当可再生能源遇到二氧化碳

2月初，国务院印发的《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》提出，开展二氧化碳捕集、利用和封存(简称CCUS)试验示范。“国际上普遍认为，CCUS技术是应对气候变化不可或缺的重要技术，而捕集后的二氧化碳如何有效利用，是推广CCUS技术的关键。”中国科学院武汉岩土力学研究所(简称武汉岩土所)研究员张力为一直在思考这一问题——他将目光瞄向了可再生能源。

于是，在武汉岩土所二氧化碳地质封存课题组研究员李小春和李琦的指导下，张力为和团队成员甘满光提出了二氧化碳捕集利用—可再生能源发电调峰耦合的设想。

“简单地说，就是以燃煤电厂捕集的二氧化碳作为可再生能源发电的‘调峰介质’。”张力为在接受《中国科学报》采访时表示，他们已论证其可行性，并希望推动相关企业加以应用。

从“两难”到不难

我国要实现碳达峰和碳中和目标，方法之一便是发展可再生能源。根据2020年12月发布的《新时代的中国能源发展》白皮书，我国清洁能源占能源消费总量比重达23.4%，比2012年提高8.9个百分点，水电、风电、太阳能发电累计装机规模均居世界首位。

然而，尽管我国正在积极开发可再生能源，但当前能源消费结构仍以化石能源为主，且短期内难以改变。特别是可再生能源消费占比难以进一步提高。

“突出问题是风能和太阳能发电均存在调峰难、并网难。”张力为介绍，以风能发电为例，在用电负荷低谷时段风能发电量较大，“弃风”现象突出;风能发电资源分布不均，沿海地区用电量大而风能资源匮乏，北部、西部地区用电量小而风能资源丰富。

短期内，能源消费结构难以改变和可再生能源消费占比难以提高的“两难”问题，该如何解决?

长期从事二氧化碳地质利用、封存相关技术研发与推广研究的张力为认为，二氧化碳是联结燃煤电厂和可再生能源发电厂的关键，可变“两难”为不难。为此，他们研发了二氧化碳捕集利用—可再生能源发电调峰耦合技术。

他向《中国科学报》解释道，该技术通过二氧化碳压缩储能、二氧化碳转化为甲酸等高能量化合物以及二氧化碳作为携热介质3种手段，实现燃煤电厂捕集的二氧化碳在可再生能源发电厂的有效利用，以期解决可再生能源发电调峰难题。

部分解决碳“汇”问题

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出，如果没有CCUS，温室气体减排目标将无法达成，进而导致到21世纪末限制升温相对于工业化前水平低于2℃的目标无法实现。更为关键的是，没有CCUS技术，温室气体减排成本将会成倍增加，估计增幅平均高达138%。国际能源署发布的《CCUS在低碳发电系统中的作用》也指出，如果没有CCUS技术，要实现全球增温控制目标可能需要关闭所有化石燃料发电厂。

显然，关闭所有化石燃料发电厂是不可能的，对其改造是最为切实可行的措施。

“如果我国每年能够将10%的燃煤电厂改造为部署有二氧化碳捕集装置的燃煤电厂，则每年可减排二氧化碳约3.5亿吨。”张力为介绍道。也就是说，每年可减排相当于100个600 兆瓦规模燃煤电厂排放的二氧化碳。

在燃煤电厂部署二氧化碳捕集装置后，大量捕集的二氧化碳如何处置是必须解决的问题。如果不解决与之对应的“汇”的问题，则捕集的大量二氧化碳将无处消化，燃煤电厂低碳排放改造必将难以推进。

甘满光表示，将带有二氧化碳捕集装置的燃煤电厂与可再生能源发电厂耦合起来，利用二氧化碳满足可再生能源发电厂发电调峰、热能提取的需求，可以部分解决“汇”的问题。

具体而言，一是将捕集的二氧化碳压缩储能，在可再生能源不利发电条件下，利用二氧化碳体积膨胀做功释放能量发电，补充发电量不足;二是将捕集的二氧化碳转化为甲酸等高能量化合物，实现过剩发电量的储存，在可再生能源不利发电条件下，将其作为燃料电池发电原料产生电能，补充发电量的不足;三是将捕获的二氧化碳作为地热发电厂的携热介质，减少水资源消耗，提高地热发电效率。

碳市场需要它

碳市场在我国的发展完善被认为可有效促进燃煤电厂碳减排改造。2月1日，《碳排放权交易管理办法(试行)》正式施行，加上之前发布的《2019—2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案(发电行业)》和《纳入2019—2020年全国碳排放权交易配额管理的重点排放单位名单》，我国首次从国家层面将温室气体控排责任压实到企业。

在张力为看来，根据电价、碳交易价格和负荷需求，安装碳捕集相关设施的发电企业可以采用二氧化碳捕集利用—可再生能源发电调峰耦合技术，与周边的可再生能源发电厂建立联系，形成一体化系统，从而灵活调整其发电量、二氧化碳捕集量和捕集能耗，将整体碳排放强度维持在较低水平。

因此他认为，合理部署二氧化碳捕集利用—可再生能源发电调峰耦合技术，制定调度策略，同时兼顾减排要求，是一种使碳捕集燃煤电厂碳捕集设备利用效率最大化的方法。

“这一想法比较超前，目前在国内还没有具体应用。”但张力为对此充满信心，“二氧化碳捕集利用—可再生能源发电调峰耦合技术有望成为我国2060年前实现‘碳中和’目标的技术解决方案之一”。