你的捕获有多干净？计划中的美国发电厂碳捕获项目的联合排放（英）

您的捕获有多清洁？计划中的美国发电厂碳捕获项目的共同排放 SanjayPurswani和DanielShahan 工作文件23-292023年7月 关于作者 SanjayPurswani波士顿咨询集团(BCG)高级知识分析师，是一位经验丰富的专业人士，在清洁能源和低碳燃料领域拥有背景。凭借超过7年的行业专业知识，他为BCG在低碳氢和可再生天然气（RNG）相关的工程、经济和政策研究方面的努力做出了积极贡献。在他的职业生涯中，他担任过各种工程职位，专注于低排放发电和排放控制技术。他成功地领导了加州能源委员会（CEC）和密歇根州公共服务委员会（MPSC）提供的赠款申请。 此外，Sanjay在地方政府废物转化能源项目的发展中发挥了关键作用，这些项目在州一级减少排放方面取得了重大进展。 丹尼尔·沙汉是未来资源（RFF）的研究员，康奈尔大学的兼职教员，以及纽约独立系统运营商环境咨询委员会的成员。他的大部分研究集中在预测和估计电力政策的影响，包括环境政策。他领导工程，经济和环境电力模拟工具（E4ST）的开发和应用，这是一个详细的美 国和加拿大电力部门模型，用于模拟电网，发电厂，空气质量和公共卫生将如何应对政策和基础设施的潜在变化。他还从事电力市场设计和环境政策设计。Shawha帮助州政府制定了电力市场改革，并在混合动力汽车，能源效率，绿色建筑和可再生能源方面率先实施了国家政策。 关于RFF 未来资源(RFF)是华盛顿特区一家独立的非营利性研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与来改善环境、能源和自然资源决策。 工作文件是作者为提供信息和讨论而分发的研究材料。它们不一定经过正式的同行评审。这里表达的观点是个别作者的观点，可能不同于其他RFF专家、官员或董事的观点。 ©2023ResourcesfortheFuture(RFF)。保留所有权利。未经作者许可，不得转载本报告的任何部分. Contents 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 4. 5. 6. 附录23 Abstract 我们使用来自六个计划中的发电厂CO2捕集改造项目的公共工程研究的信息来解释和总结四种共排放类型的预期排放率：二氧化硫，氮氧化物，细颗粒物和氨。我们还估算了使用CO2捕集项目运行这些发电厂所造成的每兆瓦时的健康损害，同时将其与没有CO2捕集的发电厂的每兆瓦时的健康损害进行比较。三个发电厂使用煤炭，其他三个使用天然气。燃煤电厂在增加二氧化碳捕集后将造成每兆瓦时7.21美元的共排放损失，而在增加二氧化碳捕集前为 31.11美元，而在整个美国，平均为65.85美元。 coal-fueledpowergeneration.Forthenaturalgas-fueledplants,theestimatesare 之后为3.09美元，之前为3.52美元，所有美国天然气燃料发电为21.13美元。燃煤电厂的重大改进主要是因为捕集CO2也需要捕集几乎所有的二氧化硫。 1.Introduction 由燃烧煤和天然气提供动力的发电厂和其他设施是对空气有害排放的重要来源，温室气体和其他有害污染物有时被称为“共污染物”或“共排放”。“众所周知，二氧化碳捕集技术通常可以捕集至少90%的大型燃料燃烧设施产生的二氧化碳。很难确定CO2捕获将对共排放率产生什么影响。例如，每兆瓦时净发电量，Varela等人。（即将出版）发现，增加CO2捕集可以将新的天然气发电厂的PM2.5，NOX，NH3和SO2排放率降低99％以上，可能会增加它们 ，或者可能会产生介于两者之间的影响。对共同排放率的影响将取决于用于二氧化碳捕集的技术，以及发电机组所有者因增加二氧化碳捕集而在共同排放控制技术和实践方面的任何变化。这在一定程度上取决于美国发电厂的排放法规和监管机构的决定。 