電場CCUS項目改造和升級：燃煤電廠CCUS的成本降低潛力
摘要
2015年《聯合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)《巴黎協定》將全球平均氣溫上升的幅度限制在遠低于工業化前水平的2°C以下。為了實現這一目標，必須使大規模、排放密集型、工業和發電過程顯著脫碳。如果不加速碳捕獲、利用和儲存(CCUS)在各種應用領域的商業規模部署的進展，就無法實現這一規模的減少；工業過程，如鋼鐵和水泥制造；化石燃料衍生的氫氣生產；以及生物能源生產。在2018年世界能源展望(WEO)的最低成本情景下，國際能源機構(IEA)估計，CCUS可能占2060年所需累積減排量的13%。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第五次評估報告得出結論，如果沒有CCUS，實現2°C的限制將是成本的兩倍多，相當于全球累計國內生產總值的3%。
煤炭占全球二氧化碳排放量的很大比例（見圖1），根據國際能源署2018年全球能源展望(WEO)的新政策方案，預計到2040年，煤炭將占一次能源總需求的22%。全球現有的燃煤發電船隊中，有超過三分之一的歷史還不到10年，新的燃煤電廠至今仍在繼續建設。對投資回報的渴望將阻礙這些設施提前退休。
圖1：1990-2018年按排放來源分列的全球能源相關二氧化碳排放量
可再生能源技術（特別是太陽能和風力發電）的成本和性能最近取得了顯著的提高。使用可再生能源和替代能源進行的低排放或零排放發電對于達到2°C的限制至關重要。然而，我們根本不能放棄CCUS。發展中國家的人口和經濟快速增長，加上相關的難以減少但必要的部門，如鋼鐵和水泥制造；驚人的森林砍伐率；不斷增長的農業活動都擴大了全球減少溫室氣體(GHG)排放的努力和2°C途徑之間的差距。到2060年，整個能源部門將需要減少約760噸的二氧化碳，這相當于2017年20多年來產生的所有能源相關排放水平。因此，每一項減排技術對于加快國際上降低大氣二氧化碳水平的努力都至關重要。此外，研究表明，熱煤電廠可以通過與生物質結合CCUS(BECCS)作為負排放策略，提供大氣二氧化碳的降低（見圖2）。
圖2：通過在發電廠中大規模部署CCUS來減少二氧化碳的排放量
在2016年發布的一份報告中，煤炭行業咨詢委員會(CIAB)國際能源署，題為國際承諾CCS：政策和激勵使低碳能源的未來，鼓勵政府推進政策支持鼓勵更高的CCUS部署的工業和電力部門，以滿足2°C的目標。這些建議在本報告中得到了加強，可分為四類：
通過實施政策，使投資資本能夠獲得基于市場的回報率，從而刺激CCUS市場的吸收。
支持項目開發，縮小早期項目的商業差距，加快CCUS的吸收。
使項目資金能夠在財務上降低早期CCUS項目的風險。
通過資助競爭前的技術和知識開發，推進下一代CCUS技術。
此外，在2017年CIAB的一份報告，題為國際承諾CCS：優先行動使CCS部署，案例研究在美國、英國、澳大利亞和中華人民共和國被認為是詳細為其他政府提供政策教訓和加強2016年CIAB報告的建議。
目前存在一個降低CCUS成本的機會。本報告探討了降低資本和運營成本的途徑。降低成本將提高CCUS對減輕排放的經濟可行性，特別是對燃煤發電。迄今為止，在燃煤發電站安裝第一代CCUS裝置所取得的非凡工業經驗已經大大降低了成本。
事實上，燃煤發電部門的CCUS與其他減排方法相比正變得具有成本競爭力。提供了現實世界的例子，以協助制定適當的政策和其他對以必要的速度推進CCUS至關重要的驅動因素，包括：
加拿大的薩斯克電力邊界DAM CCS設施是燃煤發電站的第一個大型燃燒后CCUS裝置，于2014年開始運行。當時，據估計，根據調試和早期運行的學習，可以為下一個類似規模的CCUS設施至少節省30%的成本。
位于美國德克薩斯州的PETRA NOVA工廠是一個燃煤電廠的工業規模的CCUS裝置，于2017年開始運行。它還使人們對提高成本績效的主要驅動因素有了更好的理解和信心。
2018年，SHAND CCS對薩斯克電力公司300兆瓦燃煤發電站的燃燒后CCUS改造的可行性研究估計，下一代CCUS作業每噸二氧化碳可節省超過60%的資金。在此，我們從資本成本節約、運營成本節約、業務案例改進和財務/政策選擇等方面考慮了這些成本改進的來源。
迄今為止，大多數大型CCUS安裝都已在其他部門進行。必須擴大這些機會，其中最迫切的是進入燃煤發電領域。現有的項目為未來的CCUS設計和開發提供了重要的經驗教訓；許多項目將導致大幅降低資本和運營成本。迄今為止的工作已經成功地證明了規模和其他因素的有利經濟效益，以降低二氧化碳捕獲的成本。技術的進步將導致成本的進一步提高。因此，本文強調了很有前景的新技術，包括膜捕獲、氧燃料燃燒和BECCS。CCUS部署的持續進展將依賴于以下方面：
提高理解和知識。結合技術專業知識，以更好地理解成本節約和二氧化碳捕獲的設計改進，以繼續促進進展。
減少了關于共享傳輸和存儲的不確定性。促進對發展有關運輸和儲存部件的主要基礎設施的必要投資，包括更好的物流規劃。
加強了政策和財政支持。必須作出國際承諾，建立支持性政策和創新的融資機制，使CCUS發展成為一個成熟的行業。
繼續投資于新技術的研究和試點項目，以及商業交流會的部署。過去幾十年來，在研究、試點和示范方面的大量投資必須繼續下去，而且確實必須繼續增加，以幫助減少與低排放燃煤發電技術相關的投資風險。這將加快技術開發周期。研究對于獨立和客觀的分析、生成數據和開發專業知識，以加速設計、允許和運行使用當地條件下特定的黑色和棕色煤的新燃煤電廠也是至關重要的。
CCUS在發電部門的應用是本報告的主要重點。到2020年，全球將有超過20個商業規模的CCUS項目在運行，每年有超過37萬噸的人為二氧化碳被捕獲并進行地質儲存。CCUS并不是一項新事業，但在燃煤發電行業卻很少見，迄今為止只有兩個商用的CCUS裝置在運行。為了履行《巴黎協定》中的承諾，20國集團國家為了減少全球與能源有關的排放，需要高度重視在CCUS中的深度投資。由于缺乏可用的技術替代品，許多類型的基于化石燃料的發射密集型工藝將需要CCUS來實現2°C的目標。CCUS是向可再生能源和替代能源過渡的關鍵推動者，也是具有經濟意義的繼續使用化石能源的絕對關鍵組成部分。它將促進現有的化石能源基礎設施和工業運營的繼續使用，在一個碳排放有限的世界里，我們目前沒有其他選擇，比如石化生產。
最近，與燃煤發電和相關能源工業開展的商業CCUS項目的步伐和進展得到了歡迎和鼓勵的改善。實施先發項目的收益導致了后續項目的成本節約策略。值得注意的是,
考慮到每噸二氧化碳的成本，煤炭發電部門的成本已經與其他形式的減排具有競爭力。
