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《海洋碳封存：可再生能源和多途径碳转化引导未来绿色发展模式》

  • 来源专题：深海资源开发
  • 编译者： 彭皓
  • 发布时间：2023-10-12

  • 海洋碳封存是一种富有前景的，将二氧化碳永久且安全封存于深海沉积物中的策略。本文提出了利用多种可再生能源系统驱动的双水平井群将收集的CO2注入至海底沉积物中，并使其经过多途径转化而最终以固态形式完成高效、永久碳封存的概念。该封存方法为构建海洋零碳捕集和储存系统提供了新视角。

    随着全球变暖趋势日益加剧，我们迫切需要实现"碳达峰"和"碳中和"目标。海洋在控制气候变化方面发挥着重要的正向调节作用。过去几十年，海洋碳捕集和封存技术已受到广泛关注，该技术的有效性取决于能否永久、安全储存CO2。此外，降低对化石能源依赖和CO2的封存成本也需重点考虑。以往技术主要通过陆地管道或海上平台将CO2流体注入至枯竭的天然气/油藏，或沉积盆地中的盐水含水层。然而这类方法存在由于浮力作用上升而导致CO2泄漏的风险。将CO2转化为固体形式是实现永久碳封存的关键。利用碳酸盐和水合物形成等原位固相转化方法，可以克服CO2封存依赖地质结构和地层圈闭的难点，并且这种固体转变方法可使固体水合物或矿物填充至海底沉积物的空隙和裂缝中，从而进一步降低CO2流体在沉积物中的逃逸能力，同时增强储层的稳定性。为增强碳封存能力，关键在于选择有利于CO2水合物形成和碳酸盐沉淀的适宜沉积物环境，并采用有效的封存技术。可通过选择合适深度范围，在CO2负浮力区进行水合物的形成，通过负浮力作用阻止CO2上升迁移，并促进CO2水合物的转化，从而实现增强的封存效益。然而，将含CO2流体注入至较深的海底负浮力区成本较高。相比之下，选择位于负浮力区以上但可形成水合物的较浅区域进行大规模碳捕集和储存是一种更有前景的方法。可通过在相对较浅的水合物形成稳定域内构建CO2水合物盖层，以阻止下部CO2流体上升，其中可利用对流体注入、流体流动和热传递效率更高的双水平井群来增强盖层固化效果。在CO2盖层构造完成后，可在其下部区域注入更多CO2以实现更大规模的碳封存。为进一步强化CO2水合物封存效果，可通过改变CO2注入参数、水平井注入位点、CO2形成动力学等方法来开发更优异的水合物形成策略。另外，可进一步通过水合物形成和碳酸盐矿物沉淀的协同作用，增强碳封存效果。为降低碳注入成本以及解决大量用水等问题，不应忽视当地海上能源和资源的重要性。当前，太阳能、波浪能、风能甚至海洋热能等海上可再生能源的共同运用可为大规模海上生产和海洋资源环境调查活动提供更廉价的能源。这些海上可再生能源的多能互补系统可满足海水养殖平台的电力需求，实现构建海水养殖的零碳排放系统。随着海上可再生能源技术的进步，单机发电能力的效率和水平将得到提高，从而为海上碳封存和储存提供可靠且可持续的能源供应体系。

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  • 《REN21：可再生能源发展创新高 但能源转型任重道远》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-09-12
    • 6月4日，21世纪可再生能源政策网络（REN21）发布《全球可再生能源现状报告2018》 指出，持续下滑的成本、日益增强的价格竞争力、专属政策支持、增长的投资、创新的商业模式、能源安全与环境问题的关注以及发展中国家和新兴经济体日益增加的能源需求等诸多因素均推动可再生能源在全球快速发展，促使全球加速从依赖化石能源的传统能源系统向以可再生能源为主体的现代能源系统转型。2017年，全球可再生能源新增装机178 GW，占同期全球新增装机近70%，超过化石能源新增装机容量，创历史新高。尽管取得了长足进步，但可再生能源总体的发展速度仍较慢，能源转型依旧面临重重挑战，包括：能源强度改善步伐较慢、可再生能源在供暖和制冷领域的占比较低、比例日益增加的可再生能源发电并网冲击电网稳定性问题、政策不稳定性、监管障碍和财政约束等。报告要点如下： 2017年可再生能源新增装机容量再创新高，达178 GW，较2016年增加约9%，使得全球累计装机达到2195 GW（图1）。