基于系統(tǒng)動力學的碳捕捉與封存實施方案評價研究

王 眾，匡建超，龐河清，霍志磊

(1.成都理工大學管理科學學院，四川 成都 610059;2.中國石化西南油氣分公司博士后科研工作站，四川 成都 610041;3.成都理工大學核技術與自動化工程學院，四川 成都 610059)

1 引言

目前關于CCS的評價大都集中于CCS系統(tǒng)的某一個環(huán)節(jié)，對于CCS全流程進行集成研究的還較少。CCS不是捕捉、運輸和封存三個環(huán)節(jié)簡單相加，而是一個非線性的復雜時變系統(tǒng)，包含了物質(zhì)與信息的眾多反饋回路。盡管Jakobsen等［1］、Jakobsen等［2］提出了“CO2鏈”的概念，將CCS的各環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，從一體化的角度對CCS方案進行評價，但其實質(zhì)還是將各環(huán)節(jié)的成本或收益進行簡單的線性疊加，忽略了CCS系統(tǒng)內(nèi)部要素之間的相互作用和反饋機制，同時還忽略了CCS系統(tǒng)產(chǎn)生的額外能源耗費和封存后CO2的泄露對整體減排效果的影響，從而無法科學、全面的對一個CCS方案進行評價。此外，已有的全流程CCS方案評價幾乎都是將EOR作為封存選擇，對于深部鹽水層(Deep Saline Formation，DSF)封存探討較少。筆者認為雖然EOR能增產(chǎn)石油具有額外的經(jīng)濟效益，但是由于注入率(部分油藏的年封存量遠小于單個燃煤電廠的年排放量)和封存潛力較小的緣故，EOR僅是CCS的早期機會，分布更為廣泛、封存潛力更加巨大的DSF封存才是中國CO2長期、深度減排的主要途徑［3］。

由于系統(tǒng)動力學(System Dynamics，SD)能夠較好地處理非線性、多重反饋的復雜時變系統(tǒng)問題，被廣泛應用于系統(tǒng)科學和管理科學相關領域［4］。近年來，有學者也開始嘗試將SD用于CCS相關研究領域，如梁大鵬［5］運用系統(tǒng)動力學對中國的CCS商業(yè)運營模式進行了研究，找出了我國CCS商業(yè)化模式推廣中最為關鍵的4個因素;Ravagnani等［6］運用系統(tǒng)動力學的方法對通過EOR封存CO2項目的技術經(jīng)濟可行性進行了研究，考慮了EOR的能耗和潛在的CO2排放。基于此，筆者根據(jù)中國的實際情況，同時考慮與CCS的匹配程度，將超臨界燃煤電廠(Super-critical Pulverized Coal，SPC)排放的深部鹽水層封存(SPC+DSF)作為具體的 CCS實施方案［3］，以生命周期評價(LCA)思想為指導，運用系統(tǒng)動力學的基本原理和方法對該CCS方案建模，理清CSS系統(tǒng)要素之間的相互影響關系和反饋機制，并通過計算機仿真來分析CCS在運行過程中的CO2流(注入量及封存過程中的泄漏)、資金流(收益及成本)、能量流(額外能源耗費)，從而能夠?qū)CS方案進行系統(tǒng)、科學的評價。

2 SPC+DSF的SD建模

2.1 模型假設

為了更有效地對CCS方案進行分析、抓住問題重點，在建模過程中特做出如下假設和簡化:

(1)由于中國電力市場結構的不合理，電廠(特別是火電)巨額虧損的同時電網(wǎng)賺取高額利潤，以至筆者無法準確計算發(fā)電的實際收益和成本［7］。同時為更清晰地反映CCS系統(tǒng)本身的成本及能耗，模型將CCS系統(tǒng)產(chǎn)生固定投資、日常運營費用和收入同電廠分開，即單獨計算CCS的經(jīng)濟效益，且CCS系統(tǒng)可以根據(jù)收益來決定是否繼續(xù)進行CO2捕捉。