對提高知識、理解和關鍵的專業知識的明確和積極的承諾是顯而易見的。這將不可避免地導致煤炭發電行業的環境性能的持續改善。保持或理想情況下增加商業CCUS應用的勢頭將為實現巴黎協議的2度目標做出有意義的貢獻。
碳捕獲儲存一瞥
加速CO?減排
來自工業或能源工廠的二氧化碳(CO?)排放物的來源。通過碳捕獲和存儲（CCS），大量的CO?將被捕獲、回收和永久存儲。
捕獲率可能超過煙氣中CO?的90%，然后被捕獲，然后被壓縮成致密相液體，便于運輸。
CO?是通過管道運輸的。根據CCS項目所在地區的具體需要，CO?也可以通過卡車、鐵路或船舶進行運輸。
CO?被送到地下深處進行：
用于增強石油回收率(EOR)——CO?被回收，并最終永久安全地儲存在耗盡的石油/天然氣地層中。
永久存儲在多孔儲層巖層顆粒之間的微觀空間中——深度超過1公里，上面是致密的不滲透的“帽巖”層，確保了CO?無限期地留在那里
測量、監測和驗證(MMV)——實施嚴格和敏感的MMV設備和程序，可檢測地下CO?壓力和濃度的變化，以確保羽流在可接受的一致性范圍內增長，并永久保持在注入地層內。此外，還應定期完成地表監測，以確保沒有CO?泄漏到與注入或地表CO?操作相關的大氣、地下水或土壤中。
深砂巖地層在其單個砂粒或孔隙度之間有微觀空間，這使得它能夠容納高鹽度的水——鹽度是海洋的10倍。由于這種非常咸的鹽水的存在，地質學家將這種類型的地層稱為含水層。*
與工業發電廠相連的碳捕獲設施的組件
全球氣候變化對CCUS至關重要
巴黎協議
在2015年12月舉行的2015年聯合國氣候變化會議(COP21)會議上，197個國家的政府通過了《巴黎氣候變化協定》1。《巴黎協定》承諾，簽署國共同承諾“保持全球平均氣溫上升遠低于工業化前水平2°攝氏度，并努力將氣溫上升限制在1.5°C...”。該協議尋求在本世紀下半葉平衡溫室氣體(GHG)的來源和匯，有效地要求凈零溫室氣體排放。如果沒有國際上對碳捕獲、利用和儲存(CCUS)的承諾，它的目標將面臨重大風險2。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的數據，如果沒有CCUS3，實現2°C的目標估計是成本的兩倍多。要達到1.5°C的排放量，就需要大規模的凈負排放，而這只有通過生物能源CCUS(BECCS)、直接空氣捕獲(DAC)和生物隔離（例如造林）才能實現。
在實現如此大大減少溫室氣體排放方面，國際社會尚未取得重大進展。必須以提供可靠和負擔得起的能源的方式進行大量的碳減排，同時支持維持和改善生活水平所需的經濟發展，特別是在發展中國家。加快努力提高能源效率和部署低排放能源和工業技術組合也至關重要。
來自國際能源機構的影響：對CCUS的需要
為了實現《巴黎協定》的目標，CCUS項目實施的速度和頻率必須迅速增加，并結合其他清潔能源技術的商業部署，包括應用于燃煤發電部門的CCUS。國際能源機構(IEA)2017年和2018年的世界能源展望(WEO)的報告充分清楚地說明了這一點。WEO模型清楚地表明，到2040年，煤炭將繼續滿足全球能源需求的12%至22%。
來自燃煤發電站的低成本、可靠的能源將仍然保持高需求，特別是在發展中國家。這些國家日益增長的能源需求將導致繼續使用現有的發電船隊，并可能需要建設新的發電設施。全球現有的超過三分之一的燃煤電廠使用年限不到10年。鑒于已經部署的金融資本規模，指望這支艦隊過早關閉是不現實的。
因此，在現有和新的燃煤發電設施中安裝CCUS的顯著增長將對實現2°C的目標至關重要，也是本報告的中心重點。
2012年，國際能源署估計，到2020年將需要12 GW的CCUS支持發電廠，到2030年將需要215 GW，到2050年將需要664 GW，以保持實現2°C目標的途徑6。然而，由于在規劃階段只有少數項目，截至2019年沒有一個新的CCUS型電廠正在建設，只有兩個現有的電廠在北美運營，即使到2024年也不可能實現第一個目標。因此，在燃煤發電站部署CCUS改造的需求變得更加迫切。此外，要實現將氣候變化限制在2°C以下這一更雄心勃勃的目標，就需要大幅增加努力，以實現更高的CCUS部署率，以及可再生和替代能源電力的安裝。CCUS與生物能源(BECCS)和其他應用的快速增長也對有助于實現二氧化碳減排至關重要。
對CCUS的國際承諾
目前，國際上對CCUS的承諾是脫節的。一些政府滿足新清潔能源部長級(CEM)CCUS倡議7（見圖3）或長期碳封存領導論壇8，而各種公司和組織的聯盟已經形成計劃如石油和天然氣氣候倡議9，碳捕獲聯盟10和碳利用研究委員會11在美國。這些努力的核心是發展CCUS的共同任務。美國已經改善了CCUS的經濟效益，最近有了積極的改變，對45Q的稅收抵免，這導致了兩黨對CCUS的強烈支持。然而，沒有國際協調力量來提供激勵和資金來支持更迅速地采用這項技術。
圖3：清潔能源部長級CCUS倡議的關鍵信息，“共同加速CCUS——資助清潔能源難題的關鍵部分”（2019）
CCUS技術可以以適當的速度和規模部署，以促進實現《巴黎協定》的目標。這將需要有意義的公共政策的激勵和支持，使部署軌跡與2°C目標相一致。必須緊急制定穩健、設計良好的政策，以推動有意義的行動。
對其他低碳能源技術所存在的同樣的公共政策支持和政治承諾并不存在。
政府與工業界協調，制定設計良好的政策，將消除阻礙公共和私人銀行為設計良好的CCUS項目融資的障礙，從而使CCUS項目以必要的速度部署，以實現有意義的全球溫室氣體減排。
在燃煤發電站的第一代CCUS項目中獲得的經驗
向成功邁進
雖然CCUS已經是一項減少排放的低成本技術，但特定的CCUS燃煤發電部門項目的成本可以降低到遠低于此前預期的水平。更深入地了解與CCUS相關的各種成本及其減少這些成本的相關驅動因素，將使決策者和金融界對CCUS實現必要的溫室氣體減排的潛力有更大的信心。
目前的碳捕獲技術是基于R.R.Bottoms在20世紀30年代開發的天然氣甜味工藝。最近對基本過程的創新變化已在全球的工業和燃煤電力設施中開發和部署。
雖然CCUS在天然氣處理之外的使用通常是在第一流的或高價值的利基應用中，但碳捕獲技術的技術可行性已經得到了清楚的證明。此外，經過幾十年的工業規模二氧化碳提高采收率(EOR)業務的經驗，二氧化碳運輸行業已經成熟。在存在合適的地質條件的情況下，也已證明了在地下安全儲存二氧化碳的能力，并實施了必要的操作和監測實踐。這些關鍵因素驗證了第一代CCUS技術作為一種已被驗證的技術。然而，與任何新技術一樣，未來幾年商業規模的實施所帶來的進一步創新將取得重大進展、相關資本和運營成本的降低。
燃煤發電站上的兩個第一代工業規模的燃燒后CCUS裝置提供了實際經驗、學習和知識，從中可以得出有關資本和降低運營成本方面的結論。這些操作包括：
薩斯克電力公司的邊界大壩3單元CCS設施(BD3)，一個位于燃煤發電站的商業CCUS裝置，于2014年10月開始運行；和