其中，太阳能光伏一马当先，新增装机98 GW，超过燃煤、天然气和核电新增装机容量之和，其在全球新增装机总量的占比最高，约55%。紧随其后的是风电（29%）和水电（11%），新增装机依次为52 GW和19 GW。截至2017年底，可再生能源提供了全球超过四分之一（26.5%）的电力来源，其中水电占比最大为16.4%，风电（5.6%）和生物质发电（2.2%）紧随其后，光伏则以1.9%占比排名第四，其余来自海洋能发电、太阳能热发电和地热发电。2017年，许多国家都实现了高比例的可再生能源并网，如爱尔兰25.2%、德国26%、乌拉圭28.1%，丹麦更是达到惊人的52.9%。上述国家高比例可再生能源并网成功案例表明，通过电网互联、系统耦合以及相关技术的支持（如信息通信技术、储能系统、热泵等），即使没有化石燃料和核能“基荷电源”，仍然可以在电网稳定性无损的前提下实现高比例的可再生能源并网。 图1 2007-2017年全球可再生装机容量发展态势（单位：GW） 伴随技术进步和新商业模式的涌现，可在生能源电力成本正在快速下滑。2017年，德国太阳能光伏电力竞标价格低于0.6美元/兆瓦时，创下了本国的历史新低；而在美国，太阳能光伏电力竞标价格更是创下了0.21美元/兆瓦时的超低价位。此外，加拿大、印度、墨西哥和摩洛哥等国家陆上风电的电力竞标价格均创新低，已降至0.3美元/兆瓦时；而在德国和荷兰，更是出现了首批“零补贴”的海上风电项目；上述情况表明了可再生能源价格竞争力日益增强。当前，尽管全球可再生能源发电仍由公用电力机构或大投资商拥有的大型发电站（兆瓦规模以上）主导，但分布式小型可再生能源发电已蓬勃兴起。受此影响，依托移动技术的即收即付制（Pay-As-You-Go，PAYG）的商业模式得到迅速扩张，2017年全球投向PAYG的商业模式可再生能源电力资金达到了2.63亿美元，全球通过PAYG商业模式享受可再生能源电力服务的人口数量达到了3.6亿人。 2017年，供暖制冷部门的可再生能源转型进展速度依旧缓慢。全球供暖领域的终端用能主要还是依赖传统化石能源，27%来自可再生能源，大部分来自传统生物质利用，其中仅10.3%来自现代可再生能源，包括太阳能热利用和地热等。太阳能热利用领域越来越广，从最初的餐饮领域拓展到了建筑、采矿业等领域，而且还在不断扩展新的应用领域。然而区域制冷系统中应用可再生能源还较为罕见。当前，全球有146个国家制定了电力行业的可再生能源发展目标，而只有48个国家制定了供暖和制冷领域的可再生能源发展目标。总体而言，受到低油价和政策支持力度匮乏的影响，可再生能源在供暖制冷领域的应用发展进展不甚理想，亟需技术创新和加大政策扶持力度。 2017年可再生能源占到道路交通燃料用量的约3%，液体生物燃料仍是主要贡献力量（2.8%），其余来自可再生能源电力。尽管当前可再生能源在交通运输用能中的占比较低，但随着交通电气化的进一步推进，将得到进一步发展。例如，2017年全球新售110万辆电动汽车，将全球电动汽车保有量提高至310万辆；此外，探索将可再生能源集成到电动汽车充电站的方法也在不断创新。但总体而言，对交通部门可再生能源应用的政策支持力度还低于电力部门，需要进一步强化。 截至2017年底，全球几乎所有的国家都在国家/地方层面出台了可再生能源支持政策，其中至少有179个国家制定了可再生能源目标，其中57个国家甚至制定了100%的可再生能源电力目标（表1）。电力部门仍是决策者主要关注的领域，该领域出台可再生能源相关支持政策的国家数量是交通运输领域的1.8倍，是供暖制冷领域的 5 倍。电力招标制近年来获得了越来越多的关注，至少有29个国家开展了可再生能源电力招标。而反观交通运输和供暖制冷部门，对可再生能源的支持力度远低于电力部门，截至2017年底，只有48个国家制定了可再生能源供热制冷目标，42个国家制定了可再生能源交通运输发展目标。截止2017年底，至少145个国家制定了能效政策，至少157个国家制定了能效指标，且至少60个国家针对建筑用能制定了强制性的能效指令。 