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作者 Lize Wan

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碳捕集及封存(CCS)有可能在帮助中国实现其长期二氧化碳排放目标的同时支撑煤炭需求。


然而,目前碳捕集技术只有在二氧化碳可以被销售至其他行业并得到利用的情况下才具有经济可行性,即碳捕集与利用(CCU)。但这限制了目前的有效捕集能力。为了使碳捕集及封存(CCS)在经济上更普遍可行,我们估计成本需要从最近的水平下降50%左右。这表明短期内碳捕集能力将受到限制,其对煤炭消费的支撑效果也将受到限制。

为达到更严格的碳排放目标,深度减碳不可或缺

中国的二氧化碳排放目标通常与经济产出挂钩。例如,2015年设定的目标是2020年单位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40-45%。2017年中国提前实现这一目标,单位国内生产总值二氧化碳排放实际比2005年下降46%,而同期二氧化碳绝对排放量有所增加。

一方面,从2005年到2017年由于节能政策和服务业的强劲增长,中国将一次能源强度占GDP的比重降低了40%。另一方面,同一时期煤炭发电的比例从80%下降到63%。然而,要实现2030年和2050年的目标需要继续努力减少碳排放,特别是在发电领域。

如下图所示,根据巴黎协议的规定,为实现限制全球气温上升2ºC的目标,对中国贡献的保守估计表明到2030年GDP的碳排放强度将逐年下降4- 7%,然后从2030年和2050年间每年进一步减少3 - 12% 。这表明到2050年,中国的碳强度需要继续按至少与过去15年相同的速度下降。此外,根据2018年IPCC特别报告,为满足实施更严格的约束可能会推行1.5ºC的温升限制目标。这意味着控制碳排放的力度需要加大,而这可能需要新技术的开发。电力行业约占中国碳排放总量的40%,因此是减排的重点。此外,由于为改善空气质量,不鼓励直接燃烧矿物燃料,预计电力将继续占一次能源消费总量的较高份额。

因此,我们预计到2030年发电量将以每年3%的速度出现强劲增长。所以在中国实现碳排放目标的战斗中控制电力行业的二氧化碳排放量越来越重要。

不确定的盈利能力阻碍了CCS的应用

可再生能源的迅速发展减少了煤炭消费的增长,这对中国的碳减排做出了贡献,而且还将持续如此。与此同时,燃煤发电厂(CFPP)的碳捕集也有可能减少碳排放,这也令煤炭业看起来更有希望,因为它允许继续使用煤炭。

中国正处于CCUS(即碳捕集利用和/或封存)部署的早期阶段。电力行业的7个CCUS项目正在运行或将于明年开始运营。这些项目的二氧化碳捕集量在1-15万吨/年之间,这意味着大多数项目可以捕集其所在电厂不到5%的二氧化碳排放量。

对CCUS项目或碳捕集改造盈利能力的怀疑是该项技术大规模发展的主要障碍。尽管可再生能源得到的补贴通常高到足以激励其开发,但CCUS项目投资却难以获得同等效果的资助。再加上CCUS高昂的运营成本,该技术目前只有在二氧化碳可以卖给其它行业或用于提高石油采收率(EOR)的情况下才可行。

CCS的运营成本远高于电力销售利润

在典型的中国燃煤发电厂中燃料成本约占总成本的60%,假设5500千卡/公斤煤的煤炭采购均价为570元/吨,并假设上网电价为0.37元/千瓦时,利润率预计为10-15%。然而,CCUS的使用大大抵消了这一利润率,因为碳捕集技术的部署往往造成电厂效率下降,使得燃料成本的增加,此外还会提高非燃料运营成本——我们的分析显示CCUS的使用可以使总成本增加一倍以上。

目前的CCUS项目中最常用的是燃烧后捕集方法,每千瓦时的发电量需要增加约28%的煤。这主要是为了提供运行CCUS设备的动力,并补偿由于烟气抽提而造成的效率损失。我们估计捕集和其它运营及维护成本约为40美元/吨二氧化碳,运输和存储成本约为30美元/吨二氧化碳tCO2。这将导致普通煤电机组的发电总成本增加130%。

