德国CO2管道拓扑结构 – 潜在未来CO2运输基础设施的技术经济评估

《Carbon Capture Science & Technology》：CO 2 Pipeline Topologies for Germany – techno-economic assessment of potential future CO 2 transport infrastructure

　　

摘要：工业脱碳需要为无法通过燃料转换或电气化消除的工艺相关温室气体排放提供解决方案。碳捕集与利用或封存（CCUS）是难以减排过程的一个有前景的选项。管道是高容量CO₂运输的既定模式，但该基础设施仍有待规划，且全球仅有少数几个CO₂管道网络在运行。在此，研究人员开发了一个技术经济框架，该框架可为不同的源、汇和过境配置推导出CO₂管道网络。该框架将基于GIS的最小成本路径规划与启发式网络构建相结合，并辅以一个混合整数规划，用于在给定拓扑结构下设定运输相态（气态或密集相）、管道尺寸，以及压缩机、泵和液化器的布置与运行。将该框架应用于德国，涵盖四个情景和敏感性分析，得出了可行的拓扑结构、其年化成本以及一个稳健的密集相主干网络。研究发现，到沿海枢纽或陆上封存点的陆上运输成本范围为每吨CO₂ 29.0至41.4欧元。两个主导因素分别为：每吨CO₂的平均运输距离（通过陆上封存或CCU等本地汇可最小化），以及管道直径的规模经济效应（受限于0.7米的密集相极限）。网络的稳健性最依赖于源和汇的选择以及过境量。一个服务于所有海上封存情景以及中等过境量、利用率高达70%的主干网络，包含5,133公里的密集相管道，估计资本支出（CAPEX）为220亿欧元，运输量可达1.8亿吨/年。研究结果强调了进行全欧洲过境和封存评估的必要性，并建议在建设初期阶段，车辆运输可发挥补充作用。

**论文解读：德国未来CO₂运输基础设施的技术经济评估**

**1. 研究背景**

实现气候中和目标需要解决工业过程中难以通过燃料转换或直接电气化消除的残余排放，特别是水泥、石灰生产和垃圾焚烧等工业过程排放，这些排放难以减排。碳捕集、利用与封存（CCUS）被认为是最主要的减排选项之一，它不仅能避免残余排放，还能通过生物源CO₂流实现负排放，并为化学工业提供碳原料。然而，现有研究对未来CCUS部署规模、CO₂基础设施的路线规划和时序安排存在巨大不确定性，特别是关于捕集与利用量、封存可用性以及国内和跨境CO₂流动。管道是未来高容量CO₂运输的最经济选项，但稳健的空间显式网络设计和走廊级成本估算仍然稀缺。德国的工业排放占全国总量的22%，目标是在2045年实现温室气体中和，且是潜在的CO₂过境国，但目前尚无专用的CO₂运输基础设施，是一个“绿色”领域案例。因此，开展此项研究，旨在减少这些不确定性，为德国的CO₂管道网络规划提供科学依据。

**2. 主要关键技术方法**

本研究采用一个分阶段的技术经济框架。首先，**基于GIS的瓦片路径优化器**，利用人口密度、土地利用、坡度、现有管道走廊等多层地理数据，为每个约1x1公里的瓦片分配成本因子，从而确定两点之间的最小成本路径。其次，**网络聚合**，通过克鲁斯卡尔算法（Kruskal's algorithm）构建最小生成树，并结合德尔塔变化算法和斯坦纳近似（Steiner approximation）确定最终的节点和边拓扑结构，其中节点限制为与最近的50个候选邻居相连。最后，**技术经济优化**，针对固定的拓扑结构，采用混合整数线性规划（MILP）确定成本最低的运输相态（气态或密集相）、管道直径、并行管道数量，以及压缩机、泵和液化器的布置与运行，目标是最小化年化总成本（包括管道、站场的资本支出（CAPEX）与运营支出（OPEX）以及能源成本）。研究数据中的源点包括水泥、石灰、玻璃、垃圾焚烧厂、燃气发电厂、化工行业（CCS或CCU）以及生物源（造纸、生物质电厂、生物乙醇、生物甲烷），汇点包括北海港口枢纽和陆上封存地点。

**3. 研究结果**

**6.1. 平均运输距离驱动成本差异**
尽管四个情景（S1全源情景、S2最低难减排情景、S3陆上封存情景、S4低转型情景）都包含相同的难减排排放源，但不同的附加源、汇和封存选项导致了截然不同的网络配置。研究发现，单位运输成本主要受每吨CO₂的平均运输距离驱动。S3情景因拥有本地陆上封存，平均运输距离最短（198公里），成本最低（29.0欧元/吨CO₂），网络也最小且区域化。S2情景因仅连接分散的难减排源，平均距离最长，成本最高（41.4欧元/吨CO₂）。第二个成本杠杆是管道直径的规模经济效应，受限于0.7米的密集相极限。S4情景因运输量大（92 MtCO₂）且距离长，密集相管道占比高，成本为33.1欧元/吨CO₂，显示出规模效益。气态管道主要作为收集系统服务于密集相主干网络。研究还发现，CO₂管道网络与现有天然气管道和在建氢气核心网络存在一定比例的重叠（如S1情景中，23.7%的气态CO₂管道沿现有天然气管道铺设），表明存在走廊协同潜力。

