2 ℃/1.5 ℃温控目标下生物质能结合碳捕集与封存技术(BECCS)

常世彦1,2,3 ,郑丁乾3,付萌3  

(1.清华大学能源环境经济研究所,北京市 海淀区 100084;2.清华大学核能与新能源技术研究院,北京市 海淀区 100084;3.清华—力拓资源能源与可持续发展研究中心,清华大学低碳能源实验室,北京市 海淀区 100084)

摘要

工业化以来,全球气候变暖对自然和人类系统的影响日益显著。《巴黎协定》提出将全球升温限制在2 ℃以内,并努力将全球升温控制在1.5 ℃内,以避免气候变化造成更严重的影响。生物质能碳捕集与封存技术是未来有望将全球升温稳定在低水平的关键技术。梳理了实现温升目标2 ℃/ 1.5 ℃下BECCS可能贡献的最新研究进展,对BECCS发展的四个重要不确定因素即资源不确定性、技术不确定性、经济影响不确定性以及社会和生态影响不确定性进行了分析。在此基础上初步分析了BECCS在未来电力能源系统中的可能作用,并对中国研究和发展BECCS提出了政策建议。

关键词 : 气候变化;BECCS;生物质;生物质能;CCS

基金项目:国家重点研发计划(2017YFF0211903,2017YFA0605302);国家自然科学基金(71673165,71690244,51711520318);清华大学自主科研国际合作专项(20183080012)。

0 前言

全球气候变化是当前人类面临的严峻挑战,到2017年全球温室气体排放约每年535亿t CO2当量(包括土地利用变化)[1]。为了控制全球气候变化所带来的影响,《巴黎协定》提出将全球升温限制在2 ℃内,并努力将全球升温控制在1.5 ℃内,以避免气候变化造成更严重的影响。2018年,IPCC(the intergovernmental panel on climate change)发布了《全球升温1.5 ℃特别报告》,指出与升温2 ℃相比,限制升温1.5 ℃能够避免气候变化带来的众多风险和影响[2], 但是对全球应对气候变化也提出了更高的减排幅度要求和更为紧迫的时间表。实现全球2 ℃温升控制,CO2排放需要在2070年左右达到净零;而1.5 ℃温控目标下,CO2排放需要在2050年达到净零[2]

IPCC第五次评估报告(AR5)和《全球升温1.5 ℃特别报告》中都提出生物质能碳捕集与封存(bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)等相关的二氧化碳移除技术(carbon dioxide removal, CDR)是未来有望将全球升温稳定在低水平的关键技术,获得了学术界和政治领域的广泛关注。

在探讨BECCS大规模应用与实现全球2 ℃/1.5 ℃温控目标的研究中,着重讨论了以下3方面的问题:(1)是否有必要发展BECCS技术以及其发展的时间进程和规模取决于哪些因素;(2)大规模发展BECCS技术的可行性如何;(3)除温室气体(greenhouse gas,GHG)减排外,BECCS技术可能造成的影响有哪些。本文首先梳理了BECCS与实现温升目标2 ℃/1.5 ℃关系的最新研究进展,分析BECCS发展时间和规模的可能影响因素;其次,对BECCS发展中的关键不确定性进行分析;然后,对BECCS技术在未来电力能源系统的可能作用做了一些初步分析;最后,对中国研究和发展BECCS提出了一些政策建议。

