基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的碳捕捉與封存實(shí)施方案評(píng)價(jià)研究

王 眾，匡建超，龐河清，霍志磊

(1.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059;2.中國(guó)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(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

1 引言

目前關(guān)于CCS的評(píng)價(jià)大都集中于CCS系統(tǒng)的某一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于CCS全流程進(jìn)行集成研究的還較少。CCS不是捕捉、運(yùn)輸和封存三個(gè)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單相加，而是一個(gè)非線性的復(fù)雜時(shí)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(lái)，從一體化的角度對(duì)CCS方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，但其實(shí)質(zhì)還是將各環(huán)節(jié)的成本或收益進(jìn)行簡(jiǎn)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(jī)制，同時(shí)還忽略了CCS系統(tǒng)產(chǎn)生的額外能源耗費(fèi)和封存后CO2的泄露對(duì)整體減排效果的影響，從而無(wú)法科學(xué)、全面的對(duì)一個(gè)CCS方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，已有的全流程CCS方案評(píng)價(jià)幾乎都是將EOR作為封存選擇，對(duì)于深部鹽水層(Deep Saline Formation，DSF)封存探討較少。筆者認(rèn)為雖然EOR能增產(chǎn)石油具有額外的經(jīng)濟(jì)效益，但是由于注入率(部分油藏的年封存量遠(yuǎn)小于單個(gè)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(jī)會(huì)，分布更為廣泛、封存潛力更加巨大的DSF封存才是中國(guó)CO2長(zhǎng)期、深度減排的主要途徑［3］。

由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)能夠較好地處理非線性、多重反饋的復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)問(wèn)題，被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)科學(xué)和管理科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域［4］。近年來(lái)，有學(xué)者也開(kāi)始嘗試將SD用于CCS相關(guān)研究領(lǐng)域，如梁大鵬［5］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)中國(guó)的CCS商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行了研究，找出了我國(guó)CCS商業(yè)化模式推廣中最為關(guān)鍵的4個(gè)因素;Ravagnani等［6］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)通過(guò)EOR封存CO2項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了研究，考慮了EOR的能耗和潛在的CO2排放?；诖?，筆者根據(jù)中國(guó)的實(shí)際情況，同時(shí)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(shí)施方案［3］，以生命周期評(píng)價(jià)(LCA)思想為指導(dǎo)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法對(duì)該CCS方案建模，理清CSS系統(tǒng)要素之間的相互影響關(guān)系和反饋機(jī)制，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)分析CCS在運(yùn)行過(guò)程中的CO2流(注入量及封存過(guò)程中的泄漏)、資金流(收益及成本)、能量流(額外能源耗費(fèi))，從而能夠?qū)CS方案進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)的評(píng)價(jià)。

2 SPC+DSF的SD建模

2.1 模型假設(shè)

為了更有效地對(duì)CCS方案進(jìn)行分析、抓住問(wèn)題重點(diǎn)，在建模過(guò)程中特做出如下假設(shè)和簡(jiǎn)化:

(1)由于中國(guó)電力市場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不合理，電廠(特別是火電)巨額虧損的同時(shí)電網(wǎng)賺取高額利潤(rùn)，以至筆者無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)電的實(shí)際收益和成本［7］。同時(shí)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(yùn)營(yíng)費(fèi)用和收入同電廠分開(kāi)，即單獨(dú)計(jì)算CCS的經(jīng)濟(jì)效益，且CCS系統(tǒng)可以根據(jù)收益來(lái)決定是否繼續(xù)進(jìn)行CO2捕捉。

(2)根據(jù)學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)，模型假設(shè)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(shè)CCS系統(tǒng)減排的CO2可以通過(guò)情節(jié)發(fā)展機(jī)制(CDM)或類(lèi)似的碳交易機(jī)制獲得相應(yīng)的減排收益;目前國(guó)家對(duì)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(shè)安裝CCS系統(tǒng)的電廠，其上網(wǎng)電價(jià)享受一定的政策補(bǔ)貼。

(4)對(duì)于1000km內(nèi)大規(guī)模CO2的運(yùn)輸，管道運(yùn)輸是首選途徑［8］，本模型假定排放源和封存場(chǎng)地之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的管道運(yùn)輸方式。

