Under the carbon neutral target recently proposed by the Chinese government, the role of CCS and the key milestones for deployment were indicated.

Keywords：

CO2 capture and storage (CCS), CO2 separation, energy penalty

Cite this article

Yawen ZHENG, Lin GAO, Song HE, Hongguang JIN. Reduction potential of the energy penalty for CO2 capture in CCS. Front. Energy, 2023, 17(3): 390?399 https://doi.org/10.1007/s11708-023-0864-x

通讯作者简介

高林，现任中国科学院工程热物理研究所研究员，师从林汝谋老师和金红光老师，先后开展燃机联合循环、化工-动力多联产系统和低碳能源系统的研究。2005年获工学博士学位并留所参加工作，2014年任分布式功能与可再生能源实验室研究员。主要研究方向为煤基化工－动力多联产系统以及能源动力系统CO2捕集方法参与了创建燃料化学能梯级利用原理的工作，建立了反应过程的化学能品位变化解析式和能源动力系统燃料化学能平衡模型，研究分析了决定能源动力系统燃料化学能利用的关键参数，以燃料品位转化定理为核心建立了表征系统化学能利用收益的化学能梯级利用特征方程。而在能源动力系统集成层面，系统阐述了化工－动力多联产系统集成原则，研究分析了不同系统集成结构的多联产系统的性能提升规律与节能机理，揭示了集成特征变量对系统性能的普适性影响规律。原创性提出了无合成气成分调整、未反应气适度循环的多联产系统，新系统实现了组分分级转化与燃料化学能梯级利用的耦合，节能率从热集成多联产系统的8%大幅提高到15%，标志着化工－动力多联产系统集成研究进入化学能梯级利用层面。截止2018年，在国内外重要学术期刊上发表相关论文100篇，申请、授权国家发明专利6项。

Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。

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