NRG的佩特拉Nova設施，是一個更大的CCUS設施，位于一個燃煤發電站，于2017年開始商業運行。
在燃煤發電設施薩斯克電力公司的邊界大壩3單元CCS設施中演示CCUS
位于加拿大薩斯喀徹溫省的BD3項目率先采用了大規模的二氧化碳捕獲器進行發電，作為世界上第一個完全集成的CCUS設施，設在燃煤發電站。該設施的名義捕獲率為每年100萬噸(Mt)的二氧化碳。BD3設施包括二氧化碳捕獲、壓縮和傳輸。BD3捕獲設施與主機電廠完全集成，它從那里獲取蒸汽和電力需求。BD3作業生產的二氧化碳用于附近的強化采油(EOR)作業，同時也在蓄水池提供注入和永久地質存儲，這是一個現場二氧化碳測量、監測和驗證(MMV)項目，位于3400米深的深鹽含水層。
位于薩斯喀徹溫省埃斯特萬附近的薩斯克電力邊界大壩發電站的BD3捕獲設施的鳥瞰圖（由：國際CCS知識中心提供）。
BD3上的CCUS故事是未來CCUS項目的重大進展和靈感來源之一。這一成功的安裝為大量降低資本和運營成本鋪平了道路，同時提高了效率，以進一步改進下一代CCUS安裝。此外，在2019年，該設施慶祝了一個重要的里程碑——自啟動以來，累計捕獲和注入了300萬噸的二氧化碳。隨著穩定運營的實現（見圖4和圖5），BD3的下一個重點已經成為提高運營效率和降低成本。
圖4：BD3碳捕獲設施的性能：基于從2014年10月啟動至2019年7月的捕獲設施的每年可用性的可靠性
圖5：BD3碳捕獲設施的性能：從2014年10月至2019年啟動時捕獲的累積二氧化碳
國際CCS知識中心繼續分享從BD3的實踐經驗中進行的實際學習。它的主要作用是提供基于經驗的指導，以幫助顯著降低未來CCUS設施的風險和成本14。
NRG的Petra新星設施
佩特拉新瓦瓦教區站的碳捕獲設施(由NRG能源公司提供)。
2017年初，位于美國德克薩斯州的佩特拉諾星工廠開始全面運營。它的名義捕獲率是每年14萬噸的二氧化碳，通過EOR在位于教區縣15的燃煤電廠130公里的油田儲存。
與BD3類似，Petra Nova捕獲工廠使用一種專有的胺溶劑從燃煤電廠主機的煙氣中去除二氧化碳。然而，佩特拉新星捕獲二氧化碳滑流的煙氣之前排放到大氣中，而不是整個數量，并使用一個特制的，燃氣渦輪產生所需的蒸汽和動力捕獲過程，而不是把能量從主機發電廠16在BD3。
該項目采用了行業合作伙伴的方式，直接生產和銷售由二氧化碳注入的石油，而不是將二氧化碳出售給石油運營商，這增加了項目的風險概況和潛在的回報。所有在佩特拉新星捕獲的二氧化碳都被用于EOR。
降低了CCUS的成本
近年來，許多研究和相關研究根據迄今為止所進行的CCUS項目所開發的重要知識，考慮了CCUS17,18的預期成本節約。例如，人們普遍認為，實現顯著降低成本的主要驅動因素是以大規模19部署CCUS。雖然早期的成本降低戰略是基于試點和研究項目所取得的增量改進，但現在基于商業規模部署的實際理解越來越深入，以更好地評估協同研究的潛力，以提高未來CCUS設施的性能。盡管如此，持續的試點和研究項目正在提高有關創新現有技術和進一步發展新技術的潛力的知識。
圖6：第一代CCUS(BD3設施)與第二代CCUS(Shand可行性研究)相比，捕獲工廠資本成本降低了67%
工業技術進步的特點是，根據用于改進后續世代設施的設計和經營做法的早期經營活動中所吸取的經驗教訓，提高效率、降低資本和降低經營成本。第一代項目如果重復使用從早期運營中獲得的專業知識和受過教育的事后見解，通常預計可以節省20-30%左右。最近的一項可行性研究CCUS改造由國際CCS知識中心薩斯克電力尚德發電站表明，應用知識從BD3在更大的規模可以實現減少67%的資本成本每噸二氧化碳捕獲基礎20（見圖6）。此外，CCUS的成本可能會隨著未來一代技術人員的部署而下降。
雖然改造后的CCUS設施不能精確復制，但了解與以前部署的CCUS設施的共性可以指導開發考慮。委托人尚德可行性研究中考慮的因素包括位置、空間的可用性和設施的蒸汽循環設計。其他因素，如規模、模塊化、簡化和從BD3中吸取的其他教訓，直接促進了估計的成本降低。
CCUS項目只能獲得足夠的融資和政策支持，這是由于一個引人注目的商業案例，該案例可能包括利用現有和公共基礎設施，適當評估可調度電力對電力系統的貢獻，以及降低資本和運營成本等好處。本報告的平衡總結了可能加強煤炭發電部門CCUS項目部署的關鍵驅動因素。
資本成本降低
碳捕獲設施的資本成本占第一代燃煤電廠CCUS改造設備捕獲總成本的一半以上。利用從這些設施的設計和操作中獲得的經驗，將直接有助于改善煤電工業未來部署的CCUS設施的經濟效益。
擴大CCUS工廠的規模
規模經濟是公用事業行業的基本驅動因素。較大的設施通常比較小的設施更經濟有效。最初的BD3燃煤發電機組在改造前的額定功率為150兆瓦（總功率），其大小適合其區域電網需求要求。然而，以全球標準來看，該部門規模很小。現有最大的燃煤發電裝置通常額定功率為1100兆瓦或更高，二氧化碳的減排潛力要高得多。尚德可行性研究是為了支持300兆瓦燃煤機組的第二代CCUS設施的設計，預計年捕獲能力超過200萬噸，是BD3捕獲廠能力的兩倍。Shand可行性研究表明，由于電力單元的規模更大，在每單位二氧化碳捕獲的基礎上可以顯著降低成本。
發電廠的排放水平是其發電能力和效率的函數，這直接影響到其相關捕獲設施的規模。更大的單位通常會產生更多的排放。由于規模經濟的原因，將捕獲能力增加兩倍并不一定會導致捕獲設施的成本增加一倍。尚德可行性研究表明，增加總體捕獲能力，加上捕獲設施成本的邊際增加，可能導致捕獲成本的降低。
現場布置和模塊化
一個新的CCUS設施的布局和空間的可用性是重要的設計考慮因素，因為最小的占地面積可以降低資本成本。如果不能將捕獲設施放置在靠近電力裝置的地方，將會增加互連的長度，從而增加材料成本，增加設施集成的復雜性，從而降低操作效率。尚德基地最初被設計用來容納第二個沒有建造的電力單元。這導致了最小的站點擁塞（參見圖7）。采用這種選址策略，使早期的設計概念能夠最佳地將能源密集型的工藝單元放置在電廠旁邊。鍋爐房旁邊的二氧化碳吸收塔，鍋爐房/渦輪房墻旁邊的二氧化碳解吸機，發電機旁邊的二氧化碳壓縮機是可能的。這種對準盡量減少了煙道管道、蒸汽管道和電氣連接的互連長度，從而顯著降低了材料成本。此外，連接這兩個工廠可以通過啟用共用電梯和樓梯井來降低人員出入成本。BD3和Petra Nova項目擁有更密集的場地，使其捕獲設施的選址復雜化，導致成本增加，提高性能的機會減少。
圖7：帶碳捕獲裝置的SHAND發電站概念圖
主要基礎設施項目的模塊化建設作為控制勞動力和材料成本的有效手段，已被工業界廣泛接受。雖然模塊化可能并不總是可能的，但結構鋼、設備、管道、電氣和儀表設備的場外組裝已被證明可以顯著提高生產率，降低旅行成本，并縮短現場施工時間。這種方法還提供了全球的低成本勞動力池，同時確保降低成本滿足標準，減少更少的電廠現場干擾。
