关于将农业工业中的二氧化碳排放源作为化学品和材料原料的可行性研究及思考

糖 beet厂副产物通过碳捕获与利用（CCU）技术生产乙醇和甲醇的经济性与减排潜力分析。研究显示，甲醇生产成本（1058欧元/吨）低于乙醇（1738欧元/吨），且在能源过剩场景下可通过降低电价减少30%成本。糖 beet厂年可提供279万吨二氧化碳，生产146万吨乙醇或203万吨甲醇。乙醇转化乙烯可满足荷兰未来50%的塑料需求，减少752万吨二氧化碳排放，相当于16.4万公顷森林的固碳量。研究表明，规模化生产、政策支持（如碳排放税189欧元/吨二氧化碳当量）和可再生能源整合是关键成功因素。

　　
该研究聚焦于利用糖 beet加工副产物中的高浓度二氧化碳通过碳捕获与利用（CCU）技术生产化学品，并评估其经济性与环境影响。研究以荷兰糖 beet工厂为案例，分析副产物糖蜜和甜菜渣在发酵和厌氧消化过程中产生的二氧化碳资源化路径，旨在为生物基化学品和材料生产提供可行方案。

### 核心研究内容
1. **资源基础分析**
荷兰每年约730万吨糖 beet加工产生糖蜜（含糖量222万吨/年）和甜菜渣（干物质394万吨/年）。通过发酵和厌氧消化，糖蜜可转化为乙醇（114万吨/年）并伴随产生109万吨/年二氧化碳；甜菜渣则通过厌氧消化生成93万吨/年沼气（含二氧化碳171万吨/年）。合计每年产生279万吨二氧化碳，为CCU技术提供原料。

2. **化学品生产路径**
- **乙醇生产（本地化小规模）**：采用气发酵技术，通过电解产生一氧化碳和氢气，经合成反应生成乙醇。主要成本集中在氢气制备（电耗占60%以上）和发酵设备投资（1425.9欧元/吨）。
- **甲醇生产（集中化大规模）**：通过逆水煤气变换（RWGS）将二氧化碳转化为一氧化碳，再与氢气合成甲醇。该路径对能源依赖度更高，但单位成本（1056欧元/吨）显著低于乙醇（1738欧元/吨）。

3. **经济性对比**
- **成本结构**：电解制氢是最大成本项（占60-80%），其次是设备折旧（20-30%）和低品质能源（10-15%）。碳税政策（189欧元/吨二氧化碳当量）可使甲醇生产成本接近化石基甲醇市场价（641欧元/吨）。
- **规模化效应**：甲醇生产通过集中化处理（年产能18万吨）显著降低单位成本，而乙醇生产因技术复杂性和本地化需求，成本优势不明显。

4. **环境影响评估**
- **碳减排潜力**：CCU技术每年可捕获279万吨二氧化碳，相当于164,000公顷森林的固碳量（荷兰现有森林面积约400,000公顷）。若结合现有沼气再利用（93万吨/年），总减排量达362万吨/年。
- **资源替代效益**：通过乙醇转化为乙烯（用于聚乙烯、聚酯等塑料），糖 beet副产物可替代11%荷兰现塑料需求（总用量1900万吨/年）。在2050年循环经济目标下（假设50%原生塑料需求减少），该路径可满足52%生物基乙烯需求（需乙醇1048万吨/年）。

### 关键技术创新点
1. **双路径资源利用**
糖蜜发酵与甜菜渣厌氧消化形成互补：前者直接生产乙醇并副产二氧化碳，后者通过沼气分离获得高纯度二氧化碳（纯度达95%以上），满足不同CCU工艺需求。

2. **能源成本敏感性分析**
- ** surplus能源情景**：若可再生能源电价降至50欧元/MWh（荷兰当前均价约100欧元/MWh），甲醇成本可降低30%（至734欧元/吨），乙醇成本降幅为14%（至1485欧元/吨）。
- **储能整合方案**：通过电池储能平衡风光发电间歇性，可使低品质能源成本从40欧元/MWh降至60欧元/MWh，但对乙醇生产成本影响有限（降幅约5%）。

3. **技术经济性平衡**
研究显示，当前CCU技术经济性仍落后于化石基生产（甲醇差价约400欧元/吨，乙醇差价1286欧元/吨）。但碳税政策可使甲醇成本接近化石基竞品，而乙醇需突破原料替代（糖蜜价格占比70%）和技术迭代（发酵效率提升至50%以上）瓶颈。

### 行业应用前景
1. **塑料替代方案**
荷兰年消耗638万吨乙烯基塑料（聚乙烯占26.9%、PVC占12.9%）。若将279万吨二氧化碳全部转化为乙醇（需能量效率提升40%），可年产1048万吨乙醇，满足乙烯需求量的82%（按1吨乙醇→0.6吨乙烯计算）。在循环经济目标下，该路径可覆盖50%生物基乙烯需求。

2. **区域协同效应**
荷兰作为欧洲最大糖 beet生产国（年产量7.3万吨），其两个主要糖厂（超普罗设计师模型放大4倍）可年产260万吨乙醇或203万吨甲醇。若欧盟13国（德国、法国等）类似工厂均实施该技术，总年产能可达3.4亿吨乙醇，满足欧洲25%乙烯需求（按当前消费量计算）。

3. **政策驱动路径**
研究建议通过阶梯式碳税（当前欧盟碳价约80欧元/吨CO?）和可再生能源补贴（目标电价≤30欧元/MWh）组合政策，到2050年可使甲醇成本降至600欧元/吨以下，乙醇成本控制在1200欧元/吨区间，逐步实现与化石基产品平价。

### 技术挑战与突破方向
1. **核心瓶颈**
- 电解效率（目标<50%能源转化率）
- 二氧化碳压缩能耗（当前21.3欧元/吨）
- 间歇性生产对设备冗余度要求（需增加30%产能缓冲）

2. **突破路径**
- **电解技术**：开发新型离子交换膜（预期降低能耗15-20%）
- **CCU工艺**：优化RWGS反应器材质（如镍基合金耐腐蚀性提升）
- **碳捕集集成**：将糖厂热能（125℃以上）用于RWGS反应器保温，降低蒸汽消耗40%

### 结论与建议
该研究证实糖 beet加工副产物具备规模化CCU生产的可行性，但需突破以下关键点：
1. **能源成本控制**：需在2030年前实现可再生能源电价≤60欧元/MWh（当前水平为80-100欧元/MWh）
2. **工艺优化**：提升二氧化碳转化率（当前乙醇产率0.511kg/kg糖蜜）至0.65kg/kg以上
3. **政策协同**：建议分阶段实施碳税（2025年启动，税率每年递增5%）与可再生能源配额（2030年占比≥50%）

研究特别指出，生物基乙醇作为多用途化学品（可转化为乙烯、丁醇等）的战略价值，建议优先发展其生产链，通过欧盟碳边境调节机制（CBAM）获得额外溢价空间。对于甲醇生产，应注重与现有甲醇燃料网络（欧洲年消耗约800万吨甲醇）的衔接，避免产能过剩。