(5)假設(shè)封存場(chǎng)地已經(jīng)過(guò)仔細(xì)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(shí)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(shè)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(jié)構(gòu)分析

(1)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。CCS系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)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(gè)主要組成部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CCS系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型基本結(jié)構(gòu)

減排子系統(tǒng)包含CO2捕捉量、運(yùn)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(dòng)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(gè)CCS系統(tǒng)的資金流動(dòng)及盈利情況;能耗子系統(tǒng)主要是指在整個(gè)CCS過(guò)程中的額外能源耗費(fèi)和實(shí)際電力輸出;技術(shù)進(jìn)步子系統(tǒng)則描述在CCS系統(tǒng)中，技術(shù)進(jìn)步是怎樣產(chǎn)生的。如圖1所示，這四個(gè)子系統(tǒng)又相互影響:減排效果的好壞通過(guò)碳稅影響系統(tǒng)的收益，系統(tǒng)的收益又反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)減排的動(dòng)力;減排量累積的多少通過(guò)學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)，決定系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的快慢;系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的快慢通過(guò)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(shí)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(guān)系分析。在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，元素之間的相互作用及影響可以概括為因果關(guān)系，正是這種因果關(guān)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(jìn)一步細(xì)化，便形成了CCS系統(tǒng)的因果關(guān)系圖，如圖2所示。

2.3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

在CCS系統(tǒng)因果圖的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dòng)力學(xué)模型的存量流量圖。模型中共有7個(gè)水平變量，分別是額外累積煤炭耗費(fèi)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(gè)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(jì)收益三個(gè)方面。

3 模型仿真及結(jié)果分析

3.1 模型主要參數(shù)設(shè)定

筆者運(yùn)用 Carnegie Mellon University開(kāi)發(fā)的IECM模型［9］以及文獻(xiàn) ［10］總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了CCS系統(tǒng)的各項(xiàng)內(nèi)部參數(shù)，并對(duì)CCS系統(tǒng)的外部參數(shù)進(jìn)行了假設(shè)。

3.2 模型仿真及結(jié)果分析

將設(shè)定好的參數(shù)帶入模型，運(yùn)用Vensim PLE軟件進(jìn)行仿真，得出了CCS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況，如圖3所示。

圖3a反映了捕捉系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)輸和封存場(chǎng)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(chǎng)地的密閉性直接影響CCS的減排效果。圖3b反映了技術(shù)進(jìn)步子系統(tǒng)的運(yùn)行情況，我們可以看出由于學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)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(yùn)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(fèi)則逐年下降。圖3d則反映了收益子系統(tǒng)的運(yùn)行，由于捕捉環(huán)節(jié)成本占整個(gè)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(shì);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(guò)30年的運(yùn)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(fèi)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(jìn)一步分析