增加捕獲能力
在CCUS設施中的二氧化碳捕獲的百分比是通過捕獲過程從煙氣流中的總二氧化碳中分離或去除的二氧化碳的量。燃燒后捕獲通常是針對90%的捕獲率；然而，一些設施可能會選擇較低的捕獲率來滿足監管或其他要求。當它被批準建設時，預計適用于BD3設施的管轄權溫室氣體排放法規，但不確定。決定在BD3中選擇90%的設計捕獲率是基于技術上可實現的最佳減排，并相信這應該滿足即將到來的法規。
BD3碳捕獲設施位于薩斯喀徹溫省埃斯特萬附近的薩斯克電力邊界大壩電站（由：國際CCS知識中心提供）。
最近的一項研究表明，在煙氣排放流中捕獲不到90%的二氧化碳可能會增加最先進技術的每噸捕獲成本21。此外，對所提出的Shand CCUS設計的敏感性研究表明，與90%的捕獲率相比，95%的捕獲率提高了成本。關于燃燒后捕獲的研究表明，增加捕獲率在90%以上具有成本效益，并有助于降低成本22。當煙氣向上通過吸收塔時，二氧化碳分子被吸收劑從煙氣中去除。吸收塔頂部的煙氣二氧化碳濃度最低。存在一個臨界點，超過這個臨界點，吸收劑就越來越難與煙氣中降低的二氧化碳水平發生反應。除此之外，由于捕獲二氧化碳的剩余成本會產生過多的額外成本（即與柱高度的增加和/或柱內表面積的增加相關的成本），捕獲設施的經濟性會降低。研究正在進行中，以更準確地確定相關的引爆點，以設定給定設施的目標捕獲率。
主機電源單元的??效率增加
火電廠的排放強度范圍廣泛，與其類型、年齡和效率有關。例如，安裝了舊技術的燃煤電廠通常在較低的主蒸汽壓力和溫度下運行，這受其最初設計時經濟可用的材料和技術的限制。這些舊裝置的典型排放強度可超過1200噸二氧化碳/千瓦時。Shand電站是一個亞臨界的褐煤燃燒裝置，其排放強度約為1,100tCO2/GWh。一個現代化的、先進的、超超臨界的工廠，通常被稱為高效的、低排放的，或HELE，其排放率可能低至670tCO2/GWh23。新舊煤電裝置之間的排放強度減少了大約三分之一，這直接影響了捕獲裝置的所需規模。這減少了CCUS改造設施的寄生電力損失和資本成本。
優化CCUS操作
對火電廠運行的可靠性和能力的要求與其相關的碳捕獲裝置的要求有很大的不同。火電廠必須在各種運行條件下保持其高可靠性和高容量供電的能力，如極端天氣、燃料質量變化和設備問題。
盡管在高可用性級別下的長期捕獲是捕獲設施的操作目標，但在任何給定的時間點上完全或部分減少二氧化碳捕獲的能力是可取的，并可能有助于顯著節省成本。捕獲設施的冷卻系統的大小是一個需要考慮的有用的例子19。與其設計冷卻系統以滿足一年中最熱到最冷的要求，一個更窄的環境溫度范圍可能有利于更小的系統尺寸和相關的成本節約。利用這種設計策略，可以減少二氧化碳捕獲，以管理冷卻能力不足的時期。鑒于相關的資本成本節約所提供的優勢，對年度捕獲量的總體凈影響可被視為可接受的。
根據區域電網的供求情況，能夠以可變負荷供電的火電廠是非常有價值的。捕獲設施能夠跟蹤火電廠的變化，同時繼續全負荷捕獲二氧化碳，這是總體減排的關鍵。隨著熱發電站減少輸出，其效率降低，從而導致二氧化碳發射強度增加。在這些條件下保持捕獲設施操作的能力將減少可變負荷的排放影響，同時減少煙氣量。捕獲設施通常根據全負荷煙氣量設計的。因此，在減少負載時，捕獲設施將能夠以增加的總體速率捕獲二氧化碳。
CCUS供應鏈的發展
發達的供應鏈增加了競爭，刺激了創新，降低了技術成本，最終對資本成本產生了積極的影響。CCUS供應鏈的發展將取決于為二氧化碳市場建立一個有利的格局，在這個市場下，供應商將有信心安裝許多未來的CCUS項目，以促進供應鏈的增長。
發達的供應鏈的特點包括：
供應在合理時間內滿足需求的所有設備，如包裝、熱交換器、壓縮機和相關原材料；
設備供應商之間的適當競爭將推動效率、創新并最終降低成本；和
標準化和大量的供應商訂單，這將使制造商向有效的生產規模擴張。
佩特拉諾瓦教區發電站的碳捕獲設施(由NRG能源公司提供)。
降低運營成本
由于幾個原因，CCUS型燃煤電廠的運行成本通常高于傳統的熱電廠。首先，需要額外的能量操作捕獲和壓縮系統減少電廠的凈能量輸出的完全集成的設計，如BD3，或引起額外的操作成本如果一個單獨的外部能源供應源安裝，如佩特拉新星。第二，由于溶劑、化學試劑、催化劑的消耗和廢物的處置而產生進一步的經營費用。最后，需要更多的工作人員來操作和維護捕獲設施。第一代CCUS工廠提供了對現實世界操作的具體理解。這些設施面臨的早期挑戰突出了在降低運營成本方面可以取得最大收益的領域。
胺降解
現有的燃燒后捕獲裝置通常使用的溶劑是基于胺的，它在低溫下選擇性地與二氧化碳結合，并在加熱時釋放純二氧化碳。溶劑不斷循環，反復捕獲并釋放二氧化碳。胺分子在長期使用過程中容易分解或降解，侵蝕捕獲效率，需要用新鮮的溶劑去除和替代。取代降解胺的成本具有重要的可操作價值成本影響24，并代表了胺基捕獲系統的一個基本操作風險特征。廣泛的試點使用相同的煙氣和溶劑組合來量化胺降解的風險被認為是適當的CCUS設施設計的標準做法25,26,27,28，以確定在開發CCUS項目的業務案例時胺維護的預期成本。不幸的是，這種風險緩解戰略增加了開發成本和CCUS部署的時間框架，這導致了大量的行業驅動的研究，旨在確定加速胺降解的來源和潛在的緩解戰略29。技術供應商的重點是減少胺降解的影響和管理胺質量的相關成本。但是，工業規模設施的項目必須進行額外的工作，以確保相關的成本降低。
碳捕獲測試設施位于薩斯喀徹溫省薩斯克埃斯特萬附近的尚發電站(由：SaskPower提供)
維修費用
第一代CCUS設施在建造時并沒有獲得運營經驗。因此，該設施的維護要求沒有被納入設計之中。根據實際操作，以及優化操作設備的有效策略，對維護對新設施的設計和運行成本的影響有了更深入的了解。
維護成本通常通過提前計劃得到嚴格控制。緊急維修工作的費用可能比計劃維修的費用高出很多倍。計劃外的工作往往導致需要關閉CCUS工廠，從而降低總體捕獲率。為了避免這種情況，可以在關鍵的設備上部署冗余，如關鍵的熱交換器，以提高設施的運行可靠性。這種方法使重復設備能夠繼續正常運行，而現有工廠工作人員對受影響的設備進行現場維護，從而大大降低了CCUS設施的運行成本。
在定期維護期間，在BD3發電機內部（由國際CCS知識中心提供）。
熱能優化
操作二氧化碳捕獲過程所需的能量包括：1)用于溶劑再生以釋放二氧化碳的熱能，以及2)用于二氧化碳壓縮的電能。一個完全集成的捕獲設施從主機電廠獲取能源需求，如BD3的情況。或者，還可以建造一個專門建造的輔助發電廠，為部署在佩特拉新星的捕獲設施提供服務。