表1 2016-2017年可再生能源发展部分统计数据 2016 2017 年度可再生能源新增投资（亿美元） 2740 2798 累计可再生能源电力装机容量（不含水电，GW） 922 1081 累计可再生能源电力装机容量（包含水电，GW） 2017 2195 累计水力发电装机容量（GW） 1095 1114 累计生物质发电装机容量（GW） 114 122 年度生物质发电量（TWh） 501 555 累计地热发电装机容量（GW） 12.1 12.8 累计光伏发电装机容量（GW） 303 402 累计太阳能热发电装机容量（GW） 4.8 4.9 累计风力发电装机容量（GW） 487 539 累计太阳能热水器容量（GWth） 456 472 年度乙醇产量（亿升） 1030 1060 年度生物柴油产量（亿升） 310 310 制定有可再生能源政策目标的国家数量 176 179 制定有固定上网电价政策的国家/地方政府 110 113 制定有竞争性招投标过程的国家/地方政府 34 29 制定有供热要求的国家/地方政府 21 22 制定有生物燃料掺混目标的国家/地方政府 68 70 2017年，全球可再生能源（不包括50 MW以上的水电项目）投资总额近2800亿美元（图2），两倍于化石燃料投资额，较2016年上涨2%，投资的主要流向仍为风能和太阳能光伏。投资的增长带来了更多的就业岗位。截至2017年底，全球范围内可再生能源行业从业人数首破千万大关，达1034万人；其中光伏（336万人）、液体生物燃料（193万人）、水电（180万人）和风电（115万人）是主要的就业大户（图3）。可再生能源不仅能解决化石能源领域的失业难题，同时也会成为全球经济的主要驱动力。 图2 2007-2017年全球可再生能源（不包括50MW以上的水电项目）投资发展态势（单位：十亿美元） 图3 2017年主要国家不同可再生能源部门就业人员数量情况（单位：千人） 总体而言，受益于政策支持和技术进步，2017年可再生能源行业再次取得全面发展：可再生能源装机创下有史以来的最大增量，达178 GW；许多发展中国家和新兴经济体正在扩大可再生能源部署规模和加大可再生能源技术和相关基础设施的投资。许多发展中国家的可再生能源投资额占GDP比重与发达国家持平甚至更高。众多高规格的可再生能源相关的倡议和计划被提出，如来自“C40城市气候领导联盟”的25个成员城市在波恩的联合国气候变化大会上提出通过发展可再生能源和提高能效，到2050年之前将使各自城市实现净零排放发展目标；全球电动汽车倡议（EVI）成员国发起了EV30@30挑战行动，旨在2030年实现电动汽车销量占到全球新车销量的30%；中国启动了全球最大的碳排放交易市场等。尽管可再生能源取得了令人鼓舞的成绩，但总体发展速度仍热较慢，其在终端能源消费中占比仅为10.4%（不包括传统生物质），远低于化石能源占比（79.5%）（图4，2016年数据）。同期，受到能源需求增加（+1.1%）和能效提升减缓（-2.1%）的影响（图5），全球能源相关的CO2排放量增长了1.4%至325亿吨，创历史新高，结束了过去连续三年的停滞态势。 图4 2016年不同能源资源在全球终端能源消费中的占比 图5 2011-2017年全球一次能源供应量和能效改善速度发展态势（单位：百万吨油当量） 报告最后总结道，为了加速和扩大可再生能源部署，促进能源加快转型，实现“人人享有可持续能源目标”倡议和《巴黎气候协定》既定的目标，决策者需要采取如下措施：（1）针对取消化石燃料补贴，在全球范围内制定政策，明确最终的执行时间，并制定碳排放交易机制；（2）以大系统观角度出发针对所有用能终端领域制定相关可再生能源发展政策和发展目标；（3）打破传统的思维模式，利用一切可以利用的技术（如人工智能、大数据、自动化技术等）来加快可再生能源部署进程和规模；（4）对现有的能源系统进行重新设计改进，以增强其灵活性和弹性，实现最大程度的可再生能源集成耦合。
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  • 《REN21：基于能源系统观制定政策框架推动可再生能源发展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-10-25