1 BECCS技术发展与限制全球升温2 ℃/ 1.5 ℃目标的关系

实现全球升温控制在2 ℃/1.5 ℃,需要快速从传统的化石燃料消费转移到低碳能源,并使用CDR等非常规减排措施,包括BECCS、植树造林和再造林、土地恢复和土壤碳封存、直接从空气中进行碳捕获、增强风化作用和海洋碱化等[3]。BECCS是结合生物质能和二氧化碳捕集与封存来实现GHG负排放的技术。崔学勤等(2017)[4]以AR5情景数据库作为基础,筛选出249 组2 ℃情景数据,再结合Rogelj等(2015)[5]提出的37 组1.5 ℃情景数据,分析了不同升温目标下CDR技术的主要特征。根据他们的情景样本,2 ℃目标下有不少情景可以在完全不依赖负排放的情况下实现目标;1.5 ℃目标下累积净负排放量为230(165~310)Gt CO2,所有情景都需要依赖负排放技术的大规模应用。Van Vuuren等(2018)[6]提到AR5 “转型路径评估”一章[7]中所纳入的实现辐射强迫2.6 W/m2 (约2 ℃)的114个情景中,104个情景都考虑了以BECCS为代表的CDR技术,占91%以上。他们进一步利用IAM IMAGE模型尝试回答实现温升控制1.5 ℃目标是否有必要发展BECCS的问题。在他们的研究中,各种主要的GHG减排措施都进行了详细的量化评估,这些措施包括在所有部门和地区快速推广最佳适用技术(best available technologies)以提高能源和资源利用效率;实现终端部门更高的电气化水平,促进可再生能源发展;生活方式显著改变;以及采用最佳适用技术减少非CO2温室气体排放等。研究表明,每一项减排措施都可以大大提高实现1.5 ℃目标的可能性,但是只有当同时采用以上所有措施时,才有可能不需要使用BECCS技术[6]

BECCS技术的发展时间和规模是一个复杂的不确定决策问题,很多研究从碳减排需求的角度进行了探讨。Kriegler等(2018)[8]从全球碳预算的角度分析了以BECCS为代表的CDR技术的采用规模。根据他们的模拟,全球碳预算高于6500亿t CO2(2016—2100年)的时候,可以不采用CDR技术;高于5500亿t 低于6500亿t 时,需要依赖CDR或者地面净碳吸收来实现控制温升1.5 ℃的目标;低于5500亿t 时,只有当CDR技术以2040年超过40亿t CO2、2050年超过100亿t CO2这样的进度快速发展时,才能维持温升始终不超过1.5 ℃。碳预算越少的情况下,对CDR技术的需求就越大。Azar等(2013)[9]从不同温升目标以及是否允许短暂超过温升目标(overshoot)的角度研究了2 ℃和1.5 ℃下BECCS的作用。他们发现在持续维持温升不高于2 ℃和允许短暂超过1.5 ℃的2个情景下,BECCS都是从2040年左右开始大规模发展,同时如果考虑碳封存能力的总量约束,后一个情景下BECCS的利用规模将更高。很多研究人员侧重于研究BECCS的发展与社会经济发展状况之间的联系。例如,Fridahl等(2018)对共享社会经济路径(shared socioeconomic pathways, SSPs)的不同情景[10-11]进行了归纳,他们发现实现2 ℃温升目标下,BECCS使用增长最快且规模最大的情况多数发生在以化石燃料使用为主、延迟减排为主要特征的SSP5下[12];Rogelj等(2018)[13]基于6个综合评估模型和1个气候模型研究了1.5 ℃温升目标下的SSP情景,多数模型结果显示,SSP5情景相比其它情景更有可能提早并更大规模发展BECCS。《全球升温1.5 ℃ 特别报告》中总结提出了实现温升控制1.5 ℃的4种减排模式。在近中期资源能源消耗最高、CO2排放最高的P4发展模式下,全球从2030年左右就需要大规模发展BECCS。当然,生物质资源的可用性和CCS潜力等供给侧问题也是BECCS发展的关键要素[14]

综合来看,BECCS的发展规模在2050年为0~100亿t CO2,2100年为0~200亿t CO2,在CDR技术中占据着重要的份额(如表1所示)。其发展规模和时间一方面取决于我们设定的减排目标,另一方面取决于常规减排措施的应用情况,最后还取决于BECCS的生物质资源可用性和碳捕集与封存能力。未来实际的排放沿着怎样的路径前行,仍然是个未知数。但是,考虑全球经济社会发展、政治格局现状等因素,实现温升控制2 ℃面临很大挑战,实现温升控制1.5 ℃更是难上加难。联合国2018年《排放差距报告》显示,以2030年为计算时间点,国家自主贡献的减排承诺与2 ℃温升的差距为130亿~150亿t CO2当量,与1.5 ℃温升的差距为290亿~320亿t CO2当量[1]。可以确定,各国现有减排承诺将无法实现《巴黎协定》提出的温控目标,现在比以往任何时候都更需要采取行动,实现大幅减排。

目前对于中国实施BECCS的研究较少,Jiang等(2018)认为,在1.5 ℃情景下,BECCS在2030年后将会迅速增加,到2050年每年需要移除超过8.2亿t 的CO2[15]