一個完全集成的燃燒后捕獲操作所遇到的關鍵挑戰之一是，最大限度地減少捕獲設施的能源需求對宿主電力設施的影響。從發電廠獲取能量會造成發電損失或“寄生負荷”，從而減少發電廠的凈功率輸出。所需熱能的數量和來源對電廠的運行效率和靈活性至關重要。相當大量的研究和技術開發將二氧化碳捕獲過程的能量需求最小化，導致商業專有溶劑，如BD3和PetraNova使用的溶劑，與傳統胺相比，提供了高達30%的能源需求。
熱能的來源對總體捕獲成本有影響。考慮BD3和Petra新星的比較是有用的。如果從主火電廠提取蒸汽，如BD3，機組的發電能力就會下降。此外，可以更換汽輪機的部分，以優化蒸汽提取壓力，而不施加節流損失，以使在滿負荷下提供峰值效率20。此外，可用蒸汽的數量，雖然不是線性相關的，但通常將遵循二氧化碳捕獲設施的需求。
薩斯克發電站碳捕獲試驗設施內的除氧器(由：SaskPower提供)
在佩特拉諾瓦的情況下，在一個輔助，熱電聯產，天然氣燃氣輪機提供蒸汽為二氧化碳捕獲，它可能很難獨立分配兩個動力單元。此外，不能在不降低效率的情況下，保證滿足電網對新燃氣輪機的需求，因為燃煤電廠減少了其負荷，以應對每日調度的變化。這種安排的一個好處是，電廠缺乏工作減少了宿主設施的停機時間，并降低了項目需要更新環境許可證的可能性。
從這一比較中可能得出的結論是，從現有電廠提取蒸汽的影響最小，并為新的CCUS設施提供最靈活和最經濟的選擇20，但可能需要考慮對機組環境許可的影響。
水消耗
大多數商業經營都考慮了供水和使用對環境和成本的影響。熱電廠。缺乏適當的供水可能會限制或停止某一特定地點的擴建，大多數發電廠已經開發到沒有額外供水的地步可用于冷卻目的。一個CCUS系統可以被設計而不需要額外的水來支持設施的冷卻要求，通過使用干式冷卻和濕式冷卻的組合從煙氣冷凝中采購它20。這種有目的的水再利用減少了來自發電廠現場的工藝廢物量，從而降低了相關的處理和處置成本。在燃燒高濕度燃料的發電廠中，這種節約成本的機會更高。
薩斯克電力發電站的蒸發冷卻塔(由：SaskPower)。
壓縮效率
二氧化碳壓縮需要給電廠施加大量負荷的能量。BD3處的壓縮功率占與CCUS設施相關的電力輸出損失的三分之一以上。BD3和Petra Nova的二氧化碳捕獲工廠為全負荷運行進行了優化，每個工廠都采用了一個單一的、綜合齒輪的二氧化碳壓縮機，在全負荷下實現最佳效率，并在有限的能力下適應較低流量而不造成顯著的效率損失。需要改進壓縮機的設計，以保持效率和操作的靈活性，以提高CCUS設施的負載跟蹤能力。
數字化
數字化可以提高煤炭和電力工業的安全性，提高生產率，并降低成本。這些改進的潛在影響和相關障礙差別很大。然而，總節省可能達到每年發電成本的5%。
數字數據和分析建模可以通過以下幾個方面幫助提高效率，并降低電力系統的運行和維護成本：
通過更好的監控和預測性維護減少中斷，通過快速識別故障點限制停機時間，改進計劃，
提高了發電廠的燃燒效率，從而降低了網絡中的損失率，
改進了貫穿整個電力系統的項目設計，
延長資產的運營壽命，以及
提高供電系統的彈性和可靠性。
二氧化碳運輸和存儲成本的降低
開發新的二氧化碳存儲位置會了巨大的成本。額外的成本雖然相對較低，但由于在已建立的存儲地點注入了更高體積的二氧化碳，可能會增加了對監測的需求。
英國CCS成本降低工作組30估計，CCUS發電廠的存儲成本可能從25英鎊/兆瓦早期CCUS項目減少到5-10英鎊/兆瓦通過投資二氧化碳中心或公共存儲網站每年5噸二氧化碳。如果開發一個存儲集群來利用幾種存儲類型和地理結構，二氧化碳存儲的可靠性將會提高，從而降低開發風險。這種方法對于確保經濟規模的CCUS化石火力發電項目能夠按照行業規范的成本交付和融資至關重要。
隨著二氧化碳運輸能力的增加，管道的建設和安裝成本以較低的速度增加。這是由于隨著運輸天然氣量的增長而實現了規模經濟。因此，通過對剩余產能進行適當的預先規劃，很有可能降低大量運輸二氧化碳的成本。運輸成本的其他基本驅動因素包括管道距離；穿越地形，特別是陸上地形；以及規劃成本。考慮到這些變量，成本最低的運輸網絡將會：
在適當尺寸的管道中運輸大量的二氧化碳；
考慮干線段和支線段的尺寸，以確保資產壽命最長時間內的高利用率；
通過考慮地形、海岸線穿越和規劃限制來減少二氧化碳運輸；和
盡量減少建造額外管道的需要，從而導致巨大的規劃成本。
工作組預計，支持CCUS的發電廠的運輸成本將從每年1-200萬二氧化碳的早期管道項目21英鎊/兆瓦，降至每年5-1000萬二氧化碳的后期項目5-10英鎊/兆瓦。
一個擁有CCUS的燃煤電廠為建立CCUS工業中心提供了一個理想的機會，因為如果規模合適，它每年可以捕獲數百萬噸的二氧化碳。通常情況下，其他工業企業每年只能供應數十萬噸二氧化碳，使它們成為不斷增長的CCUS工業中心的理想補充伙伴。建立一個相互連接的、適當規模的網絡樞紐，結合幾個大型捕獲工廠的二氧化碳，長期每兆瓦時的運輸成本比工作組估計的還要低。在運輸量增加的情況下，成本的增加將與更大的直徑的管道和更長的管道長度有關，這將促進存儲樞紐或集群的發展。然而，這些增加的成本將被EOR和增值化學品或在有相關碳補償的專用設施儲存的二氧化碳增加的顯著優勢所抵消。
蓄水池注入井安裝過程（石油技術研究中心）
推進業務案例
CCUS行業還處于起步階段。為實現CCUS項目建立關鍵的業務驅動因素存在巨大的潛力。目前，CCUS的部署工作已經在燃煤火力發電站產生了兩個工業規模的設施，以及其他17個已經將CCUS應用于一系列工業過程的設施。有限的安裝數量表明，為CCUS與煤炭電力一起開發一個良好的商業案例具有挑戰性。BD3和Petra Nova都依賴于二氧化碳EOR的大量收入來源。為了使CCUS得到廣泛接受，必須解決和改進價值流的所有具有挑戰性的方面。
電網支持和輔助服務
大型熱電站在整體電網響應中發揮著重要作用，包括頻率中斷、功率因數校正、燃料源的多樣性和可調度性。可再生能源的數量正在增長，并將在未來幾十年繼續攀升。輔助服務，以快速可調度的備用電源的形式出現，對于管理可再生能源固有的間歇性至關重要。儲備發電容量低的市場可能會在不穩定時期經歷價格飆升，可能超過正常市場水平的許多倍31,32。因此，開放市場的公用事業公司可以從配備CCUS的燃煤發電廠等提供備用電力的來源獲得額外的補償。
因此，重要的是，將捕獲設施與其主機電源單元的集成不會對提供可靠、穩定的電力產生不利影響。有趣的是，寄生負載的大小與CCUS部署在電力設施是一個機會來提高其業務情況可以關閉捕獲操作在短時間內以適應電力需求的峰值，從而使發電廠最大化輸出電網。第一代設施在這方面的能力有限。因此，在未來的設施設計中，必須考慮到靈活地減少CCUS的操作。
可再生能源集成
最大限度地實現低排放電力對降低全球排放至關重要；可再生能源對這一戰略至關重要。可靠的備用電源對于管理可再生能源特有的電源中斷至關重要。
