碳捕集与碳封存经济性评估透析

1引言

哥本哈根会议之后，碳元素成为全球公共物品。由于国际上对全球变暖的担忧，全球范围内的碳元素管理成为21世纪以来全球变化研究的热点领域。研究表明，全球碳循环过程与人类活动，特别是化石燃料燃烧和土地植被覆盖变化有着密切的关系。全球来看，2007年CO2排放量达到了289.6×108t，其中，中国的CO2年排放量已经达到60.7×108t［1］。如果要实现2050年全球碳排放量下降一半的目标，碳排放额度也许将成为最为稀缺的元素。而想要实现这一目标，单纯依靠生产和生活的节能减排是非常困难的。假设全球GDP年平均增长率为3%，至2050年，全球GDP将会比2010年增加3.26倍(以1990年购买力为基准)，所以，如果要在2050年使CO2排放量减半，则需要将单位GDP的CO2排放量减少6.52倍。在核聚变发电技术尚未成熟的情况下，仅依靠传统的可再生能源、风能、水能、太阳能等无法持续供给的新能源是无法解决这个难题的。作为碳减排规模最大的单项技术，CCS被认为是最具有前景的碳减排路径之一，由图1可以看出，若实现2050CO2排放量较2005年下降50%，工业CCS技术和电厂CCS技术总共可贡献19%的减排量。因此，CO2的捕集—封存(CarbonCaptureandStorage，CCS)技术越来越受到全球各个国家的重视(表1为全球现有的CCS项目)，而碳捕集与碳封存项目的经济性则更加成为该技术大规模运用所考虑的主要问题。

2CCS技术特征及发展现状

CCS技术是指将CO2从相关排放源捕集并分离出来，输送到海洋、油气田等地点进行长期(几千年)封存，从而减少温室气体排放，以减轻对地球气候的不利影响。CCS是一项具有大规模减排潜力的新兴技术，有助于实现化石能源消费中CO2的近零排放。2009年10月13日，英国伦敦举行了第三届碳捕集与碳封存领导人论坛部长级会议。同日，国际能源组织(IEA)公布了其最新有关CCS技术商业化的研究成果，从IEA的CCS路线图来看，2020年之后CCS的商业化项目将出现加速增长，2030年之后示范项目逐渐减少，商业化项目成为主流［1］。预计全球从2010年至2050年CO2的实际潜在封存能力将至少达到16800亿吨，2050年的封存量为1447亿吨，其中美国和中国分别为261.14亿吨和259.44亿吨，占全部封存量的36%［2］。CCS项目建设一般包括三个环节:碳捕集—碳运输—碳封存，在对CCS项目进行经济性评价时也必须要从这三个环节入手，否则，对于运营成本的估计就是不准确的。

2.1碳捕集技术特点及发展现状

在以化石能源为动力的燃烧烟气中含有大量的N2，例如煤电厂的烟气道中CO2含量大概为12%(体积比)，对其进行有效的利用和封存之前必须把其中含有的大量N2分离出去，使CO2浓度达到95%以上，这就是CO2的捕集过程。碳捕捉目前有三种主流技术:燃烧前分离、燃烧后分离和富氧燃烧。目前全球示范项目中使用最多的为燃烧后分离，包括国内两个示范项目，德国黑泵电厂使用的是富氧燃烧技术。三种捕捉技术的技术特点及其发展现状如表2所示。

2.2碳运输技术发展现状

碳运输，指将分离并压缩后的CO2通过管道或运输工具运至存储地。管道运输是目前比较成熟的CO2运输方式。此外也可以选择船舶和公路运输罐车装液态CO2。船舶运输成本较低，但需求有限，所以规模较小。而公路运输的成本过高，只能用于小规模运输。目前，西方国家在管道运输方面的技术已很成熟，2008年，美国约有5800千米的CO2管道，这些管道多用于将CO2运输至油田，注入到地下油层以提高石油采收率。但大规模应用的关键依旧在于运输成本的控制，管道运输的成本主要取决于运输的距离和管道直径。

2.3碳封存技术发展阶段

碳封存是指将捕获、压缩后的CO2通过碳运输技术运送到一个封存地点，并使其长期与大气隔绝的一个过程。主要的封存方式有地质封存、海洋封存和碳酸盐矿石固存。地质封存是目前较为主流的研究技术，这项技术可以将注入油、气田中驱油、驱气，从而提高油、气的采收率，产生一定的附加经济效益。表3为各种封存技术所处的发展阶段。