表1 BECCS对CO2减排的贡献
Table 1 Negative emission potentials from BECCS

2 BECCS发展面临四大不确定因素

BECCS与化石燃料CCS的区别是,化石燃料CCS仅能做到零排放,而BECCS可以实现负排放[18]。允许全球CO2排放量暂时超过1.5 ℃目标的限值,然后再利用BECCS实现升温下降至1.5 ℃目标,很多科学家担心这一路径会降低CO2减排的紧迫性,从而影响国际社会常规减排的积极性[19]。但是,如果BECCS所能发挥的效果不如预期呢?如果地球系统实际的反应与气候模式模拟的并不相同呢? 有些学者称之为BECCS的道德风险问题[17]。目前对大规模实施BECCS的可行性仍然缺乏足够的科学认识。总的来看,有四大不确定因素,包括生物质可供应量、BECCS技术成熟度、大规模实施BECCS的经济性以及BECCS技术社会和生态影响的不确定等,这些因素将极大地影响BECCS所发挥的作用。

2.1 BECCS资源可获得性的不确定

2.1.1 适用于BECCS的生物质资源种类

适用于能源化利用的生物质资源分布广泛,根据生产要素投入要求的不同,可分为能源植物和非种植类资源[20]。能源植物资源是指以能源生产为主要目的而进行种植的一年生或多年生的植物资源,包括木薯、甜高粱、柳枝稷、芒、苜蓿等。而非种植类资源主要指各种植物残体及其利用过程中产生的固体废弃物,包括农业剩余物、林业剩余物、生活垃圾中的木质剩余物以及废弃油脂等。

对BECCS减缓全球气候变化所发挥效用的评估中,生物质原料的资源潜力是一个关键的制约因素。然而能源植物、农业剩余物以及林业剩余物等生物质资源在空间上分布不均匀,可利用的土地面积、环境政策的制约和技术经济的发展等都会影响到生物质的可供应量。

2.1.2 全球生物质原料潜力

生物质原料的资源潜力评估是一项涉及众多因素的工作,研究结果差距较大。

一般而言,生物质能潜力可分为理论潜力、技术潜力和实际应用潜力等。理论潜力从自然和气候参数推导得出,不考虑资源转换过程中的能耗,也不考虑任何技术和经济方面的实施障碍[21]。技术潜力是仅考虑技术的可能产出,不考虑经济和政策约束[21]。IPCC(2011)[21]估计全球生物质能最高理论潜力大约 1500EJ/a, 2050年全球生物质能技术潜力上限可达到500 EJ/a,考虑社会经济的发展、气候变化以及土地淡水和生物多样性的限制,2050年可用于能源化利用的生物质潜在的推广利用水平在100~300 EJ /a之间[21]。BECCS发展路径的很多模拟研究所给出的生物质能假设基本都在这一区间范围内。例如,Azar等(2013)[9] 所假设的生物质能资源潜力为200 EJ/a; Vaughan等(2018)[16]的研究中,结合CCS的生物质能供应量在2050年为128 EJ/a,到2100年将达到150 EJ/a。

从分类型生物质资源来看,Hoogwijk 等(2003)[22]评估的全球秸秆资源总量为10~32 EJ/a,林业剩余物资源在10~16 EJ/a之间。全球农林业剩余物的资源量与未来对生物质能的需求存在一定的差距。这一差距使得能源植物在未来的生物质能供应中占有重要的地位。但是,与农林业剩余物相比,能源植物的利用具有更大的不确定性。2050年全球适宜种植能源植物的土地面积范围从6000万到37亿hm2,其单位产量为6.9~60 MJ/m2a,从而使得全球的能源植物潜力范围在28~1272 EJ/a之间[23-27],相差了近45倍(如图1所示)。

对于能源植物潜力的估计(如表2所示),Erb等(2009)[24]和Van Vuuren 等(2009)[25]考虑了严格的限制,包括土地退化、水资源短缺和生物多样性的约束,因此评估的全球能源植物潜力上限分别为128 EJ/a 和300 EJ/a。相应的,若考虑更为宽松的约束条件,这一上限将大大增加(Smeets 等 (2006)[26]和Hoogwijk 等 (2005)[27]评估的上限分别为1272 EJ/a 和650 EJ/a),例如,Smeets 等(2006)把所有不需要生产粮食和饲料的过剩农业用地都纳入了适宜种植能源植物的范围,并假设未来粮食生产效率大大提高,减少了粮食生产所需的土地面积,因此评估的能源植物种植面积和产量远大于其他研究。