共同排放速率是CO2捕获设施对公共卫生影响的主要决定因素，可以确定CO2捕获和封存（CCS）是否已开发并广泛部署。CCS通常具有极大地加深温室气体减排的潜力，因为没有化石燃料很难满足许多能源应用，因为从生物质和废物能源中捕获CO2会产生净温室气体负排放，并且因为允许CCS可以大大扩大对深度脱碳的政治支持。美国关于推进CCS的决定可能在全球范围内具有决定性意义，因为美国政府是CCS研发的主要资助者，而不是其他清洁能源技术（GlobalCCSIstitte2021）。 大多数美国环境正义倡导社区反对CCS，正如白宫环境正义咨询委员会声明指出的那样，CCS不会对社区有利（白宫环境正义咨询委员会，2021年）。如果用CCS改装的发电机的共排放率很高，CCS的净收益可能会更低(可能是负值)，反对意见可能会更强，CCS不太可能成为主要的温室气体减排技术。如果CCS的共同排放率很低，则适用相反的说法。 目前，只有五个商业规模的发电厂二氧化碳捕集项目在地球上的任何地方运行（全球CCS研究所CORE22023），在过去十年中只有一个在美国。由于该技术相对较新，因此它们会随着时间的推移而不断发展和变化。但是，我们不需要等到新的二氧化碳捕集设施开始运作后才能获得有关其共同排放率的信息，因为五个发电厂二氧化碳捕集项目的开发商最近向美国能源部提交了前端工程设计（FEED）研究。 电厂CO2捕集项目（PetraNovaCFPP，2017年）已提交了最终的项目后技术报告，六项研究已公开。在本文中，我们解释并总结了这些研究对六个项目的共排放率的评价，这些项目都涉及将CO2捕集改造到现有的发电机组上。此外，我们还估算了与这些共排放率相关的健康损害，并将其与未捕集CO2的煤炭和天然气燃料发电机组（CFPP和NGPP）的估计健康损害进行了比较。 虽然工程研究中的所有六个二氧化碳捕集项目都是改造项目，但该分析也有助于更好地了解新发电机组的可能共同排放率，这些发电机组可能从一开始就将二氧化碳捕集纳入设计中。还有一些额外的技术可以用于新的发电机组，而可能不适用于改装的发电机组，例如超临界CO2循环技术和燃料电池，但是用于改装现有EGU的强大候选技术也是新EGU的强大候选技术。这些技术是基于胺的CO2捕获和基于膜的CO2捕获,这是新的。这两种类型在六个工程研究中都有代表。与工程研究中的六个发电机中的一个（或多个）共享燃料类型和基本CO2捕集方法（基于胺或基于膜）的新发电机组，并且处于具有类似州和联邦排放法规的州，将面临类似的要求，激励措施和控制共同排放的选择。排放控制对于新的发电机组而言通常成本较低，因此，在工程研究中，具有CO2捕集功能的新发电机组的共排放率可能比发电机组低，但几乎没有理由具有更高的共排放率。 表1显示了工程研究中描述的CO2捕集项目的基本特征。工程研究没有计算与CCS改造相关的热耗率增加所需的所有信息，因此根据NETL（2022）的典型设计，煤炭增加了27.9%，天然气增加了12.6%。热耗率的这些增加主要是由于增加了天然气或煤的使用来为CCS过程提供动力以及用于管道运输的CO2的压缩。 表1.六电厂CO2捕集工程设计研究项目基本特征 名称 工程研究年份 燃料 CO2捕集技术类型 计划的二氧化碳捕获百分比 圣胡安CFPP 2022 煤炭 胺 95 台叉CFPP 2022 煤炭 膜 70 PetraNovaCFPP 2020 煤炭 胺 85 熊猫谢尔曼·诺普 2021 天然气 胺 85 麋鹿山N3GPP 2022 天然气 胺 90 丹尼尔·诺普 胺 天然气 胺 90 表1包括要捕获的CO2的估计百分比。未来使用类似捕获技术的项目可能会计划更高的捕获率，在不确定性减少和更高捕获百分比的增量成本减少之后。或者，如果法规要求捕获，但只有较低的捕获百分比，他们可能会计划降低捕获百分比，正如拟议的美国EPA法规可能。但是，由于我们在第3节末尾的上下文中解释的原因，我们在本文中研究了共排放率的变化 ，因此不太可能受到CO2捕获百分比的影响。 