**6.2. 敏感性分析揭示过境效益和运输模式脆弱性**
**6.2.1. 过境流降低了单位运输成本**
对每个情景进行了8种进出口组合的敏感性分析。结果显示，向邻国（特别是荷兰）出口可显著减轻网络负荷并降低成本，而进口因需要更大容量和更长距离的运输而增加资本支出。过境流通过提高网络利用率，将固定基础设施成本分摊到更大的CO₂量上，从而降低了单位运输成本，但S3情景因本地封存路线更短，出口增加会导致成本上升。在敏感性分析中，单位运输成本变化幅度从S3的+5%到S4的-28%。

**6.2.2. 距离限制排除的影响因情景而异**
移除距离核心网络较远且排放量较小的源点（<100 kt/a且>30/50 km）并未系统性地改善运输经济性。在S3等区域化网络中，由于大量小型分散源点构成不成比例的基础设施需求，排除它们可降低成本（降低12.6%），但在S4等以大型点源为主的网络中，排除后成本反而上升（增加7.8%）。

**6.2.3. 当气态管道成本增加时，密集相占主导地位**
通过将气态管道的资本支出增加20%并将压缩机资本支出加倍，优化后的网络几乎完全转向密集相运输。这表明气态运输的经济优势仅局限于小容量连接，且对成本增加不具稳健性。因此，研究人员将稳健主干网络定义为仅使用密集相管道。

**6.2.4. 运输模式选择对电价变化保持稳定**
将电价从150欧元/兆瓦时降低至100欧元/兆瓦时（降低三分之一），仅导致网络向气态运输的微小转变，资本支出变化小于1%，但能源成本降低约三分之一。

**6.3. 稳健的密集相主干网络为CCS、CCU和过境提供了灵活性**
研究定义了一个稳健的密集相主干网络，它能够独立容纳S1、S2和S4三个情景的运输任务，并包含中等过境量（进口30 Mt/a，出口20 Mt/a），同时要求主干管道利用率不超过70%，并为每条主要走廊提供替代路线。该网络专为海上封存设计，总长5,133公里，资本支出为219.8亿欧元，运输能力达1.8亿吨/年，其中走廊的24%和43.6%分别沿现有天然气管道和在建氢气核心网络铺设。该网络的成本与氢气核心网络相似，但长度更短，这是因为CO₂密集相管道需要更厚的管壁。

**4. 讨论与结论**

**讨论总结**：研究结果表明，平均运输距离和本地汇（如陆上封存）是成本的关键驱动因素，而管道规模经济效应受限于最大密集相管径。陆上封存是降低成本和网络区域化的最有效杠杆，但公众接受度是主要限制因素。气态运输在成本上不具稳健性，因此以密集相为主导的网络设计更为可靠。稳健主干网络的设计需要在“为多种未来做好准备”和“过度设计”之间取得平衡。研究建议，为应对未来不确定性，应为主要走廊预留容量，因为管道成本高昂且灵活性差，而后期通过增加站场来提升容量更容易。成本估算通过与行业研究和基准（如Yeates等人的研究和德国水泥协会的报告）进行比较，验证了结果的合理性。研究局限性包括：技术经济优化器中的流体力学处理简化、源汇数据的不确定性、以及对碳捕集与利用（CCU）的简化假设。研究强调，国家层面的规划需要与欧洲层面的封存和过境战略保持一致。

**结论部分翻译**：本文提出了一个用于德国CO₂运输基础设施的管道路线优化模型，并应用于评估成本高效的网络配置。研究考察了四个情景和若干敏感性因素，以探索解决方案空间并应对CCUS系统的重大不确定性。各情景之间每吨运输成本差异范围为29.0至41.4欧元/吨，这些数字指的是到达沿海枢纽或陆上封存点的陆上运输成本，不包括捕集、海上运输、注入和封存运营。此外，研究人员从情景结果中推导出一个稳健网络，该网络能够容纳广泛的运输量和使用场景。该稳健网络拥有一个密集相主干网络，资本支出为220亿欧元，长度5,133公里，提供高达1.8亿吨/年的运输能力。一个更小、专门建造的网络会降低前期成本，但存在资产搁浅或出现瓶颈的高风险。关键不确定性包括跨境进出口量、化学工业中CCU与CCS的未来角色，以及来自生物源、其他工业资产或过境流的潜在额外CO₂源。如果网络仅限于难减排（HtA）排放并计划采用海上封存，S2最低HtA情景显示一个优化网络，总长度为5,621公里，运输成本为41.4欧元/吨。每吨运输成本由两个因素驱动。第一个是平均运输距离，应尽可能最小化。第二个是规模效应，即更大的量可降低单位成本。这些规模经济效应受到0.7米密集相管道最大直径的限制。排除远离核心网络的小型源点也可以降低运输成本。其总体意义仍然有限，因为运输只是CCUS总成本的一部分。气态管道与主要采用密集相的网络相比，成本上不具稳健性。在长距离运输中，两者之间的成本差异很小。因此，混合网络相比主要采用密集相的网络仅提供边际优势。对于低容量管道，仍应考虑气态运输，尤其是在现有天然气管道可以改造的情况下。对于德国而言，陆上封存是最强有力的单一杠杆。它缩短并区域化了网络，并降低了每吨成本。相同的成本驱动因素意味着，沿着现有走廊运输进口量也能降低成本。出口也能实现这一点，前提是它缩短了到德国CO₂枢纽的距离。本文未考虑国外的运输成本。因此，德国各联邦州应认真考虑陆上封存的选择权。