表2 文献中评估全球能源植物潜力的研究范围、方法和社会经济假设
Table 2 Research scope, methodology and socioeconomic assumptions of global energy crops potential assessment studies

图1 2050年全球适宜种植能源植物的土地面积及资源潜力[23-27]
Fig.1 Global land availability for energy crops production and energy potential from dedicated bioenergy plantations in 2050

2.1.3 中国生物质原料潜力

中国生物质原料总量的估计也存在较大差异。近期的研究表明,每年秸秆的理论产量范围为4.33亿 ~ 9.84亿t (6.22 ~ 14.14 EJ/a),大部分集中在7亿 ~ 8亿t 之间,而秸秆可收集量为3.72亿 ~ 7.69亿t (5.34 ~ 11.05 EJ/a)。 相比之下,每年可能源化利用的农作物秸秆仅为1.52亿 ~ 2.41亿t (2.18 ~ 3.46 EJ/a)[图2 (a)]。林业剩余物的生成量变化范围则更大,为1.69亿 ~ 21.75亿t(3.10 ~ 39.85 EJ/a),其中林业剩余物的可收集量范围为2.9亿 ~ 9亿t (5.33 ~ 16.49 EJ/a)[图2 (b)]。据清华大学中国车用能源研究中心估算,中国农林业剩余物可收集量到2050年约为11.87亿t (19.40 EJ/a),其中,可能源化利用量约为5.35亿~7.72亿t (8.74~12.64 EJ/a),而在考虑其他生物质能利用的前提下,可作为生物液体燃料原料的利用量约为2.1亿 ~ 4.46亿t (3.43 ~ 7.29 EJ/a)[20]

中国适宜能源植物发展的土地资源潜力,大约有4500万 ~ 14000万hm2 [图2 (c)]。其中适宜种植甜高粱的边际土地在219万 ~ 5919万hm2之间,而适宜种植柳枝稷的边际土地在128万 ~ 5940万hm2之间。由于受到种植的能源植物类型、边际土地的分布和经济性的影响,考虑不同的约束条件下,适宜种植的边际土地面积差别巨大。例如Zhang等(2009)[28]评估可能种植甜高粱的边际土地面积为5919 万hm2,当考虑更加严格的坡度、土壤和降雨条件时,适宜的面积仅为 410.5万hm2,如果再加上集中连片的未利用土地(土地面积≥100 hm2)的限制,只有78 万hm2的未利用土地适合种植甜高粱。

图2 中国生物质资源的能源潜力[20,28,53-77]
Fig.2 Energy potential of biomass resources in China

注:1.图中每一个点表示一篇文献评估的生物质资源量/边际土地面积,竖线代表生物质资源量范围/边际土地范围。2.图中秸秆的年平均产量单位(亿t/a)和(EJ/a)按照热值进行对应转换;林业剩余物的年平均生成量单位(亿t/a)和(EJ/a)也按照热值对应转换。秸秆和林业剩余物的热值引自文献[69],秸秆的平均热值为14368 kJ/kg,林业剩余物的平均热值为18322 kJ/kg。

2.2 BECCS 技术成熟度的不确定性

BECCS技术发展包括生物质能利用和CCS两个阶段。从技术层面来看,这两个阶段的技术都存在成熟度的问题。很多先进的生物质能利用技术,如纤维素乙醇、F-T合成生物燃料和生物质气化联合循环发电(biomass integrated gasification combined cycle,BIGCC)技术,目前尚处在研发示范阶段,未来的发展存在较大不确定性。

CCS的很多技术也处于示范工程阶段,技术的大规模实施存在众多挑战。在CCS捕集、运输和封存的3个阶段中,最成熟的环节是运输,其中管道运输最为成熟。目前CO2的管道运输正作为一项成熟的市场技术运作,2005年美国有超过2500 km的管道运输了超过40 Mt CO2[29],到2013年已经达到了6000 km[30]。利用船舶运输CO2在特定条件下是经济可行的,但是由于需求有限,只在小规模进行。未来CO2在运输阶段的主要挑战在于如何连接现有的管道网络和建设船舶运输的基础设施(例如暂时存储和液化的设施),以便优化源到汇的运输成本[29]

