直接空气捕获：实现净零的关键技术

- 1 - 2022!7"4# $27% &$546% 直接空气捕获：实现净零排放的关键技术 !"#$%2022年4月1日，国际能源署首次发布《直接空气捕获：实现净零排放的关键技术》。报 告指出，直接空气捕获技术日益受到关注，未来将在实现净零排放过程中发挥重要作用，但目前成本较高，不过具有极大下降空间。扩大直接空气捕获技术部署需重点考虑拓展价值链、能源需求、碳足迹、水和土地足迹等因素，并选择最佳场址。报告提出，可以采取规模化示范、创新整体价值链、确定和开发碳封存技术、制定国际认证和核算方法、开展评估和加强国际合作等重点行动扩大技术部署。赛迪智库材料工业研究所对该报告进行了编译，期望对我国相关部门有所帮助。 !&'(%)*+, -./012 &'34 55 - 1 - 直接空气捕获（DAC）技术在实现净零排放过程中发挥着日益重要的作用。直接从空气中捕获二氧化碳并将其永久封存，可清除大气中的二氧化碳，为清除历史遗留排放提供解决方案，同时也为平衡难以避免的排放提供解决方法。从空气中捕获的二氧化碳还可用作原料，生产从合成燃料到食品和饮料等各种产品。在国际能源署对2050年净零排放进行的展望中，2030年，直接空气捕获技术将捕获超过8500万吨二氧化碳，2050年这一数字将达到约9.8亿吨，远超目前仅1万吨的捕获规模。本报告探讨了直接空气捕获技术发展现状及其面临的机遇和挑战，分析了其降低成本的潜力、未来的能源需求，以及建设直接空气捕获设施的最佳选址。最后，报告还提出了直接空气捕获投资的关键驱动因素以及相关重点政策行动。 '()*+,-./0#12345 （一）直接空气捕获技术在实现净零目标方面的作用 为引导全球能源体系在2050年实现净零排放，不能仅依赖基于自然的解决方案，还要结合基于技术的脱碳方法1，即，直接空气捕获与封存（DACS）2、碳捕获与封存型生物能源（BECCS）。 1 脱碳方法是指直接或间接从大气中吸收二氧化碳并将其永久封存的方法。 2 直接空气捕获与封存是一种脱碳方法，包括基于自然的解决方案（例如，植树造林和再造林）、增强型自然过程（例如，生物炭）以及基于碳捕获与封存（CCS）技术的解决方案。 - 2 - 在净零展望中，这两项技术预计会发挥越来越大的作用（见图1）。 617)*89:;<=>?@-./012ABCDE12F5到2030年，直接空气捕获的二氧化碳可达9000万吨/年，目前为7700吨/年。到2040年，这一数字将显著增加到6.2亿吨。到2050年，该数字将达到9.8亿吨。2020—2050年，通过直接空气捕获将累计捕获约120亿吨二氧化碳，占该时期所有碳捕获增量的11%。到2050年，通过直接空气捕获的二氧化碳将占碳排放量的13%左右，其中64%的二氧化碳将被封存，并与碳捕获与封存型生物能源技术共同作用，以平衡交通、工业和建筑领域剩余排放量，打造净零排放的能源体系。 到2050年，在直接空气捕获的二氧化碳中，约有3.5亿吨（占总量的36%）二 氧 化 碳 ，将与氢气结合，用于生产合成碳氢燃料，特别是航空业用合成燃料，这将满足当年三分之一左右的航空燃料需求。航空运输业仍是脱碳面临的最具挑战性的行业之一，而生物质直接空气捕集单位：百万吨直接空气捕获 生物质 - 3 - 直接空气捕获技术将为航空运输业提供为数不多的减排方案。 在净零展望中加大对直接空气捕获技术的部署，意味着2020—2050年，平均每年需增加30多个年捕获100万吨的直接空气捕获工厂。该部署将取决于其成本竞争力，以及低碳能源和关键消耗品的可用性。到2050年，直接空气捕获10亿吨二氧化碳，需要消耗约6艾焦耳低碳能源（见图2），其中所需热能约占能源总需求量的90%。 627)*89:-./012A;<GHIJFKLM@BCDE12FKNM5（二）直接空气捕获技术部署现状 目前全球已有18座直接空气捕获工厂投入运营，它们分别位于加拿大、欧洲和美国（见图3）。