参数化生命周期评估揭示离场CO2矿化技术的碳移除潜力：以橄榄石为例

《Environmental Science & Technology》：A Parameterized Lifecycle Assessment of Ex Situ CO2 Mineralization, Using Olivine as a Case Study

本综述通过参数化生命周期评估（LCA）模型，系统量化了以橄榄石为原料的离场CO2矿化技术的净碳排放。研究指出，该技术的碳捕获效率高度依赖于低碳电力、短途运输、被动捕获环境CO2的技术以及副产物（如SiO2和MgCO3）在水泥行业的最大化利用。优化条件下，部分场景可实现超100%的净CO2存储效率（>1吨净CO2存储+避免/吨毛CO2存储），为碳中和目标提供了关键技术路径。

　　

引言

为实现《巴黎协定》将全球变暖控制在2°C以内的目标，到本世纪中叶需实现CO₂净零排放。除化石燃料系统脱碳外，大气CO₂去除（CDR）技术至关重要，以抵消“难以减排”的排放。CDR规模预计到2100年需达到100–1000 Gt CO₂。CO₂矿化作为一种CDR技术，通过碱性矿物与CO₂反应形成稳定碳酸盐。离场矿化利用开采或废弃原料，数十年来被视为点源CO₂捕获与封存（CCS）的封存技术，近年更与直接空气捕获（DAC）结合应用。

橄榄石因高镁含量和快速反应动力学成为理想矿化原料。矿化可通过直接反应生成MgCO₃和SiO₂，或间接路径先溶解橄榄石生成水镁石（Mg(OH)₂），再与CO₂反应形成菱镁矿或溶解性碳酸氢盐（Mg(HCO₃)₂），后者可作为海洋碱度增强（OAE）技术。矿化技术优势包括永久封存CO₂、地质原料丰富、在采矿和水泥等行业大规模部署潜力，以及生成有价值的副产物（如MgCO₃、SiO₂和关键金属）。但挑战在于反应动力学缓慢，需能耗密集型过程（如粉碎、CO₂捕获浓缩、优化反应条件）和材料运输。因此，需详细生命周期评估（LCA）权衡能耗与副产物避免排放的净气候效益。

早期LCA显示矿化前景良好，但经济性不足阻碍进展。关键指标CO₂捕获效率（净CO₂存储/毛CO₂存储）在近期研究中差异显著（90%效率至净CO₂正排放），取决于原料、技术和研究复杂度。副产物利用可显著提升效率，但受水泥行业吸收能力限制。本研究通过案例（美国华盛顿州橄榄石）深化分析，考虑场地特定约束（如原料、CO₂源、运输、电网碳强度、区域水泥行业容量）和完整副产物（包括金属），并提供参数化LCA模型促进未来比较。

材料与方法

LCA建模框架

建立参数化Excel模型，遵循ISO 14040/14044/14067标准，评估从摇篮到坟墓的温室气体（GHG）排放。系统边界包括矿物供应（采矿、粉碎、运输）、DAC和CCS的CO₂捕获、矿化过程、副产物运输处置，以及金属、MgCO₃/SiO₂副产物利用的避免排放。功能单位为每吨毛CO₂捕获。

案例研究地点

以华盛顿州Twin Sisters橄榄石矿床（储量200 Gt）为例，原料卡车运输74公里至Cherry Point炼油厂（该州最大CO₂点源，年排放2.3 Mt）。矿化后副产物运输26公里至海德堡水泥终端，剩余部分分销区域水泥行业。研究聚焦六种情景（1 Mt CO₂/年捕获）：化石CCS和五种CDR参数化（见表1）。

关键参数

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  原料：考虑Twin Sisters橄榄石（美国地质调查局数据）和挪威Aheim橄榄石（水力发电粉碎）。
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  电网：使用NWPP子区域2022年电网混合排放因子，并预测2050年脱碳情景。
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  CO₂源：包括直接利用烟气、点源捕获（如MEA吸收）和DAC（类似Climeworks技术）。
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  矿化路径：直接技术（高温高压反应器）和间接技术（酸溶解后沉淀Mg(OH)₂再反应），假设80%矿物反应效率。
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  副产物利用：MgCO₃和SiO₂作为辅助胶凝材料（SCM）替代普通波特兰水泥（OPC），考虑五种使用案例（如SiO₂单独替代10%/40%，或SiO₂/MgCO₃组合替代4%/10%）。区域水泥行业容量限制副产物利用（本地1.5 Mt/年，区域额外1.1 Mt/年）。
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  金属回收：回收Fe、Cr、Ni、Co和铂族元素（PGE），假设无额外排放，避免排放基于中间金属产品生产。
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  填埋：未利用副产物运输100公里填埋。