尚德可行性研究發現，利用經過CCUS改造的燃煤發電廠，而不是天然氣發電廠，作為可變可再生能源的備用能源，具有意想不到的潛在環境效益。如果備用能源來自于天然氣，該發電廠將被要求在減少負荷下運行，以便將可再生能源的最大可用電力整合到電網中。然而，如果沒有部署CCUS，天然氣廠的效率在發電量降低時降低，其排放強度也會相應增加。因此，通過增加備用電源的排放強度，減少天然氣廠的負荷，使可變可再生能源發電能夠有效地應對可變可再生能源的非排放影響。
相比之下，配備CCUS的燃煤電廠在降低負荷運行時可以提高其二氧化碳捕獲率，從而通過進一步減少整體系統排放來提高可再生能源的環境效益。這種改進可以在CCUS設施沒有明顯增加資本成本的情況下實現。
尚德可行性研究估計，捕獲率可以從滿負荷的90%增加到最低電廠產量水平的97%，以支持可變可再生能源，確定為電網凈發電量的62%，幾乎沒有額外的資本成本。因此，將配備CCUS的燃煤發電與可再生能源相結合，是CCUS改造的一個改進的商業案例。
二氧化碳利用率、收入和存儲中心
批準BD3和Petra Nova項目的關鍵是實現用于EOR的捕獲二氧化碳的價值。然而，從單一的碳捕獲廠采購二氧化碳以滿足油田的需求并非沒有風險。EOR操作需要可靠的二氧化碳供應，以避免生產中斷。單個捕獲設施容易從捕獲過程或相關電力設施中斷和跳閘，從而阻止穩定二氧化碳容量的可靠供應。將兩個或多個二氧化碳源連接到一個EOR操作可以提高二氧化碳供應的穩定性，并降低了與二氧化碳交付挑戰相關的潛在運營成本。如上所述，當在適當的二氧化碳價值機制下建立二氧化碳樞紐時，CCUS的業務情況會得到改善，而其資本和運營成本可能會降低，未來運輸和存儲項目的增量成本也會降低。
二氧化碳存儲現場的表面監測設備。BD3碳捕獲設施（在后臺）通過管道將二氧化碳注入地下（3.4公里）和永久存儲（由石油技術研究中心提供）。
這個二氧化碳樞紐概念的一個例子，阿爾伯塔碳干線(ACTL)，將于2019年底在加拿大運營33。ACTL的規模是每年在其240公里的管道中運輸1460萬噸二氧化碳，預計將從一個不斷增長的二氧化碳樞紐的不同工業設施的多個捕獲工廠分支。運輸的二氧化碳將用于EOR和深鹽含水層的地質儲存。目前，沃爾夫能源公司已經簽訂了合同，每天運輸4400噸二氧化碳，位于西北紅水伙伴公司的斯特金煉油廠（1.20萬二氧化碳/年）和營養公司的紅水肥料生產設施（0.30萬噸/年），都位于埃德蒙頓的東北部。該二氧化碳將被增強能源公司用于其克萊夫油田的EOR。
類似的二氧化碳中心項目正在北海出現，涉及英國、挪威和鹿特丹港，用以開發專門的地質存儲地點。鹿特丹港可以建立一個二氧化碳運輸樞紐，以服務于荷蘭的工業設施。它可以擴展到比利時、德國和/或英國34。然而，擬議中的樞紐將需要足夠的碳價格或大量的發展補貼。
技術進步對CCUS成本和性能的影響
由于新技術的發展和相關的創新，CCUS的經濟性正在穩步提高。幾十年的研究、試點、領域和商業規模的項目已經推進了CCUS的各個方面，導致了成本的大幅降低。目前，在9個國家有近20個商用CCUS安裝，以及在世界各地正在進行的無數關于二氧化碳捕獲、利用和存儲的各個方面的研究和試點項目。
通過從商業CCUS運營中學習，資本和運營成本將繼續被削減。然而，技術的進步已經證明了資本的逐步變化運營成本是通過旨在降低下一代先進的第一代技術成本的研發來實現的。降低捕獲成本的收益最大，因為它們占迄今為止捕獲和存儲資本和運營費用的最大比例。盡管如此，通過部署由業務經驗和研究所產生的技術創新，在降低運輸和存儲成本方面繼續取得進展，這些業務經驗和研究通常與大規模的測試和驗證研究有關，通常與越來越多的商業CCUS業務一起進行。合適的碳利用技術的發展還處于更早的階段，是不斷增長的CCUS行業的優先事項和機遇。
許多捕獲技術都處于不同的成熟階段。本文考慮的少數選擇不僅展示了當前研究思想的廣度，而且強調了在研究和試點技術開發方面持續投資的必要性，以及最有前途的技術的商業部署的下一個必要步驟。
燃燒后捕獲技術
以煤粉為燃料的燃煤電廠必須采用燃燒后過程，如已安裝在BD3和PetraNova的胺水洗滌系統。隨著更多裝置的部署，降低的胺捕獲系統的成本將繼續改進。然而，其他類型的顯示出未來商業運營前景的技術正處于不同的發展階段。其中包括利用細胞膜捕獲二氧化碳。已經測試了合適的膜，可以以30-90%的速率捕獲二氧化碳，成本低至每噸30-40美元，然而，目前在這一范圍的高端捕獲成本很高35。2018年2月，美國能源部宣布資助各種先進碳捕獲技術的7項工程規模測試36。其中兩個項目將評估膜捕獲系統，包括位于挪威蒙斯塔德技術中心的一個1萬維管規模的項目。其他基于水溶液和非水溶劑、混合鹽和膜吸附劑混合劑的各種工程規模的捕獲技術研究獲得了資助。正在進行的工作的一個關鍵目標是優化能源消耗和消耗品，以減少捕獲成本，同時減少資本成本。
負排放：生物質與燃煤發電共燃燒
政府間氣候變化專門委員會第五次報告指出，要實現全球氣溫顯著低于2°C的四種途徑中，有三種需要從大氣中去除二氧化碳。這可以通過CCUS生物能源(BECCS)來實現，它需要燃燒可持續產生的生物燃料以產生能量，然后捕獲二氧化碳和永久地質存儲。對現有的燃煤電廠進行BECCS改造，可能會導致電廠在使用煤炭時的負排放強度運行，因為在生物量增長過程中去除的二氧化碳不會再排放到大氣中。褐煤發電廠轉換為BECCS的潛在排放強度可低至-1100t/GWh。對BECCS部署最重要的限制是可持續生物質的可用性。在配備了CCUS的現有燃煤電廠中，煤與生物質37共燃（見圖8）可以對生物質作為燃料來源的發展產生積極影響。
圖8：生物能源與燃煤發電的集成圖。
生物能源通常包括木材、木質廢物和殘留物、作物廢物和專門種植的生物質，包括適合用于邊際土地和廢水處理的高產二氧化碳作物的生長。這些燃料來源通常被壓縮成小球，可以在鍋爐中燃燒，包括燃煤鍋爐。共燃燒允許生物質與煤進行不同數量的混合，這取決于成本和生物質可用性。對于某些生物質類型，與煤混合會吸收生物質中的氯和其他化合物，否則將對排放和空氣質量以及鍋爐部件和碳捕獲設備的可靠性產生負面影響。一些生物質資源可以在現有設施中沒有煤炭的情況下有效使用，支持100%的生物質燃料，就像在英國的德拉克斯發電站成功部署的那樣。
到目前為止，BECCS的經驗有限，在美國伊利諾斯州的一家玉米-乙醇工廠，一個商業規模的裝置捕獲和地質儲存100萬噸的二氧化碳38,39。根據行業的不同，以及是否可能進行改造還是新建筑，據估計，BECCS的成本在每噸避免的二氧化碳15-400美元之間，生物乙醇是最便宜的部署選擇。然而，有幾個因素可能會鼓勵其在發電應用的發展：