这些工厂大部分规模很小，并热力电力单位：艾焦耳单位：十亿吨二氧化碳二氧化碳捕集二氧化碳捕获 电力 热力 - 4 - 且主要将捕获的二氧化碳出售，包括用于电力多元化转换3、碳酸饮料生产以及大棚种植。瑞士碳捕获公司Climeworks和冰岛初创企业Carbfix在冰岛建立的工厂Orca，从大气中捕获二氧化碳后，将其与从地热流体中捕获的二氧化碳混合，一同注入并封存在玄武岩地层，通过若干年的矿化过程，将二氧化碳转化为岩石。这是一种前所未有的方法。2021年10月扩建后，该工厂每年可捕获4000吨二氧化碳，成为全球最大的直接空气捕获工厂。 6372010-2021OP;<-./012GQ56()*+,-./078 （一）固体和液体直接空气捕获技术 固体直接空气捕获（S-DAC）是利用固体吸附剂的吸附/解吸循环过程。吸附发生在常温和常压下，解吸则是借助变温真空过 3 电力多元化转换指的是一组将电力转化为其他形式能源（例如，氨气、氢气甚至热能）的技术。 单位：吨二氧化碳 - 5 - 程发生，二氧化碳就在低压和中温（80至100°C）下被释放。单个吸附/解吸装置每年可捕获数十吨二氧化碳，在当地条件允许的情况下，可用于从大气中提取水分。早期的工厂清除1吨二氧化碳需要脱水约1吨，而固体直接空气捕获工厂采用模块化设计，可根据需要添加任意数量的单元。 液体直接空气捕获（L-DAC）利用两条封闭的化学回路。第一条回路出现在一个被称为接触器的单元中，旨在让大气与碱性水溶液接触，从而捕获二氧化碳。第二条回路在一连串300°C—900°C的高温单元中运行，旨在从溶液中释放捕获的二氧化碳。大型液体直接空气捕获工厂每年可以从大气中捕获约100万吨二氧化碳。根据当地气象条件，还可能需要加水。 固体直接空气捕获和液体直接空气捕获具有不同的特征，这使得两种方法在不同的运行环境下，具有特定的优势。从相同点来看：两者都能够对大气进行脱碳，或作为产品生产过程中需要的气候中性二氧化碳来源；均不需要占用宝贵的农业土地资源；能够在不同的温度下工作；适合大规模运行，也可以以模块化形式可扩展地小规模运行；其资本和运营成本取决于工厂的规模、能源需求以及运营需求。从不同点来看，理论上，液体直接空气捕获在稳定状态下可连续不间断地运行，固体直接空气捕获可批量运行，需将多个单元并联，其中一部分在运行过程中主动捕获 - 6 - 二氧化碳，其余的则在再生过程中将捕获的二氧化碳从过滤器中释放出来。直接空气捕获的运行还受需水量的影响：固体直接空气捕获可通过从空气中提取水分来产生水，而液体直接空气捕获则需要供水才能持续运行。 （二）新兴4的直接空气捕获技术 变电吸附技术需利用电化学电池，其中固体电极带负电荷时吸附二氧化碳，带正电荷时释放二氧化碳，即变电荷，而不是其他物理分离技术中的变温或变压。该方法能够将二氧化碳从高浓度源和空气中分离出来，鉴于电池理论上是可以堆叠的，因此需要的空间有限，并且与液体直接空气捕获不同，无需额外的调节或泵送设备即可运行。 膜基直接空气捕获技术是直接空气捕获技术另一个具有可行性的方向。不过，该技术仍处于起步阶段，有许多重大挑战尚待克服。一般而言，该技术面临空气中二氧化碳浓度过低的难题，以及二氧化碳在常压下表现出的低选择性，需要非常奢侈地大量压缩周围空气，才能有效分离出二氧化碳。在较为传统的碳捕获、碳利用与碳封存应用中，膜基直接空气捕获技术目前在水泥产业的技术成熟度是4级，在天然气加工方面的技术成熟度是6级。 （三）直接空气捕获技术的成本 4 技术成熟度低于6级的直接空气捕获技术，包括变电吸附（ESA）技术和膜基直接空气捕获（m-DAC）技术。 - 7 - 1、成本偏高且具有不确定性 从空气中捕获二氧化碳比从其他地方捕获二氧化碳需要更高的费用，因为大气中的二氧化碳比发电厂或水泥厂烟道气中的要稀薄得多。因此，与其他二氧化碳捕获技术和应用相比，直接空气捕获的能源需求和成本更高。 