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CCUS技术的碳投入回报评价方法研究

苗玲 ,  冯连勇

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 1 -5.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 1-5. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.001
专论与评述

CCUS技术的碳投入回报评价方法研究

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Study on assessment method for CCUS technology from perspective of carbon return on investment

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摘要

为量化CCUS等技术在碳减排方面的实施效能,引入了碳投入回报(CROI)评价方法,旨在建立碳中和目标下突破传统技术经济评价的新型评价角度。基于对CROI概念、原理以及方法的系统梳理,利用CO2加氢制甲烷和甲醇的案例来说明CROI的应用价值。研究发现,CROI是评价CCUS技术利用与封存效率的优质指标,其评价准则可快速判断CCUS技术是否具备环境可持续性;CROI评价结果对系统边界的敏感性极强;CO2加氢生产甲烷和甲醇,H2源对CROI结果的影响大于CO2源的影响,甲烷和甲醇生产路径比较,甲醇对氢气来源的清洁性要求更高。

Abstract

To quantify their effectiveness,the Carbon Return on Investment (CROI) assessment method is introduced,offering a new assessment perspective beyond traditional techno-economic assessment.Based on systematically analyzing CROI’s concept,principles,and methods,this study demonstrates the application value of CROI through applying it to the cases of CO2 hydrogenation to produce methane and methanol.Findings show that CROI is a robust indicator for assessing CCUS technology’s utilization and sequestration efficiencies.The assessment criteria can quickly determine whether CCUS technology has environmental sustainability.CROI assessment results are highly sensitive to system boundaries.As for CO2 hydrogenation to methane and methanol processes,the impact of H2 source on CROI is more than that of CO2 source.Comparing CO2 to methanol route with CO2 to methane route,methanol production requires cleaner H2 than methane production.

Graphical abstract

关键词

碳中和 / CO2化工利用 / 碳投入回报(CROI) / CCUS技术

Key words

carbon neutrality / chemical utilization of CO2 / carbon return on investment (CROI) / CCUS technology

Author summay

苗玲(1998-),女,博士生,主要研究方向为能源经济,.

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苗玲,冯连勇. CCUS技术的碳投入回报评价方法研究[J]. , 2025, 45(10): 1-5 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.001

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随着碳中和目标的提出,碳捕集、利用与封存(CCUS)作为一种关键的负碳技术受到了世界各国的高度重视。CCUS技术作为传统化石能源低碳利用的技术手段,与耦合新能源技术实现负碳排放的关键技术选择,已经成为各国实现碳中和目标不可或缺的重要战略抓手[1]。我国政府十分注重CCUS技术的发展,当前我国已投运或处于建设中的CCUS示范项目遍布多个省份[2]。当前CCUS技术方向选择众多,评价体系复杂,缺乏统一、系统性的CCUS评价方法。为量化不同CCUS技术发展路径在碳减排方面的实施效能,本研究引入碳投入回报(Carbon Return on Investment,CROI),旨在建立碳中和目标下突破传统技术经济评价的新型评价角度,为政府、CCUS技术投资方等利益相关者提供决策参考。
现有文献对CCUS项目进行了不同维度的评价,经济性评价是最常见的评价方法,也是投资者最关心的指标之一,主要包括净现值(NPV)、内部收益率(IRR)、投资回收期、成本、盈亏平衡等[3]。除经济评价外,CCUS技术可行性也是专家们关注的热点,涉及技术成熟度、安全性、技术协同性以及能源消耗等[4]。此外,有学者以CCS为例,论述其成功不仅依赖于成熟的技术支撑和经济可行,还涉及公众接受度、政策支持等社会因素[5]。
上述评价方法主要考虑CCUS技术的经济性、技术可行性、政策支持、减排潜力等,对CCUS项目的评价有一定的可借鉴和拓展研究意义,但仍然存在不足,主要表现在以下3个方面:(1)评价角度没有从根本上反映CCUS技术的碳减排效率;(2)对于CCUS各流程的评价较为割裂,缺乏系统性和全生命周期的评价;(3)评价方法可迁移性弱。基于此,本研究引入CROI评价方法,开辟了CCUS技术评价新视角,以CCUS技术的碳减排效率为评价核心,建立具有普适性且能从根本上反映CCUS碳减排效率的评价方法。

1 碳投入回报评价方法

Singh和Colosi于2021年提出CROI的概念[6],将CROI定义为大气中CO2的隔离量与整个生命周期内CO2的排放量之比。这个定义只适用于直接空气捕集与封存(DACCS)技术,有其局限性。IPCC第六次评估报告(AR6)将CCUS划分为碳捕集与封存(CCS)、碳捕集与利用(CCU)、生物质能碳捕集与封存(BECCS)以及直接空气捕集与封存(DACCS)四类[7]。本研究将CROI定义为捕集、封存或利用的CO2量与该工艺运行需要投入的CO2之比。