(1)碳交易價(jià)格及碳稅對(duì)CCS的影響分析。盡管在2011年的坎昆氣候大會(huì)上CCS被列入CDM范圍之內(nèi)，但是離實(shí)際實(shí)施尚需時(shí)日。與此同時(shí)，通過(guò)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(duì)于CCS至關(guān)重要。為了考察CDM價(jià)格以及碳稅對(duì)CCS的影響，根據(jù)CERs價(jià)格的不同筆者設(shè)定了以下三個(gè)情景(見(jiàn)表1)，其仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4a中可以出，當(dāng)CERs=0且碳稅維持在50元/噸水平時(shí)，CCS系統(tǒng)由于捕捉成本大于碳稅停止運(yùn)行，年捕捉量為零(情景一);若在情景一的基礎(chǔ)上提高碳稅率且稅率足夠高，使得電廠繳納的碳稅遠(yuǎn)大于捕捉成本，CCS系統(tǒng)正常運(yùn)行(情景二);當(dāng)碳交易價(jià)格成為一個(gè)隨機(jī)變量，CCS的年捕捉量也會(huì)隨之變化(情景三)。從圖4b可以看出由于情景一無(wú)CDM收入，加之捕捉量為零也無(wú)電價(jià)補(bǔ)貼收入，因而年收入為零;情景二盡管無(wú)CDM收入，但有電價(jià)補(bǔ)貼收入，同時(shí)在技術(shù)進(jìn)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(jià)格的波動(dòng)而波動(dòng)。從圖4c可以看出，由于情景一的年捕捉量同基準(zhǔn)情景一樣，技術(shù)進(jìn)步的幅度一樣，因而年支出保持一致;情景二在整個(gè)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(shí)由于累積捕捉量稍小于基準(zhǔn)情景，因而從2019年開(kāi)始年支出略微高于基準(zhǔn)情景和情景一。從圖4d看出若無(wú)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(shù)進(jìn)步對(duì)CCS的影響分析。技術(shù)進(jìn)步作為CCS系統(tǒng)中一個(gè)重要的反饋，影響著CCS系統(tǒng)的運(yùn)行。為了更清晰地反映技術(shù)進(jìn)步對(duì)CCS的影響，本文還比較了無(wú)技術(shù)進(jìn)步(LR=0)和技術(shù)進(jìn)步較快(LR=0.083)兩種情況，其仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，由于技術(shù)進(jìn)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(dǎo)致整個(gè)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(shù)進(jìn)步較快”情境下的單位減排成本和單位減排能耗較“無(wú)技術(shù)進(jìn)步”情景分別降低5.6%和18.7%。

圖4 不同碳交易價(jià)格的CCS系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)論與建議

本文以生命周期評(píng)價(jià)思想為指導(dǎo)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)超臨界燃煤電廠排放的深部鹽水層封存(SPC+DSF)CCS實(shí)施方案進(jìn)行了建模與仿真，計(jì)算了該方案的減排效果、經(jīng)濟(jì)效益和能耗，分析了碳交易價(jià)格和技術(shù)進(jìn)步對(duì)CCS的影響。仿真結(jié)果表明:①DSF的減排效果較好，但是整體減排成本過(guò)高、能耗過(guò)大;②由學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)引發(fā)的技術(shù)進(jìn)步是CCS系統(tǒng)中一個(gè)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(jìn)入CDM(或相關(guān)碳交易體系)對(duì)于CCS至關(guān)重要。盡管?chē)?guó)家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于推動(dòng)碳捕集、利用和封存試驗(yàn)示范的通知》，力推CCS。但從仿真結(jié)果來(lái)看，單純的CCS實(shí)施方案(電廠捕捉+深部鹽水層封存)據(jù)大規(guī)模實(shí)施還有很長(zhǎng)的路要走。筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面入手降低CCS減排成本，提高企業(yè)和社會(huì)參與動(dòng)力，推動(dòng)CCS發(fā)展。

(1)發(fā)展碳捕捉、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)CO2的資源化利用。仿真結(jié)果表明CCS實(shí)施方案(DSF封存)收入主要來(lái)源于CDM收入(碳匯)，若無(wú)外部資金來(lái)源，CCS難以發(fā)展。因此除了加快推動(dòng)碳稅和碳交易機(jī)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(dòng)企業(yè)和社會(huì)的參與度和積極性。這樣從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度，不僅創(chuàng)造了環(huán)境效益，還創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值，達(dá)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(jī)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(shù)路線，以天然礦物和工業(yè)固廢為原料對(duì)捕集的CO2進(jìn)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(xué)習(xí)率的CCS系統(tǒng)仿真結(jié)果

(2)同其他低碳技術(shù)結(jié)合，爭(zhēng)取更多的政策及資金支持。由于我國(guó)能源生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)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(chǔ)的綠色煤電技術(shù)已成為未來(lái)我國(guó)綠色發(fā)電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。因此，可以借助推進(jìn)我國(guó)綠色煤電發(fā)展的契機(jī)，為CCS爭(zhēng)取更好的政策和資金，促進(jìn)CCS的研發(fā)和示范，從而推動(dòng)CCS自身的發(fā)展［13］。另外，目前國(guó)際上生物質(zhì)能源發(fā)電技術(shù)與CCS結(jié)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(guó)家對(duì)于可再生能源發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼力度較大，若國(guó)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(jī)促進(jìn)CCS的發(fā)展。