3CCS项目经济性评价

CCS项目经济性评价的关键在于对项目成本和收益的估算。为此，本文构建了全过程成本估算模型和全过程收益估算模型。

3.1全过程成本估算模型

整个CCS项目由碳捕集、碳运输和碳封存三个环节组成，因此，在进行全过程成本估算时，必须全面考虑这三个环节。考虑到模型的运行环境，这里作如下假设:(1)碳捕集、碳运输、碳封存的建设成本固定可衡量;(2)碳捕集、碳运输、碳封存的边际成本可衡量;(3)当期发生的CO2捕集，运输和封存也计入当期(以年为单位)。因此，整个CCS项目在寿命期内的总成本可以通过下列公式表示，C=CB+CY+CF+CL其中，C表示CCS项目总成本;CB表示碳捕集成本;CY表示碳运输成本;CF表示碳封存成本;CL表示由突发事件或不可抗力引起的非经常性成本支出，例如由于大量CO2泄露造成人畜死亡事故所带来的成本支出，因其不确定性在此仅作为随机干扰项插入，不做详细估算。CB=FCB+VCB=FCB+∑n(MCBn•QBn)其中，FCB表示碳捕集固定成本;VCB表示碳捕集可变成本;MCBn表示第n年碳捕集边际成本;QBn表示第n年的碳捕集量;CY=FCY+VCY=FCY+∑n(MCYn•QYn)其中，FCY表示碳运输固定成本;VCY表示碳运输可变成本;MCYn表示第n年碳运输边际成本;QYn表示第n年的碳运输量;CF=FCF+VCF=FCF+∑n(MCFn•QFn)其中，FCF表示碳封存固定成本;VCF表示碳封存可变成本;MCFn表示第n年碳封存边际成本;QFn表示第n年的碳封存量。

3.2全过程收益估算模型

CCS项目收益包括实现CO2减排量所获收益以及在减排过程中对CO2进行有效利用所产生的收益。CO2减排量所获收益即单位碳减排量的价格与该项目碳减排总量的乘积，如何衡量单位碳减排量的单价就成为碳减排收益估算的关键。因此，国际碳交易市场上单位碳排放量的价格就可以作为单位碳减排量的价格。换言之，假如我国的CO2排放限额为m吨/年，如果通过碳减排技术每年只排放n吨CO2，那么我国就可以将节省下来的m－n吨排放额拿到碳交易市场交易，交易所获得的收益就是我国的碳减排收益。再者，在碳封存的过程中，无论是将CO2注入油气田驱油、驱气，还是将其用于工业生产，都会产生一定的收益，而且碳排放量的减少也会带来生态环境改善后的收益。不过，这一收益需要根据具体情况测算，在此姑且以表示计入CCS项目的总收益，不做详细估算。因此，CCS项目的总收益可以用下面公式所表示，R=PD•Q+W其中，R表示减排总收益;PD表示单位减排量价格;Q表示减排总量(即最终封存量)。通常情况下，在计算某一个项目在未来几年后的收益时，由于对未来特定时点上的单位价格未知，经常会先设定一个合理的贴现率，然后利用这一贴现率来计算未来时点上的资金时间价值，以此来对未来价格进行估算。在这里，假设贴现率为i，那么CCS项目在第n(n=1，2，…)年的总收益可以用下列公式表示，R=∑n［PD(1+i)n－1•Qn］+W3.3经济性评价在得知CCS项目的总成本及总收益之后，项目的经济性可以用下列公式进行测算，E=R－C=∑n［PD(1+i)n－1•Qn］+W－(CB+CY+CF+CL)当E0时，该项目的运营具有经济性，当E≤0时，则该项目不具有经济性。也就是说，当E0时，CCS项目运营所封存的碳排放量可带来正的净收益，因此是经济的，而当E≤0时，则该项目所封存的碳排放量无法带来正的净收益，因此不经济。

4案例和讨论

为证明上述方法的有效性，将其应用于计算IEA的中国碳捕集技术路线图中规划的某CCS项目的经济性［5］。项目寿命期取20年，该项目相关数据参数列于表4中。其中，单位减排量价格选取2010年欧洲排放交易体系碳当量价格14.5欧元/t(约合20美元/t)，贴现率选取平均资本回报率12%。为便于计算，假设年捕集量、运输量、封存量为固定平均值，且各个环节无损耗;各年边际捕集、运输、封存成本固定不变。将数据代入上述公式计算，结果表明，此CCS项目在其20年的寿命期内共捕集、封存二氧化碳200万吨，付出成本约6.5亿美元，获得收益约7.44亿美元，则E=7.44－6.5=0.940，说明该项目能够带来约为0.94亿美元的净收益，因此是具有经济性的。上面的计算结果可以证明本文所构造的方法能够用于CCS项目的经济性评价，只是对于具体项目而言，本案例所设置的一些假设是非必要的。

5结论及进一步研究方向

(1)CCS技术被认为是当前碳减排规模最大的单项技术，是最具有前景的碳减排解决方案之一，具体包括三个环节:碳捕集—碳运输—碳封存。在进行项目成本估算时，必须从这三个环节同时入手进行计算，三者缺一不可。在成本估算时，不仅要对常规成本进行详细估算，而且对于可能发生的非常规性成本也要视具体情况做预先计提。在收益估算时，对碳排量单价的估计要参考国际碳交易市场牌价，且要考虑资金时间价值因素，选择合理的贴现率。此外，还要考虑项目的附加收益，按单个项目的具体情况进行详细估算，这样才能保证总收益估算的精确性。

(2)本文所构造的评价方法是从理论上建立的评价模型，上述模型可对CCS项目的经济性进行总体估算，要对特定项目进行较为精确的评价，不仅需要搜集相对详细的数据，而且要视不同性质的项目对估算模型进行深入地修正和细化，今后该领域学者可以根据具体项目对模型进行细化研究，以便模型能更加符合实际测算要求。