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2021第六届中国光伏产业论坛

碳捕集电厂:电力系统低碳化发展的重要技术路径

来源:电气技术    时间:2022-01-13

2021年6月,每年15万吨碳捕集与封存(CCS)示范项目在国能锦界公司一次通过168h试运行,这是目前国内规模最大的燃煤电厂燃烧后CO2捕集与驱油封存全流程示范项目。试运行期间,该示范项目连续生产出纯度99.5%的工业级合格液态CO2产品,成功实现了燃煤电厂烟气中CO2的大规模捕集。

随着国际社会对工业生产绿色低碳化的关注度不断提高,减缓温室效应持续性恶化迫在眉睫。电力行业作为CO2排放水平较高的国民经济基础性产业,必须提高燃煤机组的清洁化水平。碳捕集电厂可以实现火电电能生产的低碳化,是构建清洁能源体系的重要技术路径之一。国际能源署指出,碳捕集与封存技术将在21世纪末全球温度变暖控制在2℃以内的情景中至关重要。

据了解,碳捕集主要包含三种技术路径,即燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集,其中燃烧后捕集方式凭借其原理简单、与机组燃烧过程相对独立、固定投资相对较少等优点,已成为应用较为广泛的捕碳方式。同时,常规火电机组碳排放水平高且可控容量有限,难以满足国家大力推动低碳减排、发展清洁可再生能源的宏观战略要求,而储液式碳捕集机组通过协调捕碳与发电的关系,兼顾电能生产经济性与系统排放低碳性,将成为我国建设清洁煤电体系的有效方式。配置了溶液存储器的碳捕集电厂能够解耦CO2的吸收与再生两个环节,其捕碳和发电的协调运行能力更强。

目前,对碳捕集电厂的运行机制及其参与系统发电优化等方面的研究已不在少数:有学者基于碳捕集电厂的运行机理,对其内部能量流和调峰性能进行分析;有学者基于碳捕集电厂的发电-捕碳协调特性,构建低碳经济下考虑碳捕集电厂电力系统运行的优化模型;有学者将碳捕集电厂视为一种灵活性调节资源,建立碳捕集机组与储热装置、梯级水电、风、光等其他电源联合的优化模型;有学者研究碳捕集电厂的电碳特征函数与电碳运行区间,分析不同运行水平下的电厂净出力与净碳排放变化情况。

但以上研究建立的模型中均未将吸收塔、再生塔等装置处理的CO2量予以区分表达,而对溶液存储器流入、流出量的调节可解耦碳捕集系统内部各单元的CO2处理量,使各环节处理的CO2量不相等。因此,有必要对储液式碳捕集电厂的内部能量耦合关系以及调控溶液存储器,对电厂捕碳水平与运行灵活性产生的影响进行建模研究。

鉴于此,强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院),国网湖北省电力有限公司电力科学研究院的彭元、娄素华、吴耀武等研究人员,根据储液式碳捕集电厂的能流关系和运行特点,建立了储液式碳捕集电厂的灵活运行模型,通过二维坐标图量化其净出力特性,将其与常规火电、无储液碳捕集电厂进行对比研究。同时,构建了考虑储液式碳捕集电厂的含风电系统优化调度模型。该研究成果已在《电工技术学报》2021年第21期上发表,题目为“考虑储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度”。

华中科技大学及国网湖北电科院的研究人员配置了溶液存储器的碳捕集电厂能够解耦CO2的吸收与再生两个环节,其捕碳和发电的协调运行能力更强。同时,根据储液式碳捕集电厂的运行机理与能流特性,建立了捕碳与发电出力模型,并构建了二维坐标图定量研究无储液与储液式碳捕集机组的总发电出力与净出力运行区间。

图1 储液式碳捕集系统主要结构

此外,他们还利用储液式碳捕集电厂参与系统调峰以解决风电接入场景下的风电消纳问题,在综合考虑系统的燃料费用、风险损失和碳减排效益情况下,建立了计及发电成本、碳交易成本和风电不确定性带来的风险损失的综合最小为目标函数的协调优化模型,以保证该系统在碳交易市场机制下获得最佳的低碳和经济效益。

在此基础上,该研究团队以20机系统为例,应用他们所提模型和方法模拟考虑储液式碳捕集电厂的含风电系统低碳经济调度实验。试验结果表明,该模型能够较好地实现常规火电、风电与储液式碳捕集电厂的协调优化,可适应未来电力系统发电的低碳化与可持续发展。

推进碳捕集电厂的发展,是全球共同应对气候变化的时代背景下的重要技术战略之一。目前,高投资、高能耗仍是制约碳捕集技术发展的重要原因。碳价的高低直接影响到碳捕集技术的投资回收能力。从现有碳交易市场的运行情况看,目前各国主要碳市场的交易价格都处于较低水平。过低的碳价影响了投资者对碳捕集技术的信心,未来还需要通过技术创新、市场与政策机制的完善进一步引导市场合理碳价的形成,增加碳捕集技术的投资效益。

随着“碳达峰、碳中和”等国家政策的提出与捕集技术的逐步成熟,碳捕集电厂的成本下降潜力巨大。据碳捕集和封存国际知识中心的研究指出,第二代碳捕集电厂项目的资本成本可降低67%。此外,碳捕集电厂能够推动电力系统度电排放水平的下降,而且可凭借其灵活运行能力,获取额外投资收益。

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