某研究指出，如大规模应用直接空气捕获技术，即每年捕获100万吨二氧化碳，则捕获成本为125—335美元/吨二氧化碳，具体成本取决于捕获技术、能源成本、财务状况、工厂设备，以及捕获的二氧化碳的用途（作为封存还是加以利用）。如通过某种形式的碳定价体系将捕获的排放量货币化，则直接空气捕获的平均捕获成本可能会远低于100美元/吨二氧化碳。此外，在碳价高于160美元/吨二氧化碳的情况，直接空气捕获也具备一定的经济效益。 定期保养直接空气捕获设备对其良好运转至关重要，包括更换吸附剂（目前只能手动操作）。由于系统布局的原因，该操作对于固体直接空气捕获而言尤为繁重。频繁更换直接空气捕获吸附剂（每吨二氧化碳需0.25至38公斤的吸附剂）会影响运营成本。如因特定地理条件（例如，空气较湿或空气污染）而不得不进行频繁更换，相关成本可能会进一步增加。 2、成本具有极大的下降空间 - 8 - 某研究指出，如直接空气捕获在全球范围内大量部署，捕获成本将在未来五到十年内大幅下降，主要是因为特定组件会降价、施工能力会提升，以及供应链也会日趋完善。就液体直接空气捕获而言，从建设第一个工厂到第n个工厂，预 期 成 本会下降27%，其中42%的成本下降来自一种关键设备：空气接触器。就固体直接空气捕获而言，其成本有望在中短期内降低六分之一至三分之一。另外，加大部署和实现规模经济也可以进一步降低成本。 9()*+,-./0:;<=>?@AB （一）拓展直接空气捕获技术价值链 到2050年达到净零排放展望中所设想的直接空气捕获技术部署水平非常困难，但并非不能做到。这就需要在接下来的十年间平均每年建造8座产能为100万吨二氧化碳/年的大型直接空气捕获工厂，在2030—2040年每年建造50座大型直接空气捕获工厂，在2040—2050年每年建造约40座大型直接空气捕获工厂。 这些工厂共需1700—3600万吨钢、混凝土、铜和铝，以及300—700万吨液体溶剂和固体吸附剂用化学品。直接空气捕获的研发工作主要集中在二氧化碳溶剂和吸附剂方面，目的是找到能耗更低的替代品。液体直接空气捕获的大量部署可能会对氢氧化物溶液市场形成压力，而用于固体直接空气捕获的胺吸附剂可由 - 9 - 氨和环氧乙烷生产。 根据净零展望，到2050年，如每年要从大气中捕获近10亿吨二氧化碳，可能需消耗高达500亿吨水和约6艾焦耳能源。这相当于2019年荷兰全年的能源出口总量。假如能源全部来自太阳能光伏，则需要有2.3万平方公里的区域，主要用于放置太阳能电池板。 （二）直接空气捕获技术的能源需求 直接空气捕获工厂的能源需求受工作温度的影响巨大。从环境层面看，仅靠可再生电力运行将非常具有吸引力。基于目前的商用技术，电力仅能为钢铁行业和铝行业提供500°C多度的工作温度。电煅烧虽然正在兴起，但是目前仍处于3级技术成熟度的水平，因此尚需一段时间才能投入大规模的商业运行。此外，许多可再生技术都能够提供低温（低于150°C），但适用于中高温工艺的技术依然较少。 固体直接空气捕获技术可使用热泵、地热、太阳能、生物质燃料等多种可再生能源供电。而对于液体直接空气捕获技术，目前的高温要求尚不允许同样的灵活性，充其量仅能使用低碳燃料，例如，生物甲烷或可再生电解氢。大型液体直接空气捕获工厂在设计时均考虑了使用天然气进行供热，无需借助额外设备便可捕获天然气燃烧过程中产生的二氧化碳。这种集成方式在保障脱碳 - 10 - 的同时，也大幅降低了工厂的整体排放量。然而，未来任何一种提供高温能力的可再生能源都可能将该过程中的排放降至接近于零，从而最大限度地提升脱碳潜力和增加相关的收入来源。促进大规模电煅烧技术的商业化，对实现液体直接空气捕获工厂完全依靠可再生能源进行运营而言，非常重要。 （三）脱碳的碳足迹和成本 作为一项减缓气候变化的解决方案，降低直接空气捕获在建设、调试、运营和退役期间给环境造成的影响，对于提升该项技术的价值至关重要。正是基于这一原因，除低碳能源外，利用任何其他能