碳捕集技术主要包括燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧技术。虽然燃烧后捕集技术已具有一定商业可行性,但是富氧燃烧等技术仍处于工程示范阶段[31]

碳封存技术在短期或长期都是主要挑战,限制了全球范围的大规模碳捕集、利用和封存的实施。在石油和天然气田以及盐沼池构造进行地质封存在特定条件下是可行的,但是对于无法开采的煤层,这些技术的可行性尚未证实,而对于海洋封存及其生态影响尚处于研究阶段,还未开始试点[29]。中国的二氧化碳封存潜力可观,但主要集中在咸水层。根据中国2020年和2030年的相关计划,封存能力仅供满足小部分燃煤电厂的需求[31]

到目前为止,可收集到信息的BECCS示范项目全球有27个,如图3所示,其中有很多已经取消或搁置。这些项目大部分分布在美国和欧洲,主要基于现有的乙醇工厂、水泥厂、制浆造纸厂以及生物质混燃和生物质纯发电厂[18, 32]。目前,中国尚未开展BECCS示范项目。美国伊利诺伊州的Decatur市正在实施的BECCS项目(IL-ICCS project),是目前规模最大的BECCS项目。该项目在2017年4月开始运行,从玉米转化为乙醇的过程中,每年捕获一百万t CO2。捕获的CO2经过压缩和脱水后,注入到位于Mount Simon的大约2.1 km深的砂岩地层中永久封存[33]

图3 全球BECCS项目分布(数据来自Karlsson和Byström, 2010以及Kemper, 2015, 并更新了部分项目数据)
Fig.3 Global status of BECCS projects (adapted from Karlsson and Byström(2010) and Kemper(2015))

2.3 BECCS经济影响的不确定性

BECCS的成本不确定性体现在3个方面,一是链条长,既要考虑生物质能成本,也要考虑CCS成本;二是类型多,生物质能和CCS不同利用技术间成本差异较大;三是可能的技术进步存在很多不确定性。Smith等(2016)[3]综合6个IAM模型的评估结果显示秸秆和林业剩余物结合BECCS的成本为每吨 CO2当量130~375美元,根据所涉及的具体技术、部署规模和部署地点的不同,成本的变化范围也相当大,综合来看,BECCS在2100年的平均成本为每吨 CO2当量132美元。

BECCS技术本身的经济性对宏观减排成本具有重要影响。以成本优化为机理的综合评估研究,都将BECCS作为实现相同温升或碳减排目标下成本最优的方案。Azar等(2006)的研究显示,在允许短暂超出1.5 ℃的情景下,BECCS可以在很大程度上降低减排成本[34]

有少量研究已开展对BECCS其它经济影响的分析。Muratori等(2016)基于GCAM模型分析了BECCS利用与碳价和粮食价格的关系。他们认为,碳价与生物质和粮食作物价格直接相关。在缓解气候变化的情景中,BECCS可通过降低碳价和降低生物质总需求,来减少粮食作物价格上涨的压力[35]

IPCC在二氧化碳捕集与封存特别报告[29]中指出,CCS具有减少整体减缓成本以及增加实现温室气体减排灵活性的潜力,但是没有任何单一的技术方案能够全面满足实现温室气体稳定性的减排需求,而是需要一种减排措施的组合。

2.4 BECCS社会和生态影响的不确定性

在发展BECCS中还可能发生一些“应对目标风险带来次生风险”的问题,即旨在削减目标风险的努力的结果却同时增加了其它方面的风险[36]。其中,生物质能的发展本身就面临着对社会和生态影响的质疑。例如,生物质燃料的快速发展对2008年全球粮食危机的主要影响?巴西甘蔗乙醇生产对亚马逊流域的可能环境影响?全球生物燃料生产是否会诱发大规模天然林采伐,从而导致碳排放量增加?[37] 这些问题都还在持续争议中。《全球升温1.5 ℃特别报告》也明确提出大规模使用二氧化碳移除技术将会对生物多样性和生态系统产生重大影响。国际《生物多样性公约》第十次缔约方大会决定在用适当的科学方法对包括BECCS在内的地球工程的社会、经济及文化影响进行评价前,缔约方不得开展可能影响生物多样性的大规模地球工程活动[19]

