當可再生能源遇到二氧化碳？部分解決碳“匯”問題

2月初，國務院印發的《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》提出，開展二氧化碳捕集、利用和封存(簡稱CCUS)試驗示范。“國際上普遍認為，CCUS技術是應對氣候變化不可或缺的重要技術，而捕集后的二氧化碳如何有效利用，是推廣CCUS技術的關鍵。”中國科學院武漢巖土力學研究所(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封存課題組研究員李小春和李琦的指導下，張力為和團隊成員甘滿光提出了二氧化碳捕集利用—可再生能源發電調峰耦合的設想。

“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電的‘調峰介質’。”張力為在接受《中國科學報》采訪時表示，他們已論證其可行性，并希望推動相關企業加以應用。

從“兩難”到不難

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

然而，盡管我國正在積極開發可再生能源，但當前能源消費結構仍以化石能源為主，且短期內難以改變。特別是可再生能源消費占比難以進一步提高。

“突出問題是風能和太陽能發電均存在調峰難、并網難。”張力為介紹，以風能發電為例，在用電負荷低谷時段風能發電量較大，“棄風”現象突出;風能發電資源分布不均，沿海地區用電量大而風能資源匱乏，北部、西部地區用電量小而風能資源豐富。

短期內，能源消費結構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利用、封存相關技術研發與推廣研究的張力為認為，二氧化碳是聯結燃煤電廠和可再生能源發電廠的關鍵，可變“兩難”為不難。為此，他們研發了二氧化碳捕集利用—可再生能源發電調峰耦合技術。

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

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，溫室氣體減排目標將無法達成，進而導致到21世紀末限制升溫相對于工業化前水平低于2℃的目標無法實現。更為關鍵的是，沒有CCUS技術，溫室氣體減排成本將會成倍增加，估計增幅平均高達138%。國際能源署發布的《CCUS在低碳發電系統中的作用》也指出，如果沒有CCUS技術，要實現全球增溫控制目標可能需要關閉所有化石燃料發電廠。

顯然，關閉所有化石燃料發電廠是不可能的，對其改造是最為切實可行的措施。

“如果我國每年能夠將10%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，每年可減排相當于100個600 兆瓦規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。

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電廠耦合起來，利用二氧化碳滿足可再生能源發電廠發電調峰、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電條件下，利用二氧化碳體積膨脹做功釋放能量發電，補充發電量不足;二是將捕集的二氧化碳轉化為甲酸等高能量化合物，實現過剩發電量的儲存，在可再生能源不利發電條件下，將其作為燃料電池發電原料產生電能，補充發電量的不足;三是將捕獲的二氧化碳作為地熱發電廠的攜熱介質，減少水資源消耗，提高地熱發電效率。

碳市場需要它

碳市場在我國的發展完善被認為可有效促進燃煤電廠碳減排改造。2月1日，《碳排放權交易管理辦法(試行)》正式施行，加上之前發布的《2019—2020年全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案(發電行業)》和《納入2019—2020年全國碳排放權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任壓實到企業。

在張力為看來，根據電價、碳交易價格和負荷需求，安裝碳捕集相關設施的發電企業可以采用二氧化碳捕集利用—可再生能源發電調峰耦合技術，與周邊的可再生能源發電廠建立聯系，形成一體化系統，從而靈活調整其發電量、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。

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

“這一想法比較超前，目前在國內還沒有具體應用。”但張力為對此充滿信心，“二氧化碳捕集利用—可再生能源發電調峰耦合技術有望成為我國2060年前實現‘碳中和’目標的技術解決方案之一”。(記者 秦志偉)