1.1 CROI评价原理

CCUS工艺中,通常CO2的封存、利用以及过程中排放的CO2以相同单位计量,所以CROI是一个无量纲的比值。为了快速了解CROI指标的概念和意义,本文借助4种CO2排放模式剖析CROI的评价逻辑。4种碳排放情景如下:
情景一:不对系统产生的CO2排放做任何处理。
情景二:系统配套CCUS技术,系统产生的CO2实现部分捕集并被封存或利用,但系统排放的CO2量高于封存或利用的CO2量。
情景三:系统配套CCUS技术,排放的CO2量与CCUS消纳量刚好相等。
情景四:系统配套CCUS技术,且实现CO2封存或利用量高于系统自身CO2排放量。详见图1。
由图1可以直观地看出,情景一中,产生的CO2会全部排入到空气中,此时对应的CROI等于0,因为该过程不存在CO2的捕集、利用或者封存(即图中的CO2脱除,下同);情景二中,人为添加了CCUS装置,尽管这个过程系统排放的CO2高于脱除的CO2,但已经实现了部分CO2封存或利用,对应的CROI介于0与1之间;情景三中,系统的CO2吸收量与排放量刚好相等,达成平衡,对应CROI=1,代表了该系统脱除的CO2与排放的CO2相等,实现了净零CO2排放;情景四中,CO2脱除量>CO2排放量,真正实现了CO2负排放,此时系统的CROI>1。

1.2 CROI边界

为了确定CROI计算的边界,需要明确CCUS技术应用系统及内部类型的区别。例如,CCS和CCU存在差异,前者将CO2埋藏到地下,而后者则需要将捕集的CO2用于生成其他产品,在此过程中需要消耗能源和其他资源。因此,确定边界时需要考虑技术差异性。而目前CROI边界的确定问题还没有得到有效解决。CROI评价结果取决于参考系统的边界,图1中的情景二、情景三和情景四,甚至会因为系统边界的不同得出不同的CROI评价结果,明确系统边界是CROI评估的关键。

1.3 CROI计算方法

CCUS技术的系统边界内包含了CO2的来源、捕集、运输、利用与封存等技术环节,图2展示了CO2从来源到最终去向的全生命周期监测。CO2来源主要包括化石燃料发电,水泥、钢铁等工业生产过程,煤化工和石油化工以及直接来自大气。CO2捕集有不同的分类方法,根据分离的过程,目前主要捕集方法有吸收法、膜分离法、吸附法和深冷分离法等[8]。CO2运输目前包含管道运输、船舶运输、公路槽车运输和铁路槽车运输。CO2封存主要是海洋封存和地质封存,其中地质封存包含咸水层封存、CO2驱油和强化煤层气开采。CO2的利用技术多种多样,根据是否需要转化分为非转化利用、转化利用以及生物利用。CCUS系统边界内,主要是CO2的捕集和运输耗能产生CO2排放,CO2利用与封存实现最终消纳。
CCUS技术环节会发生直接和间接的CO2流,系统的CROI计算式可用式(1)表示。
$CROI=({S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+{U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}})/(\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}})$
式中,系统的CROI为无量纲比值; ${S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为最终被封存的CO2量,kg; ${U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为最终被利用的CO2量,kg;i为系统内的技术环节; ${{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为CO2的直接排放量,kg; ${{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为间接排放量,kg。
CCUS实际应用中,在某一特定边界系统内往往只存在CCS或CCU中的某一种模式,若系统内CO2的最终去向为封存时,CROI表达式为式(2);若系统内CO2的最终去向为利用时,CROI表达式为式(3)。同时,考虑到CROI是表示CO2封存或利用效率的一个相对值,还需要可表征CO2净封存或净利用的绝对量,计算公式分别为式(4)和式(5):
$CRO{\mathrm{I}}_{s}={S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}/(\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}})$
$\mathrm{C}\mathrm{R}\mathrm{O}{\mathrm{I}}_{u}=\frac{{U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}}{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}}$
$N{S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}={S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}-\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$
$N{U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}={U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}-\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{D}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}+\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{{I}^{i}}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$
式(2)~(5)中,CROIs为系统边界内CCS技术的CROI;CROIu为系统边界内CCU技术的CROI;N ${S}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为CO2净封存,kg;N ${U}_{\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}}$为CO2净利用,kg;其他量同式(1)。
CROI的定义和计算表达式相对简单,但在实际应用中复杂多变。这是因为系统内涉及CO2的流入和流出环节,特别是直接和间接的CO2排放,在统计时应格外谨慎。

