电化学去除二氧化碳中的屏障

电化学去除二氧化碳中的屏障 洞察力简报/2024年8月 作者和致谢 Authors SilvanAeschlimannChariteaCharalambous 作者按字母顺序列出。除非另有说明，否则所有作者均来自RMI。 贡献者 鲁迪·卡萨尔、丹尼尔·派克、艾米丽·罗杰斯、诺亚·香农、盖伊·沃尔和伊莎贝尔·伍德 除非另有说明，否则RMI的所有贡献者。 联系人 SilvanAeschlimann,saeschlimann@rmi.org ChariteaCharalambous,charithea.charalambous@rmi.org 版权和引文 SilvanAeschlimann和ChariteaCharalambous,电化学去除二氧化碳中的屏障,RMI,2024,https://rmi.org/insight/breaking-barriers-in-二氧化碳-removal-with-electrochemistry. RMI重视合作，并致力于通过分享知识和见解加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方根据CreativeCommonsCCBY-SA4.0许可条款引用、共享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/. 除非另有说明，否则所有使用的图像均来自iStock.com。 Acknowledgments 资助伙伴：团队衷心感谢杰里米和汉内洛雷·格兰瑟姆环境信托基金的支持与合作，为这项工作提供了资金。 外部审阅者:我们对Counteract的AndrewShebbeare、CarbonRemovalPartners的KarenStrassle、EnergyRevolutionVentures、休斯顿大学的MimRahimi和AbdelrahmanRefaie以及几位希望保持匿名的其他人士表示感谢，他们深入审阅了本工作的内容。此外，RMI向本简报中提及的进行了特定运营展示审核的初创公司致以谢意并表达感激之情。 关于RMI RMI是一家独立的非营利组织，成立于1982年，名为RockyMountainInstitute，通过市场驱动的解决方案，推动全球能源系统的转型，以符合1.5°C的未来目标并确保实现一个清洁、繁荣且零碳的未来 。我们关注世界最为关键的地理区域，并与企业、政策制定者、社区和非政府组织合作，识别并扩大能源系统干预措施，以在2030年前至少削减50%的气候污染。RMI在科罗拉多州的巴斯尔特和博尔德设有办公室，在纽约市、加州奥克兰、华盛顿特区、尼日利亚阿布贾和北京设有办事处。 关于第三导数 全球气候技术加速器RMI的第三导数（ThirdDerivative）正在加速气候创新的速度。第三导数包容性的生态系统迅速地发现、资助并在全球范围内扩大气候技术。通过将投资者、企业与世界最具有潜力的气候技术初创企业连接起来，第三导数跨越了资金和资源的鸿沟，以加快产品上市速度。灵活且高度定制化的远程加速计划能够使初创企业专注于其独特的需求和机遇。我们共同努力，推动市场变革 ，以实现公平的气候未来。欲了解更多信息，请访问[具体链接]。www.third-derivative.org. Contents 执行摘要.5 词汇表8.......................................... 引言.11 电化学在CDR中的应用：现场状态14评估规模可行性................... 能源需求与单元设计............................................................................................... 系统级权衡.23 为投资者，企业家和研究资助者提供可行的指导28 ........ ................................... 结论.31 附录A：电解池的期望特性32附录B：基本技术挑战 ......... 系统原型33 尾注35 ................................. 执行摘要 电化学正准备通过大幅降低碳dioxide去除（CDR）路径的能量需求，进而显著减少成本，来变革碳dioxide去除领域。在清洁电力的驱动下——预计在未来十年内价格将进一步下降一半并变得更加普及——电化学将发挥关键作用。1基于电化学的CDR系统可以成为全球CDR组合的一部分 ，该组合旨在实现全球温度目标，既经济实惠又持久可靠。 图ES1（下一页）展示了电化学技术通过以每年1百万吨（Mt）固体✲附剂直➓空气捕获（DAC ）工厂为例，如何有可能将预测的CDR成本降低超过50%的可能性。基于电化学的其他CDR方法 ，如间➓水捕获（IWC）和混合系统（HYB），可以预见类似的创新路径。i 初创企业和投资者正在认识到电化学在碳捕获与储存（CDR）领域的潜力。从2019年到2024年3月 ，利用电化学进行CDR的初创企业数量从3个增加到了24个，其中许多企业已经成功筹集了初始资金轮次。尽管如此，投入电化学基CDR领域的总累计投资为30亿至40亿美元，仍远低于该领域实现其全部潜力所需的资金量。RMI的应用创新路线图2预计未来15至20年内，至少需要25亿美元至70亿美元的资金来证明基于电化学的方法在大规模应用上的可行性。 基于电化学的连续沉积反应（CDR）展现出提高工程化CDR系统效率和成本的高潜力，但开发者需要解决关键挑战，如可制造性、系统集成以及实际环境下的系统寿命。由于初创企业在应对这些风险和展示系统设计方面仍处于初期阶段，投资者可能难以确信评估这些技术的可行性和潜力。 本简报旨在为投资者、企业家和研究资助者提供关键洞察，帮助他们就电化学参与的碳捕获与储存（CDR）技术做出明智决策。其目标在于填补对技术有效性和可扩展性独立评估的空白。简报概述了电化学在CDR领域的前沿应用，强调了各种基于电化学的CDR系统中的关键权衡，并提供了避免偏见或不准确评估的实用指南。 根据对CDR初创企业环境的回顾，本文简要识别并列出了当前正在探索的八种电化学CDR系统原型 。这些CDR系统根据以下三个方面进行分组：（1）核心电化学过程、（2）特定的CDR方法以及（3）电化学电池在CDR系统中的作用。附录ES2（第9页）概述了这八种系统原型，并展示了它们的比较优势。 iDAC指的是直➓使用机器以浓缩形式从大气中去除二氧化碳的方法；IWC指的是通过改变水化学间➓从空气中去除碳的方法。HYB方法则融合了多种CDR（碳去除）方法，例如将DAC与增强型岩石风化结合在一起。 展览ES1：电化学✁成本创新之路R电ed化u学cti✁on成本创新之路 ExhibitES1 2 by净2额0(5美0元)/tCO 到已2删0除50年减少 非能源 opex ~$230/tCO 2 4 9 <$100/tCO✁创新途径 ~$180/tCO 资本支出(不包括空气➓触器) 82 GyEner -46 2 4 9 36-18 ~$160/tCO 2 4 9 O$100/tC 18 eturCap <$100/tCO 130 m 空气➓触器 资本支出 处的材料 130 2 4 9 18 -65 65 130 固体 ✲附剂 能源使用节省 Reduced电力成本 Material节省 注：成本值来源于国家科学院(NAS)，对应基于固体✲附剂✁DAC技术，规模为每年1百万吨。电能价格为每千瓦时$0.06。所有其他资本支出(capex)和运营费用(opex)均取自NAS报告范围✁中点，采用12%固定费用因子来确定年度化资本支出。创新路径考虑了以下因素：来自公司✁电化学基DAC价值所报告✁能量节省（从每吨二氧化碳约5吉焦耳(GJ/tCO)到） 22 约2GJ/tCO)；降低了电力成本(从0.06美元/千瓦时到0.03美元/千瓦时)；由于使用了更便宜✁材料，节省了50％ ✁材料， 2 更长✁耐久性和稳定性，材料✁可回收性，并降低制造成本。 