Fajardy等(2017)[38]的一项研究表明,限制全球升温2 ℃情景下,BECCS在2100年的CO2移除量为3.3 Gt[3],大概需要360~2400 M ha的边际土地,36000亿~157000 亿m3的水,30~360 Gt 的营养物以及1.7~2.9 TW 的BECCS装机容量。作为对比,这些值的上限分别是目前世界谷物生产土地的3倍,是每年世界农业用水的2倍(包括蒸发散量),是美国每年营养物使用量的20倍,以及世界燃煤电厂总发电量的1.6倍。这一研究所给出的对土地、水和营养物的需求相对激进,对不同种类BECCS的区别以及BECCS的技术进步考虑的不够完善,但是这一研究也在一定程度上反映了很多研究人员对大规模发展BECCS的担忧。因此,BECCS对土地、水、粮食和基础设施等的影响仍然需要认真研究和讨论,相应的次生风险需要权衡。

3 BECCS技术在未来电力能源系统中的作用值得关注且有待进一步研究

若BECCS的大规模利用不可避免,则与CCS相结合的前端的生物质能技术及其在能源系统中的作用就是一个值得关注的问题。考虑投资成本与运营规模,很多规模较小的生物质能利用方式,如户用沼气、生物质户用炉灶等,很难与CCS结合发展为BECCS技术。正如2.2中所分析的,目前多数关于BECCS技术的研究主要集中在生物质发电技术+CCS和生物质交通燃料+CCS两个领域。生物质发电+CCS有可能成为未来电力能源系统的一个重要组成部分。

AR5中认为,相比交通、建筑和工业等部门,电力部门将有可能是率先实现负排放的部门。Ricci和Selosse(2013)[39]分析了实现2 ℃温升目标下2050年电力部门碳捕集与封存情况。他们认为,2050年全球电力部门碳封存量将达到76亿t CO2,其中17亿t 来自化石燃料电厂,58亿t 来自生物质发电厂。Selosse和Ricci(2014)[40]研究了辐射强迫2.6 W/m2(约2 ℃)下未来生物质发电技术+CCS的潜力。根据他们的模拟,2040年全球30%的发电量来自配备有CCS的电厂,其中一半是生物质电厂,一半是化石燃料电厂。McCollum等(2013)对全球升温2 ℃情景下能源系统投资进行了估算,研究显示生物质发电+CCS的总投资2030年为362亿美元, 2050年会增加到1383亿美元,2050年生物质发电+CCS的投资在全球能源系统总投资中占比为5%[3][41]

生物质发电+CCS也有不同的路线,目前较多研究集中在生物质掺混发电+CCS、生物质直燃发电+CCS和BIGCC+CCS等技术。表3对比了不同BIGCC技术的全生命周期CO2排放。相对于煤气化联合循环发电(integrated coal gasification combined cycle,ICGCC),BIGCC结合CO2捕集可以大幅减少CO2排放。值得注意的是,当掺混比例较低时,可能无法实现净负排放[47]

表3 不同发电技术和掺混比例的全生命周期CO2排放
Table 3 Life cycle CO2 emission by power generation technology and blending ratio

续表

注:1.CO2排放量是指全生命周期未包含植物光合作用吸收的CO2与CO2捕集量;2.CO2净排放量的计算方法是全生命周期CO2排放量与光合作用吸收的CO2及CO2捕集量的差值;3.BIGCC:生物质整体气化联合循环,ICGCC:整体煤气化联合循环。

生物质发电+CCS技术目前已有一些实践案例。例如,位于英国北约克郡的Drax发电厂于2018年开始试点BECCS,是世界上第一个100%从生物质原料燃烧过程中捕获CO2的项目。Drax发电厂投资40万欧元,每天捕获1t CO2,并且在2019年2月成功捕获首批二氧化碳[52]

示范性研究与大规模商业化应用间还是有很大差距,生物质发电+CCS将面临一系列问题,例如生物质资源的分布、电厂的分布和碳封存的空间分布之间的匹配;生物质能在电力能源系统中与其它可再生能源和新能源如何集成耦合等。此外,很多研究认为,考虑BECCS的利用,近中期化石燃料使用的退出速度可能会有所减慢。中国电力能源结构中煤炭比重很高,BECCS与燃煤电厂的关系仍有待进一步研究。