(3)加大技術(shù)轉(zhuǎn)讓和擴(kuò)散力度，加快技術(shù)進(jìn)步。仿真結(jié)果表明由學(xué)習(xí)曲線效應(yīng)引發(fā)的技術(shù)進(jìn)步能夠促進(jìn)CCS成本和能耗的降低，倘若CCS技術(shù)應(yīng)用越廣泛，裝機(jī)容量和捕捉量就會(huì)越大，技術(shù)進(jìn)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(shù)還掌握在西方發(fā)達(dá)國(guó)家手里，除了加大自身的研究外，可以充分利用國(guó)際減排合作機(jī)制，利用國(guó)內(nèi)巨大的碳減排市場(chǎng)促使發(fā)達(dá)國(guó)家向中國(guó)轉(zhuǎn)讓 CCS相關(guān)核心技術(shù)［15］。另一方面，CCS技術(shù)涉及政府、科研機(jī)構(gòu)、電廠和公眾等利益相關(guān)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(yīng)該加強(qiáng)“技術(shù)需求-技術(shù)供給-技術(shù)擴(kuò)散”的集成研究，加快CCS的技術(shù)擴(kuò)散［16］。

［1］J.P.Jakobsen，G.Tangena，?.Nordb?，et al.Methodology for CO2chain analysis［J］.International Journal of Greenhouse Gas Control，2008，4(2):439-447.

［2］J.P.Jakobsen，A.Brunsvold，J.Husebye et al.Comprehensive assessment of CCS chains-consistent and transparent methodology［J］.Energy Procedia，2011，(4):2377-2384.

［3］匡建超，王眾，霍志磊.中國(guó)二氧化碳捕捉與封存技術(shù)(CCS)早期實(shí)施方案構(gòu)建研究［J］.中外能源，2012，17(12):17-23.

［4］鐘永光，賈曉菁，李旭，等.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［5］梁大鵬.基于電力市場(chǎng)的中國(guó)CCS商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式及仿真研究［J］.中國(guó)軟科學(xué)，2009，(2):151-163.

［6］A.T.F.S.G.Ravagnani，E.L.Ligerob，S.B.Suslick.CO2sequestration through enhanced oil recovery in a mature oil field［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2009，65(3-4):129-138.

［7］D.P.Liang，W.W.Wu.Barriers and incentives of CCS deployment in China:results from semi-structured interviews［J］.Energy Policy，2009，37(6):2421-2432.

［8］張鴻翔，李小春，魏寧.二氧化碳捕獲與封存的主要技術(shù)環(huán)節(jié)與問(wèn)題分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010，25(3):335-340.

［9］Carnegie Mellon University.About IECM［EB/OL］.(2012-12-12)［2012-12-12］.http://www.cmu.edu/epp/iecm/about.html.

［10］D.L.McCollum and J.M.Ogden.Techno-economic models for carbon dioxide compression，transport，and storage ＆ correlations for estimating carbon dioxide density and viscosity［R］.CA，USA:Institute of Transportation Studies，2006.

［11］仲平，彭斯震，賈莉，等.中國(guó)碳捕集、利用與封存技術(shù)研發(fā)與示范［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2011，21(12):41-45.

［12］謝和平，謝凌志，王昱飛，等.全球二氧化碳減排不應(yīng)是 CCS，應(yīng)是CCU［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2012，44(4):1-5.

［13］甘志霞，劉學(xué)之，尚玥佟.我國(guó)發(fā)展二氧化碳捕集與封存技術(shù)的挑戰(zhàn)及對(duì)策建議［J］.中國(guó)科技論壇，2012，(4):135-138.

［14］J.S.Rhodesa，D.W.Keithb.Engineering economic analysis of biomass IGCC with carbon capture and storage［J］.Biomass and Bioenergy，2005，29(6):440-450.

［15］周五七，聶鳴.促進(jìn)低碳技術(shù)創(chuàng)新的公共政策實(shí)踐與啟示［J］.中國(guó)科技論壇，2011，(7):18-23.

［16］張慧明，周德群，曹杰，等.溫室氣體減排技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國(guó)科技論壇，2011，(9):104-109，120.