2 CROI案例评价:CO2化工利用

CCS、BECCS和DACCS在本质上都是CO2的捕集与封存,只有CCU是CO2捕集与利用。CCU可将CO2转化为具有经济价值的产品,更符合碳循环经济的发展理念,本部分将以CO2的化工利用为例,阐明CROI评价的意义。案例的研究目标并不在于对CCUS化工过程的系统分析,而是将重点聚焦于说明CCUS技术的CROI度量和价值。

2.1 案例概况

CO2加氢制得的产品主要是以一氧化碳、甲烷、甲醇等碳一化合物和烃类为主[9],其中CO2加氢制甲醇和甲烷都是通过CCU降低CO2排放、增加产物经济价值的重要实现路径。参考Hoppe等对CO2生产甲烷、甲醇以及衍生聚合物的全生命周期评价[10],本部分以CO2和H2为原料生产甲烷和甲醇,探究不同CO2化工利用路径下的CROI。为了丰富CROI的内涵、深入理解CROI评价思想,本案例设置多个CO2源和H2来源,并使之交叉形成不同的CCU技术实现路径。其中CO2和H2各考虑3个来源,根据CO2浓度差异,分别选取石油化工、褐煤发电厂和直接空气捕集的CO2;H2则根据清洁程度分为灰氢、蓝氢和绿氢,案例设置的灰氢、蓝氢和绿氢分别为煤气化制氢、耦合CCS技术的蒸气甲烷制氢和光伏发电制氢,CO2加氢制甲烷和甲醇的实现路径见图3。

2.2 数据来源

为简化不必要的工业过程,假设CO2捕集与利用同地区,忽略CO2运输阶段。CO2利用分为H2制备、CO2捕集以及利用CO2生产甲烷和甲醇3个阶段。H2制备阶段,参考Ji等[11]汇总的17种不同制备方案下单位H2生成所排放的CO2排放均值,本案例中灰氢、蓝氢和绿氢的碳排放数据分别参考不同制备方案下CO2排放均值。CO2捕集以及利用CO2生产甲烷和甲醇,参考Hoppe等[10]和Johansson等[12]来自模拟和工业过程。过程的CO2排放数据,单位电能的碳排放将依据我国生态环境部2022年最新发布的电网排放因子0.581 0 t CO2/MWh核算。各阶段数据基础见表1。

2.3 CROI评价结果

利用表1中的基础数据,计算了生产1 t甲烷和1 t甲醇的CROI及CO2净利用。表2和表3展示了不同交叉路径下,甲烷和甲醇的CROI及CO2净利用评价结果。
表2中,煤气化制氢提供H2源生产甲烷的CROI评价结果均小于1,表明该路径下的甲烷生产技术并非负碳技术,CO2净利用结果均小于0,表示在生产1 t甲烷时,系统中3种CO2来源对应的环节都会向外排放CO2;耦合CCS技术的蒸气甲烷制氢提供H2源生产甲烷的CROI评价结果均大于1,CO2净利用大于0,表明该生产情景属于负碳生产,且生产1 t甲烷在3种CO2来源中分别能实现0.15、0.11 t CO2和0.09 t CO2净减排;光伏发电制氢情景中,CROI评价结果均大于1,CO2净利用大于0,3种碳源对应的系统分别可实现0.96、0.82 t CO2和0.79 t CO2净利用。
表3中,煤气化提供H2源生产甲醇的CROI均小于1,无论碳源来自何处,生产1 t甲醇,系统会向外排放超过0.7 t CO2;耦合CCS技术的蒸气甲烷制氢生产甲醇时,CROI高于煤气化制氢生产甲醇路径,但仍然小于1,同样会使得系统向外排放CO2;光伏发电提供H2生产甲醇时,CROI>1,CO2净利用>0,系统可实现CO2负排放。