4 对中国研究和发展BECCS的初步思考与政策建议

本研究分析了近年来BECCS技术相关的研究进展,梳理了实现温升目标下BECCS的主要影响因素。在此基础上,提出了BECCS发展需要考虑的四大不确定因素,并指出BECCS在未来电力能源系统中可能发挥的作用有待进一步研究。

总体来看,考虑中国自身的能源结构和经济发展阶段,较高的碳排放总量和人均排放量将长期存在,未来中国将面临更大的减排压力。中国应高度重视BECCS的研究,积极谋划相关战略和行动,支持相关研究的开展。以往中国国内对BECCS的关注不多,研究尚显薄弱。从全球层面看,我们对BECCS应该持何种态度?中国是否需要发展BECCS?如果要发展,如何合理部署相关战略?这些问题的回答,都有赖进一步深入的科学研究、技术创新和产业实践。

第一,需要增强对BECCS在2 ℃/1.5 ℃目标下作用的科学认识。综合来看,BECCS的发展规模和时间取决于减排目标、常规减排措施的应用情况、生物质资源可用性以及碳捕集与封存能力的发展。减排目标相同的情况下,近中期越是沿着高排放的路径前进,未来大规模采用BECCS的可能性就越大,起始时间点也越靠前。大规模实施BECCS相关的负排放技术,能够降低减排成本,有助于实现控制全球升温的目标,但还需要通过进一步的研究以加强科学理性的认识,并采取适当的措施降低BECCS发展中的潜在风险。

第二,推进BECCS研究示范,增加相关的科学认识和公众接受度。目前已有不少国家进行了BECCS相关的示范工程,预计下一步将有更多的国家投入到这一领域,中国在该领域稍显滞后。应通过增强BECCS示范研究,增强技术储备。目前,中国在先进生物质能和CCS两方面已有商业化示范,如何结合这两者实现负排放是未来的主要方向。应高度关注BIGCC+CCS等领域的研究示范,以应对未来的减排压力。

第三,将BECCS技术纳入中国应对气候变化战略框架。BECCS是一种长期减排技术,其未来的发展和应用情况还有很大不确定性,但是按照现有的发展路径,实现2 ℃/1.5 ℃温升控制极有可能需要大规模应用BECCS技术。这就需要将BECCS技术作为减缓气候变化的可能选项,正视BECCS技术的潜在风险,对其应用保持客观理性和相对开放的态度。

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Bioenergy With Carbon Capture and Storage (BECCS) in the Pursuit of the 2 ℃ /1.5 ℃ Target

CHANG Shiyan1, 2, 3, ZHENG Dingqian3, FU Meng3
(1.Institute of Energy, Environment and Economy, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China; 2.Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China;3.Tsinghua-Rio Tinto Joint Research Centre for Resources, Energy and Sustainable Development, Laboratory for Low Carbon Energy, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

Abstract: Ever since modern industrialization, the impact of global warming on nature and human systems has become increasingly significant.In the face of growing CO2 concentrations, the Paris Agreement sets out a global action plan to limit global warming to well below 2 ℃ and pursuing efforts to limit the temperature increase to 1.5 ℃ to prevent dangerous climate change.Bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) is expected to play a critical role in stabilizing global warming at a low level in the future.In the paper, the review of potential contribution of BECCS to the global warming target of 2 ℃/1.5 ℃ is provided.Four major uncertainties in the development of BECCS are analyzed, namely, resource uncertainty, technical uncertainty, economic impact uncertainty and social & ecological impact uncertainty.The potential role of BECCS in future power energy systems is preliminarily analyzed.Finally, the policy recommendation on the research and demonstration of BECCS are provided.

Keywords: climate change; BECCS; biomass; bioenergy; CCS

National Key R&D Program of China (2017YFF0211903, 2017YFA0605302); National Natural Science Foundation of China (71673165, 71690244, 51711520318); International Cooperation in Independent Scientific Research of Tsinghua University (20183080012).


常世彦

作者简介:

常世彦(1979),女,副研究员,通讯作者,主要从事能源管理与气候政策研究,E-mail:changshiyan@mail.tsinghua.edu.cn。

郑丁乾(1990),男,硕士,研究方向为地理信息系统和生物质资源评价,E-mail:zhengdingqian@mail.tsinghua.edu.cn。

付萌(1983),女,硕士,研究方向为生物质能可持续评价,E-mail:fumeng@mail.tsinghua.edu.cn。

(责任编辑 张宇)


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