中国的燃煤发电厂通常在低负荷因素下运行,这增加了成本,但即使假设安装CCUS的燃煤发电厂可以优先上网,从而在高负荷系数下运行,我们的分析表明这仍旧无法抵消更高的成本。因此,如果没有进一步的补偿途径,CCUS不太可能被广泛推广。

综上所述,我们估计在没有碳市场收入来源的情况下,安装碳捕集设备的燃煤电厂平均每千瓦时将面临人民币0.5元的亏损。这一成本远远高于目前大多数新建的风电和太阳能发电得到的补贴,也高于燃煤发电厂改造后脱硫和脱硝的补贴。因此,尤其是在煤电已经被一些人认为直接或间接接受了不少补贴的情况下,发电企业获得高到可以覆盖CCS成本的特别上网电价的可能性更小。

除非CCS成本减半,否则碳排放交易是必须的

从短期和中期来看,食品工业和提高石油采收率(EOR)项目中二氧化碳的销售收入可以使CCUS小规模试点项目成为可能。工业级二氧化碳500元/吨二氧化碳、食品级二氧化碳800元/吨二氧化碳的回收价格,可以产生0.5 - 0.8元/千瓦时的收益,使CCS项目具有可行性。然而,目前对二氧化碳的需求太小,不足以支撑大规模的发展。中国对工业用二氧化碳的需求量不足每年一千万吨,不及中国年排放量的0.1%。

提高石油采收率和提高煤层气采收率(ECBM)有潜力消耗数百亿吨二氧化碳,该类碳封存容量预计小于3亿吨/年。因此,除非使用盐水层封存或其它大规模的二氧化碳封存方法,否则只有不到4%的二氧化碳排放可以被吸收。这也忽略了一个事实,即在其它部门使用二氧化碳仍然导致二氧化碳排放到大气中。

另外,捕集二氧化碳的发电厂也可以通过在区域或全国碳市场上交易其排放限额来获得补偿。当碳排放价格在200元至300元/吨二氧化碳时—业内专家认为长期来看,这一价格是有可能实现的—碳交易将为带来0.14元至0.21元人民币每千瓦时的收入。在此基础上,如果碳捕集和运输成本能降低一半,那么从长期看燃煤发电厂改造实现盈亏平衡是可行的。

虽然目前CCUS项目的运营成本很高,但未来仍有可能开发多个示范项目。基于CCUS成本、碳利用潜力和存储能力的分析,中国2019年CCUS路径图假设到2035年和2040年的碳捕集能力分别为1亿吨/年左右和不到3亿吨/年。这表明到2040年的煤炭年消费量将达到1.5亿吨左右,或占目前煤炭年消费量的4%左右,届时有可能实现“碳中和”。

目前CCS对中国钢铁行业而言成本也很高

钢铁行业对中国二氧化碳排放量的贡献约为15%,对煤炭消费量的贡献约为17%,因此CCS可以为广泛采用的高炉-转炉的炼钢方式提供一条降低碳足迹的途径。因此,基于当前的CCS技术的发展和成本,如果使用燃烧后捕集方法捕集包含在高炉煤气中的二氧化碳然后在地下封存,我们的分析显示一个钢厂的二氧化碳排放量可以减少33%左右,但成本约为40美元/吨钢。这将使捕集二氧化碳的成本约为70美元/吨二氧化碳。考虑到典型的盈利水平,这肯定会削弱钢厂的生存能力。

话虽如此,如果钢铁行业更广泛地参与中国的碳市场,再加上CCS成本减半,如果二氧化碳价格达到40-50美元/吨,那么从长远来看在一家钢厂部署CCS将变得更加可行。但是,这将需要有可用的封存选项。

CCUS目前不太可能帮助中国减少二氧化碳排放

CCUS技术的发展现状预示着它不太可能对降低中国的二氧化碳排放做出重大贡献。事实上,中国CCUS路径图本身将其到2040年捕集的二氧化碳量规划在3亿吨/年以内,因此对煤炭需求的影响不到当前的4%。CCUS的成本目前高得令人望而却步,而补贴则非常有限。

尽管到目前为止,大部分分析集中在电力部门CCUS的使用上,但我们的研究显示考虑到与设备运营相关的炼钢成本上升,CCUS在钢铁行业的应用看起来也不明朗。我们的分析表明CCS的成本至少需要减半,才能为减少二氧化碳排放提供一个可行的选择。

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