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。2023 年 11 月© Getty Images 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 300 gCO2e / MJ ） 之间to posel natural gas (90 to 100gCO2e / MJ). This calculation will vary based on feeding as well as the calculated basis emissions for natural gas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,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 60 gCO2e / 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。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城市固体废物 / 垃圾填埋气电力生产~12.1废水沼气50 - 75% CH4RNG> 95% CH4运输 ~ 0.1食物浪费农业废弃物 （ 如乳肥 ）覆盖十字架 ， 植物副产品和额外的生物质沼气也可以用于电力 ， 而无需升级到 RNG建筑热~8.5工业~10.4 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 MMBTU ² / 年603,6008901,2007095美国实际供应量 ， 2022 年 ，百万 MMBTU ² / 年穿透力,%~37,500N / A~70~20~5~5碳强度范围 ，gCOse / MJ ä供应成本范围 ，$/ MMBTU ²80–9050–60<–150- 30 至 - 8030–401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 ？25–3020–2510–1515–203–5~8~2~7~6 可再生天然气 ： 用于美国脱碳的瑞士军刀 ？5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