與建造一個新的生物能源設施相比，現有的大量燃煤火電廠可能以更低的成本轉化為火力生物質。適當的時間對于確保在預期的電廠退役和隨后的拆除之前進行轉換至關重要，并避免與建設一個新的BECCS或生物質動力設施相關的重大資本成本。例如，加拿大最新的燃煤電廠是基菲爾3，這是一個450兆瓦的電廠，于2011年投產，初始資本預算為20億加元。建造一個新的，類似的生物能源熱能設施的成本，無論是否有CCUS，而不是改造現有的設施，將推遲開發。
現有的燃煤電廠幾乎可以無限期地延長使用壽命，其資本投資在每25-30年更換成本的10-15%之間。
在發電站使用生物能源的經驗將為建設提供合適的基礎。燃煤電廠的部分轉換已經發生。Drax電廠已經實現了100%的生物量燃燒。這一經驗可應用于燃煤電廠后續的生物量轉化。
對第二代CCUS安裝的改進是使BECCS切實可行的關鍵。Shand CCS可行性研究中強調的資本和運營成本直接適用于BECCS設施。
生物質一般是無硫的，因此降低了石灰石的消耗成本，以減少SO2，并減輕了SO2滑入二氧化碳吸收體的影響，并對胺的質量有負面影響。
BECCS轉換使能源供應具有靈活性。發電廠的轉換可以維持其共同燃燒不同數量的煤炭和生物量的能力，匹配生物質的季節性和年度可用性，包括任何供應中斷。
分期啟動生物能源發電將支持原料供應的增長。生物質與煤共燃燒將使其逐漸過渡到增加生物質燃燒，而生物質的供應則建立在具有適宜生長條件和靠近燃煤發電站的地區。
在合適的燃煤發電廠附近的農業和林業作業可以出現機會，為新的作物提供新的經濟價值流。
來自BECCS的碳抵消信貸可能在某些地區具有市場價值。BECCS的負排放可以為實施碳信用證以抵消其他地區正排放的地區創造一個正的現金流。
氧化燃料發電廠的技術
在未來，燃煤發電廠的捕獲可以通過預燃燒或氧燃料燃燒集成到發電過程中41。氧燃料燃燒是一種很有前途的燃煤發電技術，在過去的20年里，它已經在研究和試點規模上得到了廣泛的探索。在氧燃料燃燒過程中，煤的燃燒過程是使用純氧而不是空氣。由于消除了空氣中含有約78%的氮氣，燃料消耗減少了。純氧用煙氣稀釋，以避免溫度超過商業規模鍋爐建筑材料的規格。與熱燃煤發電相比，氧燃料燃燒過程中產生的煙氣體積減少了大約4倍。由于與燃燒后煙氣相比，氧燃料煙氣的二氧化碳濃度更高，二氧化碳濃度更高(>60%vs12-15%)。因此，與二氧化碳的凈化和壓縮相關的資本和運營成本可以顯著降低。氧燃料燃燒也可以提高電廠的效率，從而減少寄生功率損失，這是燃燒后二氧化碳捕獲電廠改造的特征。
卡利德氧燃料項目
一個需要考慮的有用例子是2012-2015年期間開展的澳大利亞-日本聯合聯合氧氣燃料CCUS項目42。該項目的以下主要特點包括43、44個：
該項目使用的燃料包括卡利德煤，一種澳大利亞中灰煤，半煙煤，與其他三種低至中灰含量和煙煤和無煙煤混合。
煤在一個30兆瓦的氧燃料鍋爐中以20,000公斤/小時的速度燃燒。
鍋爐在運行后一個月內的可靠性達到90%。
含68-70%二氧化碳的煙氣在腐蝕過程中進行過濾和洗滌，然后低溫分離二氧化碳，生產速率為75t/天，純度為99.9%。
捕獲了95%以上的SOx、NOx、微粒和微量金屬。
全規模的420萬We280萬噸二氧化碳鍋爐的配備類似設備的氧燃料改造的資本成本估計為2000-2300澳元/kW45，包括運輸和存儲。與對試點工廠的投資相比，這一成本減少了大約三分之一。420 MWe氧燃料捕獲設施的總體運行和維護成本是超超臨界燃煤電廠的1.5-2.0倍；在這兩種情況下，對沒有CCUS的成本進行了評估。這些觀察結果清楚地表明了規模對資本和運營成本的影響，以及部署先進的第一代技術所產生的額外成本。
卡利德是澳大利亞昆士蘭州中部的一個發電站，這里是卡利德氧氣燃料項目的所在地(由：CS能源有限公司提供)
Allam循環試點項目
阿拉姆循環是一種新的電廠設計，是基于加壓，氧燃料燃燒技術。傳統火電廠用于渦輪機發電的蒸汽被超臨界二氧化碳所取代。燃料燃燒和發電被集成在阿拉姆循環中。像所有的氧燃料燃燒過程一樣，阿拉姆循環使用氧氣進行燃燒，因此需要一個上游空氣分離單元。在循環中產生的煙氣，二氧化碳比常規燃燒產生的煙氣高得多42。
Allam循環特別有前途，因為它能產生二氧化碳，同時高效發電，從而有可能使發電速度與沒有二氧化碳捕獲能力的傳統發電廠競爭。如果二氧化碳可以出售和/或美國公司稅法第45Q條稅收優惠，Allam循環電廠可以以比不變的傳統電廠低得多的成本提供電力。換句話說，該系統可能會導致開發一個發電廠，而捕獲二氧化碳的成本可以忽略不計。阿拉姆循環可以使用天然氣、氣化煤或生物質作為其燃料來源來運行。在美國德克薩斯州的拉波特進行了一次50兆瓦的天然氣循環演示。北達科他州大學能源與環境研究中心也在進行5兆瓦褐煤阿拉姆循環的試點研究。
加強對公共政策的支持和籌資力度
要實現《巴黎協定》的目標，就需要國際社會承諾將CCUS作為減緩氣候變化的關鍵戰略。各國政府和融資機構認為CCUS成本高昂，并尋求其他成本較低的減排項目來激勵或資助，從而阻礙了有效政策的制定和融資，以支持CCUS的部署。
BD3碳捕獲設施的旅游團（由：國際CCS知識中心）。
矛盾的是，這些機制將降低CCUS的成本，從而確保必要的成本削減，以激勵新項目。
雖然政府政策必須針對特定國家，但可按照2016年CIAB報告中概述的政策分為四大類，即：
刺激CCUS市場的吸收，以大幅提高CCUS的部署水平和投資資本。政策必須使投資資本能夠獲得以市場為基礎的回報率，并在技術成熟時促進全球CCUS在能源和工業市場的部署。
支持項目開發。商業規模的CCUS項目的社會、減排和經濟效益都是巨大的。需要將從現有項目中獲得的經驗教訓和制定政策應用于財務降風險項目，以加速CCUS項目的開發過程。
使項目資金。許多國家已經向CCUS的項目提供了直接的資助。這種方法對于改善項目經濟效益和加強獲得投資資金的機會，從而降低CCUS項目的財務風險仍然很重要。然而，這些資金和投資都是不夠的。必須制定具有支持性的公共政策。由于類似的政策，低碳可再生能源的全球市場滲透率激增。并行方法對CCUS至關重要。
部署CCUS和推進下一代CCUS技術。傳統的政府注重研發是很重要的。然而，大規模部署經過驗證的CCUS技術對于降低成本和增加部署至關重要。各國政府必須繼續推進競爭前或沒有可識別的市場財務回報的下一代CCUS技術和知識發展，以確保未來的技術進步。
執行這些政策將使各國政府能夠以較低的成本實現其對《巴黎協定》的承諾（見圖9）。
圖9：提高CCUS經濟學的政策激勵措施
這里需要考慮的一個有用的例子是最近對美國現有的45Q稅收抵免的改進，以鼓勵CCUS的部署，特別是對工業部門的“低掛的果實”，如乙醇生產、天然氣加工和氨生產。由于《未來法案》的通過，CCUS的倡導者在美國有了一種新的勢頭，該法案改革了現有的45Q稅收抵免，以刺激CCUS的部署。改革后的45Q稅收抵免規定：
