酸性介质二氧化碳电还原制乙烯的技术经济评估与可行性路径分析

为解决传统碳密集型乙烯生产的高排放问题，研究人员针对酸性介质CO2电解制乙烯（CO2R-to-C2H4）开展技术经济分析，提出实现经济可行性需满足电流密度>500 mA cm?2、电压<2.70 V、乙烯法拉第效率>75%等关键指标，并强调低电价（<3 c kWh?1）与长系统寿命（>30年）的重要性，为低碳化工提供技术路径。

　　

随着全球能源需求持续增长，碳密集型工业过程导致的气候问题日益严峻。2024年全球与能源生产相关的CO₂排放量增至37.8吉吨，大气CO₂浓度达到422.5 ppm，较工业革命前翻倍。为应对这一挑战，可再生能源驱动下的电化学CO₂转化（CO₂R）技术成为关注焦点，尤其是将其转化为高附加值化学品如乙烯（C₂H₄）。乙烯是全球化工产业的关键基石，年产量达1.77亿吨，市场规模约1850亿美元，但其传统生产方式（如乙烷和石脑油裂解）每吨排放1.0–2.6吨CO₂，亟需低碳替代路径。

酸性介质CO₂电解系统通过创新设计解决了中性/碱性系统中碳酸盐形成、CO₂损失和能量惩罚等问题。该系统利用质子交换膜（PEM）电解槽结构，在酸性电解质中实现高单程CO₂转化效率，避免了30–40%的CO₂再生能耗。近年来，该技术已在电流密度、选择性和能效方面取得显著进展，但缺乏针对其技术经济可行性的系统评估。为此，研究人员开展了首项酸性介质CO₂R制乙烯的全面技术经济分析，旨在识别关键性能指标和输入参数对成本的影响，并为产业化提供路线图。

研究采用流程建模和敏感性分析方法，基于酸性介质CO₂R系统的典型配置（包括质子交换膜电解槽、铜基催化剂、酸性电解质循环和气体分离单元）构建成本模型。关键输入参数包括电流密度、电池电压、乙烯法拉第效率（FE）、电价、CO₂价格、电解槽成本、系统寿命等，基准场景设定为电流密度600 mA cm^?2、电压3.2 V、C₂H₄ FE 60%、电价8 c kWh^?1、CO₂价格25 $ ton^?1、系统寿命30年、产能100吨/天。分析涵盖了资本支出、运营成本、组件更换和平衡工厂（BoP）费用，并考虑了副产氢气的收益。

4.1. 性能指标的影响

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  电池电压：成本与电压呈线性正相关。电压从3.5 V降至3.0 V时，乙烯成本从5,428 ton^?1降至5,033ton^?1；进一步降至2.5 V时，成本可低至3,625 $ ton^?1。降低欧姆损耗和反应过电位是改善经济性的关键。
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  电流密度：低于500 mA cm^?2时成本急剧上升（如50 mA cm^?2时成本达12,945 ton^?1），高于500mAcm^?2后改善趋缓（2,000mAcm^?2时成本为4,374ton^?1）。高电流密度操作需权衡能效和稳定性。
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  法拉第效率：成本与C₂H₄ FE呈指数负相关。FE从90%降至80%时，成本从3,822 ton^?1增至4,090ton^?1；FE低于75%时成本急剧上升（30% FE时成本达8,040 $ ton^?1）。抑制析氢反应（HER）是提高选择性的核心挑战。

4.2. 输入参数的影响

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  电价：成本与电价线性相关。电价从18 c kWh^?1降至3 c kWh^?1时，成本从11,284 ton^?1降至2,407ton^?1。可再生能源的低价电力是可行性前提。
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  CO₂价格：因高单程转化效率，成本对CO₂价格敏感度较低（价格从150 $ ton^?1降至0时，成本仅降低2%）。
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  水价：影响较小，水价从35 ton^?1降至1ton^?1时，成本仅从5,008 ton^?1降至4,875ton^?1。

4.3. 系统与组件规格的影响

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  电解槽成本：成本与电解槽价格线性相关。成本从1,400 kW^?1降至300kW^?1时，乙烯成本从5,848 ton^?1降至4,526ton^?1。
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  产能：产能低于50吨/天时成本显著上升，高于50吨/天后规模效应减弱。
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  催化剂/膜寿命：寿命低于1年时成本指数级上升（0.05年寿命时成本达12,845 $ ton^?1），寿命超过1年后改善有限。
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  系统寿命：寿命低于5年时经济性差（1年寿命时成本13,716 $ ton^?1），超过20年后收益递减。

4.4. 敏感性评估

成本对电压、电流密度、C₂H₄ FE、电价和电解槽成本高度敏感，对水价和CO₂价格敏感度较低。实现可行性需优先优化高性能指标和降低关键输入成本。

4.5. 现状与情景分析

当前酸性介质CO₂R制乙烯成本约4,887 ton^?1，高于传统方法（850–1,500ton^?1）。但碳税政策（如160 ton^?1CO₂）可使传统乙烯成本增至1,538ton^?1，增强电合成路径竞争力。研究提出16种情景，其中最优情景（电压2.70 V、电流密度900 mA cm^?2、C₂H₄ FE 90%、电价3 c kWh^?1）可实现成本1,250 $ ton^?1，接近传统水平。

结论与展望

酸性介质CO₂R制乙烯技术通过避免碳酸盐形成和实现高单程转化率，展现出显著碳减排潜力。然而，其经济可行性依赖于多维度的协同优化：电化学性能需达到电压<2.70 V、电流密度>500 mA cm^?2、C₂H₄ FE >75%；系统需实现长寿命（>20年）和低电解槽成本（<350 $ kW^?1）；外部条件需低价电力（<3 c kWh^?1）和低成本CO₂。未来研究应聚焦催化剂与膜材料的稳定性提升、反应微环境调控、系统集成设计，并借助政策支持推动产业化。该技术有望成为乙烯生产脱碳的重要路径，助力实现碳中和目标。

论文发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。