    • 8月14日，21世纪可再生能源政策网络（REN21）、国际能源署（IEA）和国际可再生能源机构（IRENA）联合发布了《转型期的可再生能源政策》报告 ，得益于专属政策的支持，过去十年可再生能源在全球取得了快速的发展，促使全球加速从依赖化石能源的传统能源系统向以可再生能源为主体的现代能源系统转型。然而当前，大多数的可再生能源支持政策聚焦在电力行业（如可再生能源电力招标、上网补贴等），而其他能源行业（如供暖和制冷）出台相关的政策和规划较少，获得的关注不够，使得不同能源行业的可再生能源转型发展不平衡。因此报告强调，亟需各国政府从能源系统观角度出发来制定整体的能源转型发展政策/规划，以推进整个能源系统不同行业绿色低碳转型均衡发展。报告主要内容包括： 1、不同部门的可再生能源政策 （1）供暖和制冷 供暖制冷是最大的用能终端领域，2015年占终端能源消耗总量的50%以上，其中超过70%由化石能源提供。可再生能源对于供暖制冷行业的低碳化发展极为重要，合适的激励政策和措施有助于推动这一行业的低碳转型。然而当前建筑材料更新及建筑和工业部门的供暖制冷设施更新换代（低能效转换为高能效设施）缓慢，使这一部门的脱碳成为一个长期事项。各国应明确可再生能源在供暖制冷部门的目标并制定其实现战略，根据不同的需求、基础设施情况和其他背景因素来制定不同的政策措施，最常用的方式是政府指令和财政激励。如某些国家关于部署太阳能热水器的指令、建筑规范中隐含的对可再生能源供暖制冷的支持政策等；此外，可再生能源可与能效政策相结合，发挥协同作用，有助于加快转型步伐。另外，财政激励措施通常用于降低可再生能源供暖的成本，如支持区域能源基础设施，有助于集成多种可再生能源。除此以外，碳税或能源税也为可再生能源提供了价格优势，然而，其征收仍然面临计划和实施方面的挑战，特别是在能源密集型产业在国际竞争激烈情况下提出减免征税的要求情况下。所有国家都应制定供暖和制冷行业可再生能源的目标以及如何实现这些目标的战略，同时采取能效措施。 （2）交通运输 交通运输部门是第二大终端用能行业，2015年占终端总能耗的29%，并且高度依赖化石燃料，其96%的能源来自石油产品。另外，2015年交通运输占世界石油消耗量的64.7%。除了生物燃料之外，可再生能源在交通部门的应用很少。迄今为止的绝大多数政策都与生物燃料有关，旨在发展可再生能源电力交通的政策在最近才开始出现。想要扩大可再生能源在交通运输部门的发展需要在三个领域进行变革：1）可再生能源载体和燃料的可获得性；2）可再生能源汽车的部署；3）发展能源及燃料输运配送基础设施。政策和规划应致力于克服如下的关键障碍：技术不够成熟或成本偏高、能源基础设施不足、可持续性因素以及用户对新引入的技术和系统的接受度偏低。此外，政策规划还应促进能源和运输部门决策者之间的理解，以实现综合规划和政策设计。由于运输部门对化石燃料的高度依赖，取消化石燃料补贴对于交通运输部门的脱碳化至关重要，尤其是航运和航空，因为这两个部门目前都受益于燃油税的减免优惠。在这种情况下，碳价将是刺激运输部门脱碳的关键工具，尽管其实施在政治上具有挑战性，并且仍要做许多工作以达成全球共识。另外，低碳燃料标准，包括生命周期温室气体减排和可持续性标准，是促进交通运输部门脱碳的有力措施。总之，交通运输部门的脱碳仍然是一项艰巨的任务，需要从根本上改变交通运输需求的性质和构成，提高效率和改变能源结构，这些都需要借助于政策推动。 （3）电力部门 2015年电力部门占到了终端用能的五分之一，政策层面对该部门可再生能源的利用关注最多。由于技术成本的下降和支持政策的实施，电力部门可再生能源的部署持续大幅增加，可再生能源发电量在2009年至2014年间以年均6.4%的速度增长，超过了电力需求和非可再生能源发电量的增长速度。2015年，可再生能源提供了约23.5%的电力，其中大部分来自水电，其次是风能、生物能和太阳能光伏。对电力行业的投资在很大程度上受到供电配额和任务以及定价工具等监管政策的推动，并得到财政的激励。可交易的可再生能源证书保证了供电配额和任务的实现。为确保配额和证书的有效性，需要一个强有力的政策框架来监督和惩罚违规行为。行政定价政策（上网电价和补贴）需要不断适应变化的市场条件，税率定期调整是确保技术成本下降的一个措施。在这种背景下，各国逐渐开始采用拍卖机制。通过实施电价拍卖，2016年太阳能光伏发电价格几乎降至2010年的五分之一，同期陆上风电的价格几乎减半。然而，拍卖机制的成功依赖于其方案设计，没有哪一种政策适用于所有情况。政策工具的选择应取决于具体的国家条件、能源市场的状况、技术和实现的目标。许多情况下，拍卖适用于大规模项目和上网电价，以及小规模发电的并网补贴。