利用弃风电力的直接空气捕获（DAC）技术经济评估：一个前瞻性展望

《Energy Conversion and Management》：Techno-economic assessment of direct air capture using curtailed wind power as a niche application: A prospective outlook

　　

直接空气捕获（DAC）开发者面临早期阶段的主要挑战，包括高资本成本、有限资金以及获取可负担可再生能源的途径。同时，来自可再生能源容量增加导致的弃电是一个当前挑战，并将随时间加剧。本研究评估了将DAC与弃风电力共址是否可以作为初始利基应用或长期部署路径。该研究为理解当前限制和机遇奠定了基础，同时识别了利用弃电大规模DAC的关键因素。该框架由一个小时级分辨率的 techno-economic 模型组成，该模型将时间序列的弃风电力与灵活的DAC过程操作（curtail-DAC）联系起来。本工作提出了电网连接（hybrid DAC）以解决弃电驱动的限制。在MATLAB中实现，它执行过程模拟、工厂规模确定、成本估算和商业模式分析。在当前商业DAC系统的资本成本水平下，仅弃风配置在经济上不可行，因为低运行小时数会带来惩罚。相比之下，混合DAC可以成功延长运行小时数并减少资本负担，弥合DAC市场中的关键差距。前瞻性分析表明，仅弃风模式的成本效益部署取决于受限的生产率和持续的技术学习。到2050年，它有可能以约400欧元/吨CO₂的成本充分利用弃风电力。混合DAC可以实现220欧元/吨CO₂的捕获成本，同时提供更高的工厂生产率。最后，curtail-DAC概念可以为到2050年从丹麦不断扩大的风电容量中捕获4-11百万吨CO₂/年提供途径。没有显著的成本降低，Curtail-DAC不能作为短期DAC应用来推动部署。概念可行性由资本支出减少驱动，而非能源效率改进。本研究的结果鼓励能源生产者、利益相关者和政府支持能够利用弃电的DAC系统的早期开发。

直接空气捕获（DAC）技术目前面临从试点项目向百万吨级规模扩展的显著障碍，包括高资本成本、有限资金以及获取可负担可再生能源的途径。与此同时，可再生能源容量增加导致的弃电问题日益加剧，例如2025年苏格兰风电场因电网限制放弃近40%的潜在发电量。现有研究主要关注可再生能源驱动DAC的稳态经济评估，缺乏对弃风电力与DAC动态集成的时间分辨率建模。研究人员Albert Pujol和Thomas H. Pedersen在《Energy Conversion and Management》发表论文，旨在评估将DAC与弃风电力共址作为利基应用或长期部署路径的可行性，识别关键因素以实现大规模利用弃电的DAC系统。

研究人员开发了一个基于MATLAB的小时级分辨率技术经济模型，将时间序列的弃风电力与灵活的DAC过程操作（curtail-DAC）联系起来。关键方法包括：1）以丹麦GreenLab工业园54 MW风电场为案例，使用2023年弃电数据和现货市场价格；2）定义两种运行模式：仅弃风DAC（curtail-only）和混合DAC（hybrid DAC），后者允许在现货电价低于阈值时从电网购电；3）通过情景分析和敏感性分析评估弃电率、规模和技术学习的影响；4）提出基于购电协议（PPA）的商业模式，将DAC碳信用纳入补偿机制。

研究结果如下：
3.1 System performance of curtail-DAC model：基线模型显示，仅弃风DAC的容量因子为0.47，弃风电力利用率仅28%，而混合DAC通过电网连接将容量因子提升至0.90，但电网依赖度达0.53。
3.2 Techno-economics of curtail-only DAC：大型工厂虽能利用更多弃电，但低运行小时数导致捕获成本高达1400欧元/吨CO₂。当前资本成本水平下，仅弃风DAC经济上不可行，需降低资本支出67%才能达到买家阈值（560欧元/吨CO₂）。
3.3 Techno-economics of hybrid DAC：混合DAC通过电网连接延长运行时间，捕获成本降至约1000欧元/吨CO₂，且能利用所有弃电。较高的容量因子允许通过规模经济降低资本负担。
3.3.1 Impact of grid emissions on hybrid DAC：混合DAC的净负排放条件取决于电网碳强度。当电网碳强度高于0.55吨CO₂当量/兆瓦时，混合DAC的净去除量低于仅弃风模型。
3.3.2 Cost component breakdown of hybrid-DAC：成本分解显示，资本支出是主要成本驱动因素，而备用电力成本贡献较小。混合DAC比传统风电DAC系统所需额外可再生能源容量少35%。
3.4 Prospective outlook for curtail-DAC：在Whitelee 270 MW风电场，当前混合DAC可捕获96.40千吨CO₂/年，成本825欧元/吨CO₂。到2030年，仅弃风DAC在限制生产率下可达买家阈值，混合DAC可降至570欧元/吨CO₂。
3.4.1 Large-scale curtail-DAC in future scenarios：到2050年，技术学习使仅弃风DAC完全利用弃电，成本430欧元/吨CO₂，混合DAC达220欧元/吨CO₂。丹麦风电容量扩展可支持捕获4-11百万吨CO₂/年。
3.4.2 DAC in power purchase agreements：在PPA中，碳信用价格需低于500欧元/吨CO₂才可行，但未来买家意愿支付可能下降，限制可行性。

讨论部分指出，curtail-DAC概念可行性由资本支出减少驱动，而非能源效率改进。研究结论强调，显著成本降低是使curtail-DAC成为短期可行策略的必要条件。混合DAC通过利用低成本弃电和连续运行，可为DAC开发者提供大规模测试新设计的途径。该研究鼓励能源生产者、利益相关者和政府创建金融机制，支持能够利用弃电的早期DAC系统，确保足够容量倍增并应对剩余能源挑战。