可再生天然气：美国脱碳的瑞士军刀？

电力和天然气 可再生天然气：用于美国脱碳的瑞士军刀 ？ 可再生天然气在减少排放方面发挥着作用-扩大规模是脱碳过程中的一项潜在近期行动。 本文由KesterBroons，GracieBrown，NathanLash，RuidiLu，AndjelkaMilutinovic和GregSantoni合作，代表麦肯锡电力与天然气以及石油与天然气实践的观点。 ©GettyImages 2023年11月 能源转型正在进行中。公司和政策制定者正在进行雄心勃勃的脱碳之旅，以减少对化石燃料的依赖。可再生天然气（RNG）作为替代燃料出现，可以促进多个行业的大幅减排。 目前，化石天然气-包括95％的甲烷，5％的乙烷和痕量的其他碳氢化合物-是美国第二大一次能源来源，占2021年该国能源消耗的33％。在过去的十年中，天然气消费量每年增长约2％。由于天然气在美国能源系统的各个部门中发挥着重要作用-包括建筑和工业供暖，运输，化学品和发电-许多基础设施（例如井， 管道，发电厂和液化天然气[LNG]出口终端）已建成用于提取，运输和燃烧天然气。 RNG是由厌氧过程产生的废物衍生的沼气的纯化形式，然后升级为管道质量的气体。它与化石天然气几乎没有区别（两者都是95%以上的甲烷）。RNG有可能使许多行业的一部分排放脱碳，并且可以成为化石天然气的替代品，这意味着最终用户无需在切换时修改发动机，分配系统或其他设备。 根据用于生产RNG的废物（原料）的类型，相关的温室 气体（GHG）减少范围在50％（排放强度约为每兆焦耳50克CO2当量[gCO2e/MJ]）和300％（排放强度可能低于约300gCO2e/MJ）之间 toposelnaturalgas(90to100gCO2e/MJ).Thiscalculationwillvarybasedonfeedingaswellasthecalculatedbasisemissionsfornaturalgas 用于比较（参见侧栏，“RNG可以从各种来源生产- 具有不同的成本，可用性和碳强度”）。 在不进行基础设施改造的情况下用于现有的天然气基础设施中，指出了其作为化石天然气替代品的物理可行性。 然而，由于RNG是原料有限的，并不总是经济可行的，它不是脱碳的灵丹妙药。目前，RNG供应占美国天然气供应的不到1%，即使供应是为了利用所有潜在的原料，RNG也将占目前天然气需求的5%到20%。 尽管RNG的供应有限，但它可以成为实现深度脱碳的解决方案组合的重要组成部分，特别是在近期内 ，因为氢等其他低碳分子仍处于早期阶段 因此，扩大RNG-并确定哪些最终用途市场可以从中获得最大价值-在能源转型中很重要。 本文探讨了RNG的前景，包括监管环境，开发人员的前景和挑战，以及潜在的解锁，以获取价值并实现RNG作为可持续能源。 RNG市场和不断发展的法规 政策涉及RNG市场的三个领域：第一，哪些最终用 途消费RNG；第二， 计算RNG的碳强度（以及因此其值）；第三，RNG 的物理来源和发送位置。 最终用途 由于政策激励措施，包括联邦可再生识别号(RIN)，大 多数RNG转向压缩天然气(CNG)车辆 1“美国能源事实解释”，美国能源信息管理局，2023年5月，2023年10月访问;“了解天然气”，Enbridge。 2“最终用途的天然气消费量”，美国能源信息管理局，2023年8月，2023年10月访问。 3“可再生天然气”，美国环境保护局，2023年8月3日。 4“LCFS途径认证的碳强度”，加利福尼亚空气资源委员会。注意：不仅废物的类型，而且RNG正在替代的过程中的所有相关基线排放量都会影响温室气体的减少潜力。垃圾填埋场甲烷的基线排放量与反刍动物如牛和猪的粪便有很大不同。 5可再生能源天然气：供应和减排评估，美国天然气基金会，2019年12月；麦肯锡分析。 2可再生天然气：用于美国脱碳的瑞士军刀？ RNG可以从各种来源生产-具有不同的成本，可用性和碳强度 来自厌氧消化的RNG可以由几种废物原料制成。目前在美国使用的四种主要原料是垃圾填埋废物、农业粪便、食物废物和废水残留物，未来潜在的供应来源来自生物质废物（图表1）。 附件1 有几种可能的可再生天然气原料。 可再生天然气（RNG）供应源RNG生产途径天然气最终用户, 城市固体废物/垃 圾填埋气 电力生 产 ~12.1 废水 沼气 50-75%CH4 RNG >95%CH4 运输~0.1 食物浪费 农业废弃物（如乳肥） 沼气也可以用于电力，而无需升级到RNG 建筑热 ~8.5 覆盖十字架，植物 副产品和额外的生物质 工业 ~10.4 按部门划分,TCF需求（2022年） 1包括氢气生产。 来源：能源信息管理局（EIA） 这些原料具有不同的碳强度和捕获和处理沼气的成本（图表2）。 垃圾填埋:垃圾填埋场可以从垃圾填埋场中捕获自然产生的沼气，然后将其升级为RNG。来自垃圾填埋场沼气的RNG是当今最具成本效益的途径，因为法律上已经要求垃圾填埋场捕获沼气，因此只需要建造升级设备。因此，垃圾填埋沼气目前是美国最大的RNG原料（约占目前产能的70％）。²然而 ，鉴于垃圾填埋场已经捕获了沼气，因此其基线中的相关甲烷排放量要低得多，与天然气相比，来自垃圾填埋场沼气的RNG的减排量最小（50至60gCO2e/MJ，而化石天然气的排放量约为90至100gCO2e/MJ）。. 农业粪便：农业粪便(例如,来自乳制品、猪和鸡)被厌氧消化成沼气并升级成RNG。来自农业粪肥的RNG提供了最大的减排量，因为避免了甲烷排放，否则如果粪肥不被消化，就会发生甲烷排放。作为一个结果，它已经在最近几年增长到约20％的美国宣布的能力。其中大部分来自奶牛场，因为这些是最容易收集粪便的地方。然而,与构建和操作厌氧消化器相关的当前成本使得生产成本几乎是垃圾填埋场RNG的两倍。 食物浪费：来源分离的有机废物被厌氧消化成沼气并升级为RNG。根据加州空气资源委员会的当前燃料路径表，来自食物垃圾的RNG排放量在-80至-30gCO2e/MJ之间，仅次于农业粪便；然而，由于确保充分分离的有机废物具有挑战性，因此今天美国的供应有限。生产成本与基于粪肥的RNG相当。 1城市固体废物填埋场的最终联邦计划要求。美国环境保护局，2021年5月10日。 2可再生天然气数据库，阿贡国家实验室，2023年5月23日。 3“LCFS途径认证的碳强度”，加州空气资源委员会，2023年5月26日。 4在无氧或厌氧条件下发生的微生物过程产生甲烷，然后可以将其收集用于RNG生产。厌氧消化和升级到RNG是资本密集型的，这在历史上导致了相对于潜力的低采用率。 5可再生天然气数据库，阿贡国家实验室，2023年5月23日。 6加州空气资源委员会，2023年5月，2023年10月23日访问。 可再生天然气：美国的瑞士军刀脱碳?3 废水处理厂（WWTP）：来自WWTP的有机残留物可以厌氧消化成沼气并升级为RNG。来自WWTP的RNG通常具有大约30至40gCO2e/MJ的生命周期排放,导致比来自农业粪便或食物废物的RNG更有限的减排。然而，由于它需要消化，生产成本高于垃圾填埋场。因此，该途径目前的供应有限 。 其他生物质废物（在美国没有规模）：覆盖作物和植物副产品正在成为生物质原料的其他来源。尽管这些来源在美国不太成熟，但以低碳强度的方式大规模开发和商业化其他生物质原料的能力可以扩大RNG的潜在供应。 附件2 来自厌氧消化的可再生天然气可以由各种废物源制成。 可再生天然气（RNG）生产途径 化石 自然气体垃圾填埋场 农业 肥料Food废物废水 目前美国的供应潜力，百万MMBTU²/年 603,6008901,2007095 美国实际供应量，2022年 ， 穿透力,% N/A ~8 ~2 ~7 ~6 百万MMBTU²/年 ~37,500 ~70~20~5~5 80–90 50–60 30–40 -30至-80 碳强度范围， gCOse/MJä <–150 25–30 20–25 15–20 10–15 3–5 供应成本范围， $/MMBTU² 1包括鸡和猪。 