當(dāng)可再生能源遇到二氧化碳？

2月初，國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導(dǎo)意見》提出，開展二氧化碳捕集、利用和封存(簡稱CCUS)試驗示范。“國際上普遍認(rèn)為，CCUS技術(shù)是應(yīng)對氣候變化不可或缺的重要技術(shù)，而捕集后的二氧化碳如何有效利用，是推廣CCUS技術(shù)的關(guān)鍵。”中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所(簡稱武漢巖土所)研究員張力為一直在思考這一問題——他將目光瞄向了可再生能源。

于是，在武漢巖土所二氧化碳地質(zhì)封存課題組研究員李小春和李琦的指導(dǎo)下，張力為和團(tuán)隊成員甘滿光提出了二氧化碳捕集利用—可再生能源發(fā)電調(diào)峰耦合的設(shè)想。

“簡單地說，就是以燃煤電廠捕集的二氧化碳作為可再生能源發(fā)電的‘調(diào)峰介質(zhì)’。”張力為在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，他們已論證其可行性，并希望推動相關(guān)企業(yè)加以應(yīng)用。

從“兩難”到不難

我國要實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，方法之一便是發(fā)展可再生能源。根據(jù)2020年12月發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書，我國清潔能源占能源消費總量比重達(dá)23.4%，比2012年提高8.9個百分點，水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電累計裝機規(guī)模均居世界首位。

然而，盡管我國正在積極開發(fā)可再生能源，但當(dāng)前能源消費結(jié)構(gòu)仍以化石能源為主，且短期內(nèi)難以改變。特別是可再生能源消費占比難以進(jìn)一步提高。

“突出問題是風(fēng)能和太陽能發(fā)電均存在調(diào)峰難、并網(wǎng)難。”張力為介紹，以風(fēng)能發(fā)電為例，在用電負(fù)荷低谷時段風(fēng)能發(fā)電量較大，“棄風(fēng)”現(xiàn)象突出;風(fēng)能發(fā)電資源分布不均，沿海地區(qū)用電量大而風(fēng)能資源匱乏，北部、西部地區(qū)用電量小而風(fēng)能資源豐富。

短期內(nèi)，能源消費結(jié)構(gòu)難以改變和可再生能源消費占比難以提高的“兩難”問題，該如何解決?

長期從事二氧化碳地質(zhì)利用、封存相關(guān)技術(shù)研發(fā)與推廣研究的張力為認(rèn)為，二氧化碳是聯(lián)結(jié)燃煤電廠和可再生能源發(fā)電廠的關(guān)鍵，可變“兩難”為不難。為此，他們研發(fā)了二氧化碳捕集利用—可再生能源發(fā)電調(diào)峰耦合技術(shù)。

他向《中國科學(xué)報》解釋道，該技術(shù)通過二氧化碳壓縮儲能、二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸等高能量化合物以及二氧化碳作為攜熱介質(zhì)3種手段，實現(xiàn)燃煤電廠捕集的二氧化碳在可再生能源發(fā)電廠的有效利用，以期解決可再生能源發(fā)電調(diào)峰難題。

部分解決碳“匯”問題

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出，如果沒有CCUS，溫室氣體減排目標(biāo)將無法達(dá)成，進(jìn)而導(dǎo)致到21世紀(jì)末限制升溫相對于工業(yè)化前水平低于2℃的目標(biāo)無法實現(xiàn)。更為關(guān)鍵的是，沒有CCUS技術(shù)，溫室氣體減排成本將會成倍增加，估計增幅平均高達(dá)138%。國際能源署發(fā)布的《CCUS在低碳發(fā)電系統(tǒng)中的作用》也指出，如果沒有CCUS技術(shù)，要實現(xiàn)全球增溫控制目標(biāo)可能需要關(guān)閉所有化石燃料發(fā)電廠。

顯然，關(guān)閉所有化石燃料發(fā)電廠是不可能的，對其改造是最為切實可行的措施。

“如果我國每年能夠?qū)?0%的燃煤電廠改造為部署有二氧化碳捕集裝置的燃煤電廠，則每年可減排二氧化碳約3.5億噸。”張力為介紹道。也就是說，每年可減排相當(dāng)于100個600 兆瓦規(guī)模燃煤電廠排放的二氧化碳。

在燃煤電廠部署二氧化碳捕集裝置后，大量捕集的二氧化碳如何處置是必須解決的問題。如果不解決與之對應(yīng)的“匯”的問題，則捕集的大量二氧化碳將無處消化，燃煤電廠低碳排放改造必將難以推進(jìn)。

甘滿光表示，將帶有二氧化碳捕集裝置的燃煤電廠與可再生能源發(fā)電廠耦合起來，利用二氧化碳滿足可再生能源發(fā)電廠發(fā)電調(diào)峰、熱能提取的需求，可以部分解決“匯”的問題。

具體而言，一是將捕集的二氧化碳壓縮儲能，在可再生能源不利發(fā)電條件下，利用二氧化碳體積膨脹做功釋放能量發(fā)電，補充發(fā)電量不足;二是將捕集的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸等高能量化合物，實現(xiàn)過剩發(fā)電量的儲存，在可再生能源不利發(fā)電條件下，將其作為燃料電池發(fā)電原料產(chǎn)生電能，補充發(fā)電量的不足;三是將捕獲的二氧化碳作為地?zé)岚l(fā)電廠的攜熱介質(zhì)，減少水資源消耗，提高地?zé)岚l(fā)電效率。

碳市場需要它

碳市場在我國的發(fā)展完善被認(rèn)為可有效促進(jìn)燃煤電廠碳減排改造。2月1日，《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》正式施行，加上之前發(fā)布的《2019—2020年全國碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實施方案(發(fā)電行業(yè))》和《納入2019—2020年全國碳排放權(quán)交易配額管理的重點排放單位名單》，我國首次從國家層面將溫室氣體控排責(zé)任壓實到企業(yè)。

在張力為看來，根據(jù)電價、碳交易價格和負(fù)荷需求，安裝碳捕集相關(guān)設(shè)施的發(fā)電企業(yè)可以采用二氧化碳捕集利用—可再生能源發(fā)電調(diào)峰耦合技術(shù)，與周邊的可再生能源發(fā)電廠建立聯(lián)系，形成一體化系統(tǒng)，從而靈活調(diào)整其發(fā)電量、二氧化碳捕集量和捕集能耗，將整體碳排放強度維持在較低水平。

因此他認(rèn)為，合理部署二氧化碳捕集利用—可再生能源發(fā)電調(diào)峰耦合技術(shù)，制定調(diào)度策略，同時兼顧減排要求，是一種使碳捕集燃煤電廠碳捕集設(shè)備利用效率最大化的方法。

“這一想法比較超前，目前在國內(nèi)還沒有具體應(yīng)用。”但張力為對此充滿信心，“二氧化碳捕集利用—可再生能源發(fā)電調(diào)峰耦合技術(shù)有望成為我國2060年前實現(xiàn)‘碳中和’目標(biāo)的技術(shù)解決方案之一”。