直接空气碳捕获和储存的经济学

2022 年思想领导空气直接碳捕获与储存的经济性ERIC WILLIAMS首席顾问 - 经济学 2空气直接碳捕获与储存的经济性CONTENTS4.04.14.24.3 3空气直接碳捕获与储存的经济性执行摘要碳捕获和封存 （ CCS ） 是一套技术，可以从大型排放源或大气中捕获 CO2，并将其安全地存储在地下或永久存储在产品中。CCS 是一种多功能技术，可通过使用 CCS （ DACCS ） 的直接空气捕获和使用 CCS （ BECCS ） 的生物能源，实现工业，发电和制氢的减排以及二氧化碳去除 （ CDR ） 。CCS 是气候变化解决方案的重要组成部分，通过分析国际能源署 （ IEA ） 和政府间气候变化专门委员会 （ IPCC ） 等组织的净零潜在途径来支持这一观点，这些组织强调了明确的作用点源捕获 CCS 以及 DACCS 和 BECCS 等工程 CDR 技术。随着近年来气候行动的规模和紧迫性变得更加清晰，政府和公司已经做了必要的工作来绘制自己的气候中立路径，CDR 技术 - 特别是 DACCS - 已成为缓解气候变化的重点。DACCS 是一类旨在从大气中吸收碳的技术。通常，这是通过使用大型风扇阵列使空气通过碳捕获设备来实现的，使用吸收 CO2 的化学物质，然后将其永久存储在地下。本文探讨了 DACCS 的经济性 ， 其目的是一个思想实验 ， 以显示 DACCS 部署 （ 基于不同的成本假设 ） 如何在 2065 年之前影响全球能源系统 ， 同时保持与 1.5 ° C 全球平均温度升高一致的净零 CO2 路径。本文的重点是单个变量的变化 ： DACCS 的成本。分析依赖于方法中描述的经济模型，在该模型中，能源系统内的行为者可以自由地追求成本最低的选择，以满足净零 CO2 途径 （ 第 8 页 ） 。该研究不是预测，也没有考虑更广泛的成本方案，包括点源 CCS，可再生能源或氢气等缓解途径的不同成本降低。此外，我们不应用任何其他政策假设，如逐步淘汰煤炭或石油。此外, DACCS 可以部署在附近具有良好零碳能源和碳储存的任何地方。当 DACCS 的部署由于高成本而受到限制时，工业和运输 （ 电气化的轻型车辆除外 ） 的主要脱碳途径是氢气。发电、建筑和轻型车辆在很大程度上不受 DACCS 部署的影响，并通过提高效率和可再生能源途径实现脱碳。如果技术取得突破，以较低的成本实现难以缓解的行业脱碳，那么 DACCS 的相对成本效益和部署它的必要性就会下降。然而，如果难以减少的应用在技术上仍然很困难，并且脱碳成本很高，并且大规模的氢基础设施证明比预期的要困难，那么 DACCS 可能在实现气候目标方面发挥更重要的作用。虽然使用的化石燃料的数量在低成本 DACCS 和高成本 DACCS 方案之间有很大差异，但所有方案都遵循相同的净零轨迹，并提供相同的 1.5 摄氏度气候结果。在所有 DACCS 成本情景下，直接排放沿着相同的路径显着减少到 2040 年代中期。在 2040 年代中期，DACCS 以非常低的成本实现，有可能导致直接排放的反弹，因为低成本的化石燃料变得经济，导致能源系统中的氢和合成燃料减少。然而，这种模拟途径假设 DACCS 将抵消直接排放的任何增加，并且不考虑任何可能限制化石燃料使用的额外政策。DACCS 可以作为实现净零的安全网发挥重要作用，如果没有实现其他低成本途径，有可能避免气候灾难。政府固有的挑战是实施政策并为立即可用的缓解途径提供激励，同时支持低成本 DACCS 的开发和商业化。其他重点应放在必要的传输和存储基础架构上，以支持大规模 DACCS 部署。 4空气直接碳捕获与储存的经济性1.0 介绍本文探讨了直接空气碳捕获和储存 （ DACCS ） 的经济性，这是一种二氧化碳去除 （ CDR ） 技术。目的是一个思想实验，以显示 DACCS 如何在 2065 年之前影响全球能源系统，同时保持与 1.5 ° C 全球平均温度升高一致的净零 CO2 路径。