(2)根據(jù)學習曲線效應，模型假設CCS系統(tǒng)的單位能耗和單位捕捉成本隨著累積捕捉量的增加而逐漸降低。

(3)本模型假設CCS系統(tǒng)減排的CO2可以通過情節(jié)發(fā)展機制(CDM)或類似的碳交易機制獲得相應的減排收益;目前國家對于可再生能源及清潔能源都給予了一定的政策扶持，本模型假設安裝CCS系統(tǒng)的電廠，其上網(wǎng)電價享受一定的政策補貼。

(4)對于1000km內(nèi)大規(guī)模CO2的運輸，管道運輸是首選途徑［8］，本模型假定排放源和封存場地之間采用點對點的管道運輸方式。

(5)假設封存場地已經(jīng)過仔細的篩選，即封存潛力大于排放源生命周期內(nèi)的累積排放量，同時封存后不考慮由于突發(fā)事件(如地震或其他人為破壞)產(chǎn)生的大規(guī)模泄露。

(6)假設CCS系統(tǒng)的生命周期為30年(2016—2045)，固定投資均在2016年前完成。

2.2 模型結構分析

(1)系統(tǒng)基本結構。CCS系統(tǒng)是一個復雜的、多反饋的非線性系統(tǒng)，筆者從總體上將該系統(tǒng)分為4個主要組成部分，其基本結構如圖1所示。

圖1 CCS系統(tǒng)動力學模型基本結構

減排子系統(tǒng)包含CO2捕捉量、運輸量、封存量以及封存后的泄漏量等因素，反映了CCS系統(tǒng)中CO2流動及減排情況;收益子系統(tǒng)包含了CCS系統(tǒng)的收入和成本等因素，反映了整個CCS系統(tǒng)的資金流動及盈利情況;能耗子系統(tǒng)主要是指在整個CCS過程中的額外能源耗費和實際電力輸出;技術進步子系統(tǒng)則描述在CCS系統(tǒng)中，技術進步是怎樣產(chǎn)生的。如圖1所示，這四個子系統(tǒng)又相互影響:減排效果的好壞通過碳稅影響系統(tǒng)的收益，系統(tǒng)的收益又反過來影響系統(tǒng)減排的動力;減排量累積的多少通過學習曲線效應，決定系統(tǒng)技術進步的快慢;系統(tǒng)技術進步的快慢通過單位捕捉成本和單位捕捉能耗的降低幅度影響系統(tǒng)收益和額外能耗;系統(tǒng)額外能耗直接決定了實際輸出電力的多少，從而影響系統(tǒng)的收益。

(2)系統(tǒng)因果關系分析。在系統(tǒng)動力學中，元素之間的相互作用及影響可以概括為因果關系，正是這種因果關系的相互作用，形成了系統(tǒng)的功能和行為。將圖1中各子系統(tǒng)中的變量進一步細化，便形成了CCS系統(tǒng)的因果關系圖，如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)動力學模型構建

在CCS系統(tǒng)因果圖的基礎上進一步區(qū)別變量的性質(zhì)，采用Vensim PLE軟件繪制了CCS系統(tǒng)動力學模型的存量流量圖。模型中共有7個水平變量，分別是額外累積煤炭耗費量、累積電力輸出損耗、累積捕捉量、累積排放量、累積封存量、累積減排量和收益累積量現(xiàn)值。這7個水平變量能夠充分反映CCS系統(tǒng)的額外能耗、減排效果和經(jīng)濟收益三個方面。

3 模型仿真及結果分析

3.1 模型主要參數(shù)設定

筆者運用 Carnegie Mellon University開發(fā)的IECM模型［9］以及文獻 ［10］總結的經(jīng)驗公式計算了CCS系統(tǒng)的各項內(nèi)部參數(shù)，并對CCS系統(tǒng)的外部參數(shù)進行了假設。