2百万英国热量单位。 3按供应量除以潜力计算。 4每兆焦耳能量的二氧化碳当量克。来源：CARB；EIA；麦肯锡分析 7同上，可再生能源天然气：供应和减排评估，美国天然气基金会，2019年12月。 4可再生天然气：用于美国脱碳的瑞士军刀？ 计划和低碳燃料标准（LCFS）可在不列颠哥伦比亚省，加利福尼亚州，俄勒冈州和华盛顿州使用。根据我们的分析，这些政策可以提供高达20倍的天然气价值的激励措施。 CNG市场规模很小-运输占美国天然气需求的不到1％ 。加利福尼亚CNG市场已经饱和了RNG，并且随着电动汽车（EV）的增长超过CNG的增长，将继续饱和 。其他行业对RNG的采用将在很大程度上取决于政策，包括： —建筑物（26％的天然气[NG]消费量）。几个州-包括加利福尼亚州，伊利诺伊州和明尼苏达州-已经通过了促进天然气公用事业将RNG融入其系统的政策。 —发电（占NG消费量的38％）。从理论上讲，RNG可以通过可再生能源投资组合标准在某些州获得发电价值，尽管可再生能源证书（REC）定价目前不足以刺激电力部门的RNG市场。另外，环境保护局（EPA ）2022年12月提出的规则为电气化运输提供了一个潜在的更有利可图的机会，通过沼气发电产生RIN，但相关政策并未在EPA最终的2023年可再生燃料标准中实施。Now. —Industry（占NG消费量的32％）。美国没有促进在工业中使用RNG的政策。RNG的工业需求是由满足自愿气候目标的公司驱动的。 碳强度 在某些政策机制下，RNG的碳强度（CI）对其价值至关 重要。因此，CI会计政策将影响RNG生产途径的相对价值以及哪些类型的RNG进入哪个终端市场。 例如，在今天的加州LCFS政策中，与RNG生产过程中避免排放相关的不同假设导致不同生产途径的碳强度和相关LCFS信用值大不相同。农业粪肥被假定为在基线情景中排放甲烷;因此,由于避免了甲烷排放,通过处理粪肥产生的RNG被计算为具有非常低的CI。相比之下，垃圾填埋场通常有一个上限，可以在甲烷排放之前捕获甲烷，并且在基线情况下，有限量的甲烷释放到大气中-因此，垃圾填埋场RNG的CI计算假设避免的甲烷排放量较小，导致更高的CI（图表1）。 另一方面,联邦RIN是以体积为基础计算的,其中衍生自有机废物的每个单位的RNG将产生RIN,而不考虑CI。 由于碳强度的不同激励措施，今天几乎所有的乳制品RNG都流向了加利福尼亚州和具有类似激励计划的州（例如，俄勒冈州和华盛顿州）的CNG运输市场。计算出具有较高CI的途径-例如垃圾填埋场RNG-越来越多地销售到不提供基于RNGCI的财务激励的市场。但是，监管者。 就像加州空气资源委员会目前正在考虑基线甲烷排放量计算。 “2022年全球能源展望”，麦肯锡，2022年4月26日。 <unk>加州CNG已经超过98%与RNG会面；“加州用可再生天然气运输脱碳”，自然美国燃气汽车，2022年10月；2022年全球能源展望，麦肯锡，2022年4月26日。 “天然气解释”，U。S.能源信息管理局，2023年4月28日；例如，纽约州的一级可再生能源证书（REC）在2023年第一季度（评估为2023年10月）以20.10美元 /兆瓦时的价格售出；换算为每兆瓦时0.293MMBTU，这意味着来自REC的5.88美元/MMBTU；“2022合规年”，纽约州清洁能源标准，2023年。相比之下，来自垃圾填埋场沼气的RNG是成本最低的原料，生产成本为11美元/MMBTU。 ü0“拟议规则”，联邦公报，2022年，第87卷，第250号；“可再生燃料标准计划”，美国环境保护局，2022年12月30日。 “天然气解释说，”美国S.能源信息管理局，