35美元/噸二氧化碳的有益用途，包括EOR
含水層儲存二氧化碳50美元
獲得稅收抵免的12年窗口期
施工必須在2024年1月1日之前開始
最低捕獲率：發電廠50萬噸，工業每10萬噸
可轉讓的，這意味著合作社等非營利組織可以使用稅收抵免。
然而，45Q可能需要額外的政策增強，以刺激CCUS在電力部門的部署50。雖然稅收抵免是激勵美國能源技術的一種可行方法，但它們與現金并不一樣，這可能會給一些試圖利用稅收抵免的電力公司帶來一些重大挑戰，包括：
公司稅基不足以利用45Q抵免。
美國的稅率已經降低了，所以CCUS的抵免也減少了。
稅收抵免的貨幣化可能低于預期，因為在轉讓給項目合作伙伴或通過貨幣化時，稅收抵免的價值至少下降了20%。
稅收抵免不能為項目資本成本提供資金，因為它們只每年可用，因為項目隨時間存儲二氧化碳，而不是在項目開始時。項目資本成本可能需要融資。
為了了解美國煤炭部門面臨的剩余挑戰，可以考慮從NRG佩特拉新星項目中吸取的教訓。NRG通過建設一臺天然氣渦輪機來提供捕獲設施的蒸汽和能源需求，從而增加了項目的成本和復雜性，從而設法避免了美國新來源審查(NSR)環境監管的挑戰。NSR法規對CCUS項目來說并非沒有風險，因為它要求使用“最佳現有技術”來減少工業排放。因此，一個旨在對現有設施進行最有效的CCUS集成的NSR可能會引發不經濟的工廠改造和/或降低預期的減排目標。
根據NRG的說法，結合該項目的經驗教訓將使今天一個類似項目的成本降低10-20%51。盡管相比之下，Petra Nova項目經常被引用花費約10億美元，但這包括管道和一個準備油田接收二氧化碳的資本項目，這些成本不一定由所有項目都產生。相比之下，對佩特拉新星的碳捕獲設施的資本約為6.35億美元。52一個新的240兆瓦項目，類似于佩特拉新星，每年捕獲約140萬噸的二氧化碳-EOR可能有資格獲得12年的45Q稅收抵免，價值約5.88億美元，從而提高投資回報率，降低融資風險。
除了改革后的45Q稅收抵免的積極性質外，許多其他公共政策提案目前正在制定或正在考慮中，這些提案將促進電力部門的新的CCUS項目，特別是煤炭項目。盡管燃煤電力部門在部署CCUS方面面臨什么挑戰，但目前美國正在考慮新的項目。當然，本文件中討論的非常實際的削減有可能在短期內在美國成為現實，而每個后續項目的經驗教訓將繼續降低未來的部署成本。
結論
本報告的目的是概述使用CCUS捕獲和儲存二氧化碳排放物的燃煤發電站降低成本的長期前景。圖10總結了本報告中概述的關鍵點。現有的項目為未來的CCUS設計和開發提供了重要的經驗教訓；許多項目將導致大幅降低資本和運營成本。迄今為止的工作已經成功地證明了規模和其他因素的有利經濟效益，以降低二氧化碳捕獲的成本。技術進步將導致進一步的進一步提高。有前途的新技術方法，包括膜捕獲，氧燃料燃燒和BECCS已經相應地強調。
到2020年，全球將有超過20個商業規模的CCUS項目在運行，每年有超過37萬噸的人為二氧化碳被捕獲和地質儲存53,54。這些項目是為了實現2008年在北海道設定的2010年G8的目標，盡管已經晚了10年。這些項目中只有兩個涉及到支持CCUS的燃煤電廠。在過去幾年中，工業規模的二氧化碳利用項目的部署取得了積極的進展，這大大增加了商業上可行的技術的數量和可能考慮用于未來項目的技術供應商的數量。此外，除了少數已經進行了大規模CCUS的國家之外，新的試點規模的CCUS項目和倡議已經啟動或正在其他地方開發中。
為了提高甚至維持CCUS部署速度，G20國家必須作出新的承諾，顯著增加CCUS安裝。這是履行巴黎協議下的現有承諾的一個重要的下一步，即到2030年及以后增加CCUS的部署。持續的進展將取決于以下各方面：
提高理解和知識。結合技術專業知識，以更好地理解二氧化碳捕獲的成本節約和二氧化碳捕獲的設計改進，以繼續促進進展。
減少了關于共享傳輸和存儲的不確定性。促進對發展有關運輸和儲存部件的主要基礎設施的必要投資，包括更好的物流規劃。
加強了政策和財政支持。必須作出國際承諾，建立支持性政策和創新的融資機制，使CCUS發展成為一個成熟的行業。
繼續投資于新技術的研究和試點項目，以及商業交流會的部署。過去幾十年來，在研究、試點和示范方面的大量投資必須繼續下去，而且確實必須繼續增加，以幫助減少與低排放燃煤發電技術相關的投資風險。這將加快技術開發周期。研究對于獨立和客觀的分析、生成數據和開發專業知識，以加速設計、允許和運行使用當地條件下特定的黑色和棕色煤的新燃煤電廠也是至關重要的。
圖10：燃煤電站CCUS降低成本潛力匯總
| 儲藏 | |
| CO運輸和儲存成本回收 |
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| 綜合項目 | |
| 資本和調試成本回收率 |
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| 運行成本降低 |
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| 推進業務案例 |
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CCUS與燃煤發電相結合是一個全球現實。雖然CCUS在發電部門的應用一直是本報告的主要重點，但如本文所述，應用從CCUS在燃煤電廠的部署中吸取的經驗教訓，可以作為二氧化碳減排策略擴展到其他能源密集型部門，反之亦然。由于缺乏可用的技術替代品，許多類型的以化石燃料為基礎的排放密集型過程將需要CCUS來實現2°C的目標。從發電廠的商業CCUS裝置中繼續學習和學習知識將直接轉移到能源密集型行業，以及為支持聯合火力電力部門快速吸收CCUS技術而建立的任何政策和金融工具也將如此。
在可能從單一的大型燃煤電廠捕獲的排放規模上，這些設施提供了獨特的機會，為CCUS樞紐提供額外的、更小的工業二氧化碳來源，補充利用和存儲供應。CCUS運輸和存儲基礎設施的發展對于增加化石能源部門的CCUS部署至關重要，并且必須與任何新的二氧化碳捕獲項目的開發協同進行。當然，隨著快速建立二氧化碳供應的能力，使用和存儲的最終用戶數量也必須增加，這將需要適當的政府和融資杠桿來激勵。在一個不斷增長的世界中，全鏈CCUS對于減少全球排放至關重要。
最近，歡迎和鼓勵改善商業CCUS項目的步伐和進展，結合燃煤發電和相關能源行業，已經實現，從而展示明確和積極的承諾工業部門提高知識、理解，和關鍵知識，這將不可避免地導致持續改善煤炭發電行業的環境性能。保持或理想情況下增加商業CCUS應用的勢頭將為實現巴黎協議的2度目標做出有意義的貢獻。
文章來源：工程技術交流平臺
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