这项研究不是对将要发生的事情的预测，而是对全球能源系统如何在一系列 DACCS 成本中演变的探索。 We assme that the actors withi the eergy system are free to prsit least - cost optios i meet the et - zero CO2 pathway – we do ot apply ay additioal policy assmptios lie phasig ot coal or oil.更高水平的 DACCS 部署为直接排放留下了更多的碳预算空间, 这将更昂贵地减少, 同时仍然实现与 1.5 ° C 全球平均温度升高一致的相同的净零排放轨迹。我们将 DACCS 的成本和性能假设建立在对当前技术的评估中，但 DACCS 技术如何随着时间的推移而发展还不确定。因此，我们设计了这项研究，以考虑一系列 DACCS 成本，这些成本可能涵盖任何潜在的 DACCS 技术开发。我们的方案范围从 DACCS 每 tCO2 412 美元的高成本到每 tCO2 137 美元的低成本，高于该成本实际上将部署零 DACCS 。1IPCC 最新报告认为, DACCS 成本可能在每吨二氧化碳 100 - 300 美元的范围内下降 (IPCC 2022) 。我们的结果表明，DACCS 降低了现有系统必须被先进燃料生产和运输和消耗这些先进燃料的基础设施所取代的速度，从而不仅降低了总体成本，而且实现了更可靠的净零路径，并增加了成功的可能性。当 DACCS 受限时, 工业 (除直接 CCS 之外) 和运输 (轻型车辆除外) 的主要脱碳途径是通过氢气。发电、建筑物和轻型车辆在很大程度上不受 DACCS 的成本和部署的影响, 并且脱碳不依赖于氢路径。DACCS 为工业、重型车辆、海运和航空领域的昂贵直接缓解方案提供了替代方案。除了氢气生产的成本外，大规模部署氢气还需要大量新的输送基础设施和许多最终用途技术的替代。2， 这也很昂贵且需要时间。另一种选择是将氢气转化为合成燃料 ， 并继续使用现有的燃料运输 ， 存储和交付基础设施以及现有的最终用途技术 ， 但是合成燃料也很昂贵 ， 并且需要从 BECCS 或 DACCS 衍生的碳中和 CO2 才能使合成燃料成为碳中和。我们发现，达到净零所需的技术途径及其相应的成本对 DACCS 成本的变化很敏感。当我们将高成本的 DACCS 方案 （ 每 tCO2 412 美元 ） 与我们研究中最低成本的方案 （ 每 tCO2 137 美元 ） 进行比较时，累积的全球低碳能源供应 （ i 。Procedres.到 2065 年，氢，合成燃料和生物燃料 ） 降低了 2, 034 EJ，而全球化石燃料的累积供应量则增加了 1, 377 EJ 。在中等成本的 DACCS 情景 （ 每 tCO2 223 美元 ） 中，到 2065 年的全球累计低碳能源供应减少了 1, 475 EJ，与高成本情景相比，全球累计化石燃料供应增加了 757 EJ 。1为了简单起见 ， 这些价格是全球成本 ， 是模型的输出 ， 因为它们考虑了 CO 的实际电力成本2compression2例如 ， 氢气不能用作柴油卡车的代用燃料 ； 只有专门为氢气设计的卡车才能使用氢气。即使大规模生产氢气以供应世界卡车车队 ， 现有的柴油燃料运输和储存也需要用具有氢气能力的运输 ， 储存和加油站代替。 5空气直接碳捕获与储存的经济性DACCS 可以发挥重要作用 ， 作为实现零网络的安全网 ， 如果没有实现其他低成本路径 ， 则可能避免气候灾难。通过延迟一些高成本的低碳能源并维持一些低成本的高碳能源，低成本的 DACCS 可以为全球能源系统节省高达 3 万亿美元的净现值 （ NPV ），同时仍然遵循相同的二氧化碳净排放途径并实现相同的气候效益。如果在技术上取得突破，以低成本或更普遍地在氢气中实现难以减少的脱碳应用。