反应性CO2 捕集与转化制备合成可再生天然气的技术经济比较分析：迈向碳中和能源存储的新路径

这篇综述创新性地评估了反应性CO2 捕集与转化（RCC）技术生产合成可再生天然气（SRNG）的经济性与碳足迹。研究通过过程建模和敏感性分析揭示：RCC通过整合CO2 捕集与催化转化步骤，较传统分离工艺（SCC）降低58%资本成本和49%能耗，但受可再生氢（H2 ）成本和双功能材料（DFM）性能制约。SRNG作为长时储能载体展现出显著竞争力，为构建循环碳经济（circular carbon economy）提供了关键技术路径。

　　

科学与社会需求

全球对化石能源的依赖持续增长，而可再生能源的间歇性特点要求开发新型储能方案。合成可再生天然气（SRNG）通过将大气CO₂
转化为甲烷，既能利用现有天然气基础设施，又能实现长时储能。反应性CO₂
捕集与转化（RCC）技术通过整合捕集与催化步骤，避免了传统分离工艺（SCC）中CO₂
纯化的高能耗问题，为构建循环碳经济提供了新思路。

技术亮点

RCC的核心优势在于其双功能材料（DFM）设计：碱性金属氧化物或胺类捕获CO₂
，钌/镍纳米颗粒催化加氢生成CH₄
。实验表明，该工艺可降低58%的资本成本和49%的能耗。关键参数分析显示，可再生氢成本（当前3美元/kg）和DFM寿命（约4个月）是经济性的主要制约因素。当氢成本降至1美元/kg（美国能源部氢能计划目标），SRNG生产成本可降至26美元/MMBTU，优于压缩空气储能（CAES）等长时储能技术。

经济与碳足迹比较

与生物质厌氧消化（AD）生产的可再生天然气相比，RCC-SRNG成本略高（45 vs. 15-40美元/MMBTU），但不受限于生物质原料供应。若采用碳捕集与封存（CCS）抵消化石天然气排放，成本仅为RCC的1/7，但无法实现碳循环。碳足迹分析指出，RCC使用当前电网电力时碳排放达149 g CO₂
/MJ，但改用可再生能源后可骤降至9 g CO₂
/MJ，凸显其低碳潜力。

材料科学挑战

DFM需在氧化/还原环境中耐受热应力，其CO₂
吸附强度与转化效率存在权衡：弱吸附导致CO₂
逃逸，强吸附需更高反应温度。实验室级碱基DFM单程转化率仅50%，而胺基材料更低于5%。敏感性分析表明，若转化率提升至45%，RCC即可与SCC成本持平。延长DFM寿命至无需更换，可进一步降低SRNG成本30%。

能源存储应用前景

作为储能载体，SRNG的往返效率达60%（基于天然气联合循环），成本0.26美元/kWh，显著低于锂离子电池（0.5美元/kWh）和氢储能系统。其与现有管网的兼容性避免了氢能基础设施改造风险，如氢脆和泄漏问题。在100小时储能场景中，RCC-SRNG的灵活性可有效平衡风光发电的间歇性。

未来研究方向

需开发低成本电解水制氢技术，优化DFM的CO₂
吸附-催化协同机制。过程建模应结合具体材料参数，如钌基催化剂在220-250°C下的反应动力学。此外，热集成设计（如利用甲烷化反应热预热DFM）可进一步提升能效，但需解决高温DFM输送的热损失问题。