可以通过净计量和净记账来支持分布式发电的发展，但应考虑系统成本回收问题，并防止自消费用户和非自消费用户之间的交叉补贴。可再生能源的自愿购买和企业采购计划是未来能源转型中越来越重要的一部分，通常通过对可再生能源的宣传活动来推动。 2、其他领域的可再生能源政策 （1）电力系统整合 许多国家和地区正在其电力系统中深度引入波动性可再生能源（VRE），并实施促进系统整合的政策。VRE具有许多特性，随着其在电力系统的占比提高，可能会给整个电力系统带来挑战。可再生能源系统整合战略（SIR）由一系列协调措施组成，对于最大限度地减少负面影响、利益最大化和提高电力系统的成本效益极为重要。随着VRE在电力系统中份额的增加，其对电力系统的影响越来越大，因此应逐步提高系统处理VRE的能力。协调VRE部署和可再生能源系统整合战略对于电力系统的经济有效、可靠和安全运行至关重要。随着VRE对电力系统影响增加，新建或修订电网准则、改进系统操作、协调电网与VRE部署可能是可再生能源系统整合战略必需采取的措施。当VRE占电网份额更高时，灵活性将成为电力系统的重要特性。电力系统的复杂性需要采取措施来应对技术挑战、系统运营、市场设计以及角色和责任的划分。其结果是对资源的灵活部署，这在技术上可行，在经济上具有吸引力，并被所有电力系统利益相关者认可。随着VRE份额的扩大，政策需要适应不断变化的电力系统条件。此外，随着运输、供暖/制冷以及电力部门日益一体化，跨部门的交叉决策和政策设计变得极为重要。在价格低廉的VRE时代，可再生能源系统整合战略的成功实施有助于将高份额的VRE转化为用户的低成本用电。 （2）能源普及 分布式可再生能源解决方案（如微电网）对于实现联合国可持续发展的获得廉价、清洁和可持续的现代能源服务目标极为重要，还可能为与生计、教育、健康、水、就业和性别平等有关的其他可持续发展目标做出贡献。因此，需要制定专门的政策来支持分布式可再生能源的部署，以加快能源普及的步伐。国家层面的可再生能源并网计划应考虑并网和离网解决方案，许多发展中国家已经制定了分布式系统和微电网的发展目标。对微电网应制定发电和售电资质、税率设定和联网、补贴和税收减免等激励政策的监管措施。此外，监管政策框架体系、促进融资的措施、能力建设以及将能源服务与生活联系起来也同样重要。应减少使用传统燃料进行供暖和烹饪，能源获取计划应优先采用清洁烹饪系统，并从传统燃料转向现代燃料。 3、前进道路 尽管可再生能源在过去十年取得了重大进展，但尚未充分发挥其潜力，除了政策、监管、体制和行政障碍外，还涉及技术、意识和能力、成本、财务、基础设施和公众接受程度等方面。如果不能更快地扩大可再生能源应用和提高能源效率， 2015年“巴黎气候协定”承诺的全球温升控制在2℃目标将无法实现。因此，需要采取推动可再生能源部署、整合和应用的一系列政策措施，包括：1）电力和终端用电部门必须加强对可再生能源的直接政策支持，在许多国家，可再生能源继续面临来自补贴化石燃料的竞争；2）实施确保能源系统和市场中可再生能源有效运行条件的政策，使可再生能源技术能够在与其他技术进行公平竞争的系统中运行，促进可再生能源在电力终端用途中的创新、供应和消费；3）促使能源系统完全整合的措施，旨在促进可再生能源融入用户和产消者的日常生活以及体制框架中，成为整体能源转型的一部分，例如通过提升认识计划来鼓励行为改变和将可再生能源技术与生计结合的政策。 报告最后总结道，没有一个放之四海皆准的能源转型发展政策（不同国家能源资源禀赋、国情不同）。因此必须谨慎选择政策，并对其进行设计或调整，以适应具体的国家和地方情况。目标和政策的长期稳定性是确保投资者信心和持续发展的关键。与此同时，政策需要不断适应变化的市场条件，更具备成本竞争力，并促进可再生能源与电力系统的整合。为了加快能源转型，必须更加关注对社会、机构、融资、所有制结构和更广泛经济的变革性影响，这需要所有利益相关者的参与。政策制定者已经拥有支持增加可再生能源部署所需的工具，包括传统公用事业在内的参与者已采取了有希望的行动。 现在应该利用这些行动的协同作用，打破阻碍，允许跨部门整合可再生能源，并超越能源部门政策，实现更广泛的发展政策以实现能源转型。
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