未来情景

2050年情景考虑电网脱碳（NWPP碳强度降30%）、DAC效率提升、点源捕获效率增20%，以及水泥行业SCM需求增23%但碳强度降25%。最佳案例包括风能和电动卡车。

结果与讨论

净排放范围

矿化系统净排放从最差情景的净CO₂正排放（+528 kg CO₂e/t CO₂存储）到最优情景的高度净负排放（-489 kg CO₂e/t CO₂存储）。排放主要来自CO₂捕获技术和矿化过程，其次为原料粉碎。因此，绕过CO₂捕获的Mg(OH)₂路径更高效。低碳电力可显著提升效率，副产物利用避免排放超-400 kg CO₂e/t CO₂存储，金属副产物累计避免-155 kg CO₂e/t CO₂捕获。

原料与运输

本地橄榄石运输排放低（10 kg CO₂e/t CO₂存储），而挪威原料因长距离运输排放高（208 kg CO₂e/t CO₂存储）。副产物下游运输排放更显著（达59 kg CO₂e/t CO₂存储），凸显选址工业生态系统的重要性。粉碎排放主导原料相关排放（97 kg CO₂e/t CO₂存储，10 μm粒度），粒度增大可减排，但碳化需<20 μm。粉碎依赖电力，电网脱碳可减排。

CO₂源

化石CCS情景净CO₂正排放（659 kg CO₂e/t CO₂存储），生物质C捕获效率34%。DAC使捕获排放翻倍（647 kg CO₂e/t CO₂存储），导致系统趋近净正排放。当前电网下，DAC-矿化系统需最小化其他排放或最大化避免排放才能净负。

矿化路径

直接技术比间接技术减排500 kg CO₂e/t CO₂存储。但间接技术利于高纯度副产物（如SCM和金属）回收，需高利用率实现净负排放。Mg(OH)₂被动捕获环境CO₂减排显著（-154至-356 kg CO₂e/t CO₂存储），溶解CO₂捕获为HCO₃^-更高效（-627至-489 kg CO₂e/t CO₂存储）。Mg(OH)₂用于废水处理等可替代NaOH，但仅额外捕获CO₂才计为CDR。

电网碳强度与未来情景

CCS和直接矿化中天然气贡献54%排放，电网电占25%。间接矿化和DAC更依赖电力。NWPP电网碳强度低于全美平均，205年预计降30%，使情景1效率从-341提升至-523 kg CO₂e/t CO₂捕获。DAC受益于电网脱碳和热泵集成，情景2和3从净正转为-617和-510 kg CO₂e/t CO₂捕获。风能情景效率达74%（-737 kg CO₂e/t CO₂捕获），结合最佳SCM利用可降至-1.6 t CO₂e/t CO₂捕获。电动卡车贡献 modest。

CO₂避免

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  水泥替代：SCM利用对净排放影响最大。系统规模与水泥行业容量匹配关键：小系统（0.05–1 Mt CO₂/年）可实现高效避免排放（-2.2 t CO₂e/t CO₂存储），大系统（>5 Mt CO₂/年）效率趋近“无SCM”情景。MgCO₃利用可提升避免排放至2.2 t CO₂e/t CO₂存储，但需研究高替代率。需注意水泥碳化重吸收和未来碳强度下降可能降低SCM价值。
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  金属替代：金属避免排放主要来自Fe和Ni，但总量有限（-155 kg CO₂e/t CO₂捕获）。金属回收能耗未计，实际效益可能更低。然而，脱碳技术推动金属需求增长（如Ni需求2035年增8倍），金属副产物经济价值可能媲美碳信用和SCM。

与其他CDR路径比较

与地质封存（排放<50 kg CO₂e/t CO₂注入）相比，矿化排放较高（>200 kg CO₂e/t CO₂），但副产物避免排放可使其净负排放更优。增强岩石风化（ERW）无捕获能耗，理论效率更高（70–95%），但实际环境吸收可能被高估。矿化技术选择需综合场地因素：低碳电力、短途运输、Mg(OH)₂水生利用和SCM最大化利用可使其高效；否则可能劣于其他选项。未来需评估非GHG环境影响（如空气污染、土地使用）和经济性。