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Kester Broons，Gracie Brown，Nathan Lash，Ruidi Lu，Andjelka Milutinovic和Greg Santoni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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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300 gCO2e / MJ）之间toposelnaturalgas(90to100gCO2e/MJ).Thiscalculationwillvarybasedonfeedingaswellasthecalculatedbasisemissionsfornaturalgas 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 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。 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100 gCO2e / 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-30 gCO2e / 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。 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。 碳强度 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。 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）。 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。 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。 —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. 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RNG CI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。 —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。 按路径阶段划分的碳强度，gCOse / MJ ü RNG可以从哪里和卖给谁的政策影响 顺风很强，但开发人员面临真正的挑战最近的监管变化，如减少通货膨胀法案（IRA）的政策指南，EPA的e - RIN提案在2023年提出到2025年，联邦可再生燃料标准(RFS)和州混合目标可以支持RNG需求的扩大。此外，由于30%的沼气投资税收抵免(ITC)，IRA可以为RNG发展提供顺风2025年，以及碳捕获和氢生产税收抵免，使蓝氢和更广泛的清洁燃料更具吸引力。 LCFS图书索赔系统意味着开发商不必实际向最终消费者交付RNG，而是“预订”注入电网的每一单位天然气，并在最终用户消耗一单位天然气时“索赔”消耗。这意味着任何可以使用北美管道的RNG开发商都可以向加利福尼亚的CNG车队出售并获得LCFS信用价值。 政策影响最终使用部门消费RNG的方式，每个部门为每个RNG生产途径支付多少费用，以及他们从哪里购买RNG。通常，当前的政策方向为行业创造了顺风。 RNG开发人员的潜在解锁 自2015年以来，美国的RNG产能增长了四倍，垃圾填埋场和农业粪肥项目推动了美国90%的供应。 为了应对新出现的挑战并采取措施获取价值，现在采取行动的RNG开发人员可以选择以多种方式这样做。 尽管出现了逆风，但这种快速的扩大规模和需求转变给RNG开发人员带来了麻烦： 寻求将低CI产品货币化的安全承购商 随着CNG市场的饱和和监管环境的不断发展，开发商可能会寻求使客户多样化-例如从CNG机队所有者到公用事业，氢 —当前的CNG市场面临饱和的风险。从历史上看，市场对RNG最具吸引力;然而，美国对CNG的需求增长预计将在2030年后放缓，因为电动汽车电池技术的改进导致电气化在中型和重型车队中超过CNG。此外，LCFS和RIN价格的高波动性使开发商寻求更长期的固定价格协议来限制其市场价格敞口。随着市场从CNG转移，开发商寻求确定高价值和长期承购商。 生产商，以及潜在的电动汽车原始设备制造商— —并使信贷计划的风险敞口多样化。例如，开发商可以使他们当前的收入来源多样化，从依赖LCFS和RIN的收入来源，包括氢生产税收抵免，或者与具有混合授权的公用事业公司签订承付合同。 开发商可以评估三个主要市场机会，包括： —生产成本正在增加。供应链和融资成本正在推高项目成本并延长开发时间。同时，项目开发人员正在尝试快速扩展其执行能力，通常旨在每年构建10多个项目（从每年大约3个），以满足不断增长的需求。很少有开发人员具备实施资本和运营最佳实践以降低项目成本所需的规模、经验或带宽。 —与公用事业公司合作对供暖脱碳，同时保持客户的承受能力。公用事业有监管要求-包括在某些州采购RNG的要求-同时为客户保持低费率。因此,许多公用事业公司将寻求以每百万英热单位(MMBTU)的最小成本为基础来采购RNG。RNG开发商（特别是那些成本较低且CI较高的开发商，例如从垃圾填埋场生产RNG的开发商）可以为公用事业公司提供每种MMBTU气体的最低成本，以满足其监管要求，同时将费率影响降至最低。随着天然气公用事业公司及其监管机构评估和评估脱碳杠杆，这些公用事业优先事项可能会随着时间的推移而变化，并且可能会因州而异。 —成本最低的RNG原料来源较少。如今，大多数美国RNG生产来自大型垃圾填埋场和奶牛场（拥有超过5,000头奶牛），它们可以部署更大规模的消化器，因此与小型设施相比，单位成本更低。然而，仍然有未开发的农场(如猪、鸡和较小的奶牛场)的长尾供应，这些农场比大型农场和垃圾填埋场更难商业化，这些垃圾填埋场今天正在产生沼气。 But have yet not yet upgraded to RNG. While supplypotential remains, alternative sources of supply will behard to develop cost effectively. —观察监管路标以监控电子RIN，这是一个潜在的机会。L