共同排放率的变化并不是CO2捕集改造将导致的共同排放变化的完整衡量标准。改造还可能会改变发电机组的容量因子，剩余寿命以及其他发电机的发电，寿命和共排放。改造可以延长装置的使用寿命，这可以减少或增加整个行业的排放，这取决于该装置延长运行所取代的另一代的排放率。这些影响将部分由政策决定。Varela等人。(即将出版)和Grbert和Sawyer(2023)研究了这些影响。但是，改装单元的共排放率的变化是整体共排放效应的重要组成部分。 2.研究方法 在本文中，我们分析了自2017年以来最近提交给美国能源部（DOE）的六项发电厂二氧化碳捕集工程研究。这些工程报告提供了在现有煤炭和天然气发电厂中添加CCS的技术方面的一些详细信息。其中包括有关CCS设计，排放率以及与实施该技术相关的成本的一些信息。我们的主要目的是报告他们所说和暗示的CCS对关注的主要共排放的影响：SO2，NOX，PM2.5和NH3。我们研究了CCS的设计和技术，使用的燃料类型以及发电厂的运行特性，以便了解使用CCS改装后排放率的变化。我们还估算了SO2，NOX，PM2.5和NH3排放造成的健康损害的价值。 本文检查的工程报告来自各种发电厂，因此具有各种不同的估算方法，研究边界，产品质量和原料。某些排放速率直接从工程研究中提取，而其他排放速率则从不同的单位转换为lbs/mmbt。这些转换将在本工作文件的第3节中进一步解释。 3.每单位热量输入的排放量 对于六个发电机组中的每个发电机组，我们都在使用CO2捕集设备进行改造之前和之后寻找其排放速率的数据。从每个工程研究中提取了每单位热量输入的排放速率，以磅/百万英热单位（lbs/MMBt）为单位进行分析，并在单位方面进行了标准化。在某些情况下，该研究直接报告了它们。在其他情况下，该研究报告的排放率仅为百万分之一（ppm）。为了将那些转化成lbs/MMBt,将尚未用15%O2浓度测量的ppm值转化成用15%O2测量的气体,以进行一致的比较。然后,我们通过使用发射型的分子量换算成磅/干立方英尺(lbs/dscf)。使用EPA方法19Fd因子,将磅/干立方英尺转化为磅/mmbt(EPA-M19,2003)。 对于各种发电厂，用于计算排放量的Fd因子的确定方式不同。Fd因子是燃料产生的每单位热量的干燃烧组分的体积。对于PadaShermaN3GPP，PetraNovaCFPP和SaJaCFPP，Fd因子是使用工程研究中规定的较低热值（LHV）计算的（PadaShermaNGP，2021）（PetraNovaCFPP，2017）（SaJaCFPP，2022）。相反，由于缺乏LHV数据，干叉燃煤发电机组（CFPP）和Daiel采用了较高的热值（HHV）。 N3GPP（BasinForkCFPP，2022年）（DanielNGb，2022年）。对于煤炭，HHV比LHV高出约4%，对于天然气，HHV高出9%。此外，EPA的方法19被用来推导ElkHillsN3GPP的Fd因子（ElkHillsNMDA，2022年）。 该研究中的所有ppm值已被转化为与最终排放的烟道气流中15%O2浓度的假设一致。 一些工程研究提供了CCS改造前后不同类型的排放速率。对于那些在改造前没有提供的数据 ，历史数据是在进行CO2捕集改造之前的排放速率的替代来源。除PetraNovaCFPP（EPAeGRID2019，2020）外，我们使用了2019年EPA的eGRID数据进行所有工程研究。对于PetraNovaCFPP，我们使用的EPA的CCS前SO2，NOX和NH3历史排放率数据来自2014年（EPAeGRID2014，2015年）。该设施的二氧化碳捕获于2017年1月10日开始运行。这三种污染物的排放率可能在2016年已经受到影响，2015年没有eGRID数据。 正如我们在本节中所做的那样，检查每单位能量输入的排放速率是有益的，因为它揭示了是否有与捕获技术的安装相关的改进，如果有，改进有多大。然而，在改造后，发电机组产生的一些能量将用于为捕获过