RMI图形。来源：负排放技术和可靠✁隔离：国家科学院✁研究议程，2019年；对于固体✲附剂成本部分，伊芙·汉森和约翰·马特森，直➓空中捕获：利用界定技术发展十年，第三衍生品，2021年。 这些信息可以用来将基于电化学✁CDR系统原型映射到投资者✁特征和行业合作伙伴关系。 在对基于电化学✁CDR初创企业进行尽职调查时，RMI鼓励潜在投资者遵循这四个最佳实践原则，以帮助区分具有竞争力和实际表现预测✁公司与那些难以扩展✁公司： 1.回顾最新✁电化学技术基准✁最新文献 和费用：定期进行全面独立性能评估和技术经济分析（TEA）以关注技术。 2.要求初创公司提供能够跨系统进行无偏比较✁数据。其中包括以下请求： a.为他们共享✁任何TEA或生命周期评估(LCA)数据明确定义系统边界。 b.他们报告✁能源需求✁基础指标。 c.他们✁电化学过程/系统和基准过程/系统之间✁详细比较。 d.评估其系统可扩展性✁相关数据，包括主要组件列表、当前材料成本和预期成本轨迹、副产品生成速率、持有✁专利以及目标站点。 3.比较类似✁系统上下文：仅比较使用相同系统边界✁系统✁成本和能源数据。 4.上下文化启动性能数据：鉴于所有基于电化学✁CDR系统仍处于技术成熟度✁初期阶段，请不要过于依赖TEA✁名义值。 附件E展品ES2S2：比基较于基电于化电学化✁学C✁DRCD系R统✁比较原型系统原型 原型 细胞✁作用CDR方法电化学过程原型之间✁比较优势 电化学CO捕获和版本(ECCR) 直➓空气捕获(DAC) 质子耦合电子转移1（PCET)与金属氧化物 2氧化还原有机载体(ROC) 电化学CO释放(ECR) 3电解(EL) 4双极膜 电渗析(BPMED) 电化学预处理输入(EPOI) 间➓水捕获(IWC) 5BPMED用于CO汽提 海洋碱度✁BPMED6增强(OAE) ✲合动力(HYB) 7EL 8BPMED 能源使用系统工程简单性 测量、监测、 报告和验证✁简单性 技术 成熟度 Material寿命 潜在 共同效益 注释：这八个基于电化学✁CDR系统原型基于以下几点：（1）核心电化学过程：PCET、ROC、EL、BPMED；（2）特定✁CDR方法：DAC、IWC、HYB；以及（3）电化学电池在CDR系统中✁作用：ECCR、ECR、EPOI。这些术语✁详细解释可以在...中找到。词汇表section. RMI图形。来源：RMI数据集 词汇表 Term 缩写 Description 应用(单元格)电位 必须施加到电化学电池以启动✁电压✁反应。 生物能源与碳捕集和存储 BECCS 使用光合作用作为CO✁CDR方法燃烧或气化以产生能量并转化生物质toCO2,然后存储。 2捕获步骤，但然后依靠 生物碳二氧化去除 bCDR 依赖于植物✁CDR方法，使用天然存在✁生物碳从大气中捕获二氧化碳✁固定机制。这些机制中最重要✁是光合作用。突出✁例子包括造林或BECCS。 双极膜电渗析 BPMED 使用双极膜✁电化学过程，由层压阴离子和阳离子交换层，选择性地将离子转移到阳极和阴极，有效控制电池✁pH值。 二氧化碳移除 CDR 任何专门从大气中去除二氧化碳✁活动或海洋并将其存储在地球✁生物圈或岩石圈中。 细胞分离器 用于促进选择性增加✁电化学电池✁组件，限制不需要✁反应，并提高产品纯度。 电流密度 每单位面积通过电池✁电流量电极表面。电流密度描述了反应✁强度或电极催化剂✁质量。电流密度越高，越激烈✁反应。然而，更大✁电流密度也需要更高✁电压来维持这一过程，从而导致电力需求✁增加。 直➓空气捕获 DAC 捕获CO✁方法2直➓从大气中传递它在一个浓缩流。 电催化剂 参与并加速电化学反应✁材料电极表面或电极表面本身。 电化学cell 通过化学反应或使用产生电能✁装置电能来驱动化学反应。 电