2.4 分析与讨论

由H2源对CO2化工利用的CROI影响分析可知,当H2来源于煤气化时,无论CO2是通过何种捕集手段获得,在生产甲烷和甲醇方面的结果差别不大,CROI均小于1。这意味着从全生命周期的角度考虑,该生产路径下CO2利用效率较低,减排贡献力度不足,不应当作为优先发展的CCUS技术。当H2来源于耦合CCS技术的蒸气甲烷时,无论CO2源来自何处,生产甲烷的CROI结果均大于1,而生产甲醇的CROI均小于1,此时对于路径的选择应当谨慎,从碳减排效率的角度看,应当优先投资甲烷生产路径;当H2来源于光伏发电时,无论生产甲烷还是甲醇,CROI评价结果均大于1。这意味着从碳减排效率的角度来看,2种CO2化工利用技术均实现了负碳生产。理论上该情景下2种CO2化工利用技术均具有较高价值的减排潜力。
考察不同CO2源对CROI评价的影响,当H2来源相同时,从石油化工捕集CO2生产甲烷或甲醇的CROI评价结果最大,褐煤发电厂捕集次之,直接空气捕集最小。利用CO2和H2生产甲烷或甲醇的18种路径中,光伏发电制氢且从石油化工捕集CO2生产甲烷或甲醇可实现最佳碳减排效果。
综合对比不同CO2源和H2源生产甲烷和甲醇的技术路径,有3点发现值得重点关注:(1)利用CO2与H2生产甲醇,只有当H2是由光伏发电供应时,CROI才大于1,而生产甲烷时耦合CCS技术的蒸气甲烷制氢供应H2路径的CROI>1,说明甲醇生产路径对H2源的清洁性要求更高。(2)同样生产 1 t甲烷或甲醇,只要H2不是由煤气化制得,无论通过何种方式捕获CO2,甲烷生产路径的CROI均大于甲醇生产路径。(3)综合表2和表3,H2源对CROI结果的影响大于CO2源的影响,意味着是否将CO2转化为有价值的碳氢化合物在很大程度上取决于用于生产的H2源,而CO2源影响相对较小。
表4展示了不包含H2源的CO2利用系统CROI评价结果与原始评价结果的对比,其中 CROIvar表示系统边界不包含H2源的评价结果。对比发现,系统边界不包括H2生产过程时,甲烷和甲醇生产的评价结果CROIvar均大于1,理论均可视为负碳技术,而初始CROI评价结果并非如此,说明了CROI评价结果对于系统边界的敏感性很强;对比甲烷生产和甲醇生产的CROI与CROIvar,可明显看出,甲烷的CROI结果变化幅度显然高于甲醇的CROI,表明H2对甲烷生产的CROI影响程度高于甲醇。

3 结论与展望

3.1 研究结论

碳中和战略目标下,CCUS等碳减排技术已成为各国竞相发展、实现减碳降碳的重要战略抓手,CCUS技术在我国也处于蓬勃发展阶段,但目前尚未形成系统性评估CO2利用与封存效率的方法,引入CROI方法可有效评价CCUS技术的碳减排效率,CO2加氢生产甲烷和甲醇的案例阐明了CROI的应用。研究结论如下。
(1)CROI是评价CCUS技术利用与封存效率的优质指标。在CCUS项目的评估中,可以直接根据CROI值检验碳减排效率,当CROI<1时,所评价项目尚未实现零碳排放或负碳排放,应继续改进;当CROI=1时,可称为“碳中和项目”,系统CO2流入与流出恰好相等;当CROI>1时,评价项目实现了负碳排放,项目的实行将有助于CO2的消纳,可大力发展。
(2)CROI评价结果对于系统边界的敏感性很强。CCUS技术系统边界直接影响最终CROI评估值,CROI系统的边界应重点考虑CCUS技术的全生命周期进程,错误界定系统边界会误估CCUS技术的真正脱碳价值,不利于CCUS技术的发展。
(3)对于CO2加氢生产甲烷和甲醇的CROI评价,光伏发电制氢提供H2源与石油化工捕集CO2生产甲烷或甲醇能够实现碳减排效率最高;考虑CCUS技术全生命周期的CO2排放、封存或利用,H2源对CROI结果的影响大于CO2源;甲烷与甲醇生产路径比较,甲醇生产路径对H2源的清洁性要求更高。

3.2 展望

CROI评价方法的研究正处于起步阶段,本研究初步探析了CROI的方法基础和应用案例,仍然存在许多欠缺,有待进一步完善。
(1)本研究在CROI评价方法的研究上,着重于CROI的概念、评价原理、方法以及CROI的应用。CROI边界定义只是浅显提出,并没有深入量化研究。
(2)CROI评价方法可实现从根本上反映CCUS技术的碳减排效率,尚不包括经济性,但经济可行性是CCUS技术规模化发展的必要条件,因此CROI在建立突破传统技术经济的新兴评价视角的同时,仍需要继承经济与其他必要维度的评价。未来计划将CROI与其他评价方法建立内在联系,构建全面、系统的CCUS技术评价体系。

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金项目“基于净能源与碳投入回报的CO2技术经济评价方法研究”(72274212)

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