3.2 模型仿真及結果分析

將設定好的參數(shù)帶入模型，運用Vensim PLE軟件進行仿真，得出了CCS系統(tǒng)的動態(tài)運行情況，如圖3所示。

圖3a反映了捕捉系統(tǒng)運行情況，從圖中可以看出該電廠年排放2.76×106噸CO2，由于碳稅的存在，電廠以87.5%的捕捉率每年捕捉4.24×106噸，但是由于運輸和封存場地的泄露，每年凈減排量均小于捕捉量，且隨著累積注入量的增加泄露量也逐年增加，以至于年凈減排量逐年下降，因而封存場地的密閉性直接影響CCS的減排效果。圖3b反映了技術進步子系統(tǒng)的運行情況，我們可以看出由于學習曲線效應的作用，捕捉系統(tǒng)的單位捕捉成本和單位能耗都隨著累積捕捉量的增加而減少。圖3c反映了能耗子系統(tǒng)的運行情況，由于單位捕捉能耗的降低，電廠的凈電力輸出逐年增加，而用于捕捉的額外煤炭耗費則逐年下降。圖3d則反映了收益子系統(tǒng)的運行，由于捕捉環(huán)節(jié)成本占整個CCS成本90%以上，年支出隨著單位捕捉成本的降低呈下降趨勢;而盡管年凈電力輸出增加，但是由于凈減排量降低的緣故，每年獲得的CDM收益也逐年降低，以至于年收入也逐年降低。該系統(tǒng)經(jīng)過30年的運行，共減排 CO266.82×106噸，占電廠排放總量的80.79%;NPV=-4.4641 ×109元(單位減排成本 66.81 元/噸);耗費輸出電力9.3184 ×106MWh，約占電廠總電力輸出的10%，額外消耗煤炭6.05×106噸(單位減排能耗0.0905噸/噸)。

3.3 進一步分析

(1)碳交易價格及碳稅對CCS的影響分析。盡管在2011年的坎昆氣候大會上CCS被列入CDM范圍之內(nèi)，但是離實際實施尚需時日。與此同時，通過仿真我們得知CDM收入占SPC+DSF系統(tǒng)年收入的80%以上，因而CDM收入對于CCS至關重要。為了考察CDM價格以及碳稅對CCS的影響，根據(jù)CERs價格的不同筆者設定了以下三個情景(見表1)，其仿真結果見圖4。

從圖4a中可以出，當CERs=0且碳稅維持在50元/噸水平時，CCS系統(tǒng)由于捕捉成本大于碳稅停止運行，年捕捉量為零(情景一);若在情景一的基礎上提高碳稅率且稅率足夠高，使得電廠繳納的碳稅遠大于捕捉成本，CCS系統(tǒng)正常運行(情景二);當碳交易價格成為一個隨機變量，CCS的年捕捉量也會隨之變化(情景三)。從圖4b可以看出由于情景一無CDM收入，加之捕捉量為零也無電價補貼收入，因而年收入為零;情景二盡管無CDM收入，但有電價補貼收入，同時在技術進步的作用下，年凈電力輸出逐年增加，年收入也逐漸增加;由于CDM收入占了CCS年收入的80%以上，因而情景三的年收入隨著CERs價格的波動而波動。從圖4c可以看出，由于情景一的年捕捉量同基準情景一樣，技術進步的幅度一樣，因而年支出保持一致;情景二在整個仿真期間捕捉量為零，則其年支出全部為碳稅且保持恒定;情景三由于在2019年和2037兩年的捕捉量為零，因而在這兩年的年支出僅為碳稅，同時由于累積捕捉量稍小于基準情景，因而從2019年開始年支出略微高于基準情景和情景一。從圖4d看出若無CDM收入，在捕捉量相同的情況下，單位減排成本增加了52%。

(2)技術進步對CCS的影響分析。技術進步作為CCS系統(tǒng)中一個重要的反饋，影響著CCS系統(tǒng)的運行。為了更清晰地反映技術進步對CCS的影響，本文還比較了無技術進步(LR=0)和技術進步較快(LR=0.083)兩種情況，其仿真結果如圖5所示。從圖5中可以看出，由于技術進步的快慢不同，捕捉成本和捕捉能耗的下降幅度也不同，從而最終導致整個CCS系統(tǒng)的單位減排成本和單位減排能耗有較大差別:“技術進步較快”情境下的單位減排成本和單位減排能耗較“無技術進步”情景分別降低5.6%和18.7%。

