采用碳捕集、利用与封存技术的垃圾焚烧行业厂级脱碳的经济与环境评估：来自中国的证据
原文信息
原文标题：
Economic and environmental assessment of plant-level decarbonization in waste-to-energy industry with CCUS technology: Evidence from China
作者：
Mao Xu1, Jiayue Zhang1, Zongguo Wen*, Pengtao Wang, Jiehao Chen原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.125148
发表期刊：
Applied Energy
发表时间：2024.12
关键词：垃圾焚烧发电、碳捕集利用与封存、源汇匹配、碳-水权衡
文章导读
垃圾焚烧发电是当前城市生活垃圾处理的主要技术，中国是全球垃圾焚烧规模最大的国家。然而，随着高碳组分垃圾比例的持续增加以及电网排放因子的不断下降，垃圾焚烧行业正面临深度脱碳的挑战。碳捕集利用与封存（CCUS）技术可显著减少垃圾焚烧发电行业的二氧化碳（CO2）排放，是该行业实现深度减排的重要技术选择，但其应用潜力和成本仍缺乏系统评估。本研究基于高分辨率的垃圾焚烧发电厂碳排放清单和CO2地质封存数据，开发了CCUS源汇匹配优化模型和技术经济评估模型，首次从工厂层面评估了CCUS技术在中国垃圾焚烧行业部署应用的空间特征、减排潜力、经济成本及潜在环境影响。
研究结果表明，中国现役垃圾焚烧发电厂的CO2排放规模为3.2亿 t CO2/a，其中996家垃圾焚烧发电厂在800 km范围内均可匹配到适宜的CO2封存点，剩余寿命周期内的理论减排潜力高达68.6亿t CO2。经筛选，共计147家垃圾焚烧发电厂适合进行CCUS技术改造，其可贡献的减排潜力约为24亿t CO2，平均减排成本为91CNY/t CO2。在当前油价较高的情况下，其中38家垃圾焚烧发电厂可通过CO2强化驱油（CO2-EOR）实现盈利，盈利水平为362-569 CNY/t CO2。上述结果表明，中国垃圾焚烧发电行业具备低成本部署CCUS技术的可行性，可率先在部分区域开展工程示范项目。然而，CCUS技术的部署会导致部分地区水资源消耗量的增加，碳水权衡问题需要引起重视。本研究旨在为决策者制定垃圾焚烧发电行业碳减排政策及CCUS技术发展规划提供科学依据与参考。
主要研究结果
1.中国垃圾焚烧发电行业厂级碳排放清单：
中国现役垃圾焚烧发电厂数量接近1000家，吨垃圾碳排放因子为0.76-1.10 t CO2，主要排放源集中在东部沿海省份。其中，广东、江苏、山东和浙江贡献了超过38%的排放。89%的焚烧厂剩余运行寿命超过20年。
图1 中国垃圾焚烧发电行业厂级CO2排放（（a）为年均排放，（b）为剩余寿命周期内的累积排放）
2.垃圾焚烧发电行业CCUS技术源汇匹配：
996家垃圾焚烧发电厂在800 km范围内均可匹配到适宜的CO2封存点，剩余寿命周期内的理论减排潜力高达68.6亿t CO2。其中，357家垃圾焚烧发电厂可与油田匹配，在剩余寿命期内可累计减排21.8亿t CO2，并增产原油超过5.33亿t。整体来看，CO2运输半径为8-790 km，平均距离为266 km。100 km、250 km和400 km的运输半径可分别实现10.4%、51.6%和84.4%的CO2减排。
图2 中国垃圾焚烧发电行业厂级CCUS源汇匹配结果（（a）为匹配到油田的发电厂，（b）为匹配到咸水层的发电厂）
3.CCUS技术减排成本：
排放规模较小或剩余寿命不足10年的垃圾焚烧发电厂不宜进行CCUS技术改造。经筛选，共计147家垃圾焚烧发电厂满足改造要求。其中，38家采用CO2-EOR技术的垃圾焚烧发电厂的减排成本为-569至-362元/t CO2（即通过减排可实现盈利），其余垃圾焚烧发电厂则采用咸水层封存模式，减排成本为171至487元/ t CO2。上述147家垃圾焚烧发电厂的总体减排潜力达24亿t CO2，其中17.3亿t CO2的平均减排成本为零，表明中国垃圾焚烧发电行业具备低成本部署CCUS技术的潜力。
图4 中国垃圾焚烧发电厂的平准化减排成本
图5 CO2平准化减排成本与累积减排量
4.CCUS技术的碳水权衡问题：
垃圾焚烧显著减少垃圾体积并实现能源回收，CCUS技术进一步降低CO2排放，但带来显著的水资源消耗问题。在所研究的中国31个省份中（不含香港、澳门及台湾），CO2捕集环节的水耗达7.13亿m3/年，占全国工业用水量的0.74%，累计需水量超170亿m3。水资源匮乏省份可能面临较大挑战，例如河北，垃圾焚烧发电行业全面部署CCUS技术后，额外水耗占全省总水量的6.91%。碳水权衡问题可能限制CCUS技术在部分地区的应用，未来需开发低水耗的CO2捕集技术以促进CCUS技术的广泛部署。
图6 中国垃圾焚烧发电行业CO2捕集引起的水资源消耗
第一作者简介
许毛
清华大学环境学院博士生，研究方向为行业碳减排系统分析、CCUS技术-经济分析。
第一作者简介
张佳乐
清华大学环境学院博士生，研究方向为固废处置系统模拟与优化。
通讯作者简介
温宗国
清华大学环境学院长聘教授，循环经济产业研究中心主任。主要研究方向为固废资源化与循环经济、能源与环境系统工程。
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清华大学环境学院循环经济产业研究中心（Tsinghua CICE）重点开展循环经济与节能减碳领域的管理政策分析、关键技术研发与产业化应用。