另一方面 ， 如果难以减少的应用仍然困难和昂贵 ， 并且大规模的氢基础设施证明比预期的要困难 ， 那么低成本的 DACCS 可能在通过提供安全网实现气候目标方面发挥关键作用。 6空气直接碳捕获与储存的经济性2.0 二氧化碳去除CDR 技术分为三大类，直接从大气中去除二氧化碳。一类是具有碳捕获和储存功能的生物能源 （ BECCS ） 。BECCS 被认为是一种碳去除技术，因为在生命周期基础上已经非常低碳或碳中性的生物能源可以与碳捕获技术相结合，以使整个过程碳负。CDR 的另一类是 DACCS，这是专门为从大气中吸收碳而设计的一类技术。典型的 DACCS 技术通过使用大型风扇阵列使空气通过使用吸收 CO2 的化学物质的碳捕获设备来做到这一点，然后使用热量将 CO2 与化学物质分离成可以存储的浓缩流。预计 BECCS 和 DACCS 捕获的大部分 CO2 将在地质上或通过矿化等其他方式储存，但一些 CO2 可用于生产碳中和合成燃料。CDR 的第三类是农业，林业和其他土地利用 （ AFOLU ），海洋和增强风化中基于自然的解决方案，这些自然过程从大气中吸收 CO2 。用于分析二氧化碳减排量的能源模型传统上包括 “支持 ” 技术，这是一种通用的未定义的高成本技术，如果模型中用尽了所有其他缓解方案，则可以使用。CDR，特别是 DACCS，在许多方面都是一种真正的后盾技术，不仅适用于能源模型，还适用于实现净零目标。IPCC 发现，所有将变暖限制在不超过 1.5 °C 的方案都采用二氧化碳去除 （ CDR ） 技术。此外，大多数模型在没有 CDR 技术的情况下无法找到将变暖限制在 1.5 °C 的途径 (Schipper 等人。2022 年 ） 。DACCS 在实现净零的技术选择中发挥着独特的作用。如后面的部分所示， DACCS 用作后盾技术，只要该价格超过 DACCS 的成本，该技术就可以限制 CO2 的整体价格。DACCS 可以部署在附近具有良好零碳能源和碳储存的任何地方。在全球范围内，在有可能在经济基础上部署的数量方面，DACCS 可能受到成本和技术准备程度的限制，而不是碳储存能力和低碳能源的可用性，因为有许多地方都有这两种情况。3与世界各地的能源生产不同 ， 因为它必须以经济高效的方式满足需求 ， DACCS 无论在哪里都能提供相同的全球利益 ， 因此具有良好储存和低碳能源的地点可以扩大规模以满足全球需求。BECCS 和基于自然的解决方案对于 CDR 很重要，但它们与 DACCS 有根本的不同。我们发现, 如果可用, BECCS 总是被模型优选, 因为它提供 CDR 和可用能量, 因此与 DACCS 和另一种昂贵的零碳能源的组合相比, 降低了整体系统成本。然而，BECCS 受到可用于能源的可持续生物质的限制，假定全球约为 131 EJ （ Haberl 等人。2010).与 DACCS 和 BECCS 相比，AFOLU 中通过自然过程去除的二氧化碳究竟有多少吨是不确定的，与地质储存相比，这些封存的碳的持久性也是如此。虽然 AFOLU 中基于自然的解决方案往往成本较低，但它们也会带来更高的逆转风险，如火灾、干旱或疾病影响重新造林的地区。3我们假设本研究中的 DACCS 是由太阳能供电的 ， 但它也可以由任何能够提供电力和热量的低碳能源供电 ， 例如核能或光伏 / 风能 / 水力发电的组合以及具有直接 CCS 的化石燃料。 7空气直接碳捕获与储存的经济性3.0 方法对于本文提出的分析，我们使用基于开源能源模块系统 （ OSEMOSYS ） 框架的全球能源模型。定义此模型的许多数据和假设最初是在阿卜杜拉国王石油研究中心 （ KAPSARC ） 开发的。我们更新了二氧化碳压缩和运输以及氢气压缩和运输的成本，并增加了电力部门 CCS 改造的选择。我们还更新了所有发电和制氢技术的成本。该模型由四组国家组成。4该模型找到了一个全球能源系统 ， 其折扣系统成本最低 ， 同时满足了对能源和服务的需求5并遵守二氧化碳减排轨迹，到