圖4 不同碳交易價格的CCS系統(tǒng)仿真結果

4 結論與建議

本文以生命周期評價思想為指導，運用系統(tǒng)動力學方法對超臨界燃煤電廠排放的深部鹽水層封存(SPC+DSF)CCS實施方案進行了建模與仿真，計算了該方案的減排效果、經(jīng)濟效益和能耗，分析了碳交易價格和技術進步對CCS的影響。仿真結果表明:①DSF的減排效果較好，但是整體減排成本過高、能耗過大;②由學習曲線效應引發(fā)的技術進步是CCS系統(tǒng)中一個重要反饋，能夠有效降低減排成本和能耗;③CDM(碳匯)是CCS收入的最重要組成部分，最終能否順利進入CDM(或相關碳交易體系)對于CCS至關重要。盡管國家發(fā)改委發(fā)布了《關于推動碳捕集、利用和封存試驗示范的通知》，力推CCS。但從仿真結果來看，單純的CCS實施方案(電廠捕捉+深部鹽水層封存)據(jù)大規(guī)模實施還有很長的路要走。筆者認為可以從以下幾個方面入手降低CCS減排成本，提高企業(yè)和社會參與動力，推動CCS發(fā)展。

(1)發(fā)展碳捕捉、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)，進一步強調(diào)CO2的資源化利用。仿真結果表明CCS實施方案(DSF封存)收入主要來源于CDM收入(碳匯)，若無外部資金來源，CCS難以發(fā)展。因此除了加快推動碳稅和碳交易機制的形成外，還需要加大CO2的資源化利用，增加企業(yè)的減排收益，充分調(diào)動企業(yè)和社會的參與度和積極性。這樣從循環(huán)經(jīng)濟的角度，不僅創(chuàng)造了環(huán)境效益，還創(chuàng)造了經(jīng)濟價值，達到了雙贏乃至多贏的目的［11］。例如將捕捉的CO2作為工業(yè)產(chǎn)品(碳酸飲料、有機化合物等)的原料，或者是用于注CO2驅(qū)油(EOR)和注CO2驅(qū)煤層氣(ECBM)，提高油氣采收率。此外，謝和平(2012)還提出了一種CCU的新理念和技術路線，以天然礦物和工業(yè)固廢為原料對捕集的CO2進行礦化利用(封存)，生產(chǎn)化工產(chǎn)品或建筑材料［12］。

圖5 不同學習率的CCS系統(tǒng)仿真結果

(2)同其他低碳技術結合，爭取更多的政策及資金支持。由于我國能源生產(chǎn)消費結構具有“一次能源以煤炭為主，二次能源以煤電為主”的特征，且短期內(nèi)難有根本性變化，以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)和CCS為基礎的綠色煤電技術已成為未來我國綠色發(fā)電技術發(fā)展的一個方向。因此，可以借助推進我國綠色煤電發(fā)展的契機，為CCS爭取更好的政策和資金，促進CCS的研發(fā)和示范，從而推動CCS自身的發(fā)展［13］。另外，目前國際上生物質(zhì)能源發(fā)電技術與CCS結合(Biomass+CCS)也具有較好的減排潛力和適中的發(fā)電成本［14］。而生物質(zhì)能又屬于可再生能源范疇，目前國家對于可再生能源發(fā)電的上網(wǎng)電價補貼力度較大，若國家今后加大可再生能源發(fā)電的扶持力度，也可以此為契機促進CCS的發(fā)展。

(3)加大技術轉(zhuǎn)讓和擴散力度，加快技術進步。仿真結果表明由學習曲線效應引發(fā)的技術進步能夠促進CCS成本和能耗的降低，倘若CCS技術應用越廣泛，裝機容量和捕捉量就會越大，技術進步越快，成本和能耗的下降幅度就越大。由于目前CCS的大部分核心技術還掌握在西方發(fā)達國家手里，除了加大自身的研究外，可以充分利用國際減排合作機制，利用國內(nèi)巨大的碳減排市場促使發(fā)達國家向中國轉(zhuǎn)讓 CCS相關核心技術［15］。另一方面，CCS技術涉及政府、科研機構、電廠和公眾等利益相關者，目前由于一些電廠和公眾的不理解，影響了CCS的推廣，因此還應該加強“技術需求-技術供給-技術擴散”的集成研究，加快CCS的技術擴散［16］。

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