方法论塑造了燃烧后CO2捕集的温室气体减排潜力：来自评估指标和敏感性分析的见解

《Carbon Capture Science & Technology》：Methodology shapes the greenhouse gas mitigation potential of post-combustion CO 2 capture: Insights from evaluation metrics and sensitivity analysis

　　

燃烧后CO₂捕集（PCC）对减少温室气体（GHG）排放的贡献已被广泛研究；然而，系统边界和评估指标的差异阻碍了跨研究的一致比较。在此，研究人员通过系统改变系统边界和功能单位，分析了化石燃料电厂的GHG排放。考虑了两种基准：电力生产和捕集CO₂。在电力基准上，PCC改造与基准案例相比，将摇篮到大门GHG排放减少了约50%，从而阐明了各电力系统的减排潜力。在捕集CO₂基准上，包含直接CO₂排放的大门到大门核算显示，由于CO₂捕集的额外公用事业消耗，PCC在90%的CO₂捕集率下无法实现70%的GHG减排。摇篮到大门结果阐明了CO₂捕集与能源转型之间的关系。值得注意的是，在脱碳电网情景下，采用液化天然气（LNG）燃烧系统的PCC由于与LNG供应相关的不可避免的间接排放，其摇篮到大门GHG排放比其他系统更差，结果为0.68 kg-CO₂ emit/kg-CO₂ cap。本研究强调了在评估PCC时适当边界和评估指标的重要性，并为碳中和目标下CO₂减排技术的一致评估提供了指导。

研究背景与问题：燃烧后CO₂捕集（PCC，从烟气中捕集CO₂的技术）被认为是减少温室气体（GHG）排放的关键技术，但已有研究采用不同的系统边界和功能单位，导致跨研究比较困难。能源转型对PCC效果的影响尚不明确，且缺乏从过程角度系统评估方法论框架变化的分析。为此，研究人员Koki Yagihara等开展了本研究，旨在通过系统改变系统边界和评估指标，量化PCC对化石燃料电厂GHG排放的影响。研究发表在《Carbon Capture Science》。

研究内容与意义：研究人员对六种化石燃料发电系统（钢铁过程气（SPG）锅炉、煤锅炉、天然气（NG）锅炉、天然气联合循环（NGCC）、液化天然气（LNG）锅炉、液化天然气联合循环（LNGCC））进行PCC改造模拟，采用电力生产和捕集CO₂两种功能单位，在门到门和摇篮到大门边界下分析GHG排放。结果表明：电力基础上PCC减排约50%；CO₂基础上门到门核算揭示了捕集率误导性；摇篮到大门方法凸显了能源转型影响，如脱碳电网下LNG系统因间接排放表现最差。研究强调了边界和指标选择的重要性，为碳中和背景下PCC技术的一致评估提供了指导。

关键技术方法：研究人员采用生命周期评估（LCA，从原料到废弃的环境影响评估方法）框架，结合稳态过程仿真。使用ProMax 5.0软件对单乙醇胺（MEA，一种常用胺溶剂）基PCC过程进行模拟。上游数据来自IDEA v3.4.1数据库，全球变暖潜能（GWP）因子基于IPCC第六次评估报告（AR6），电网电力和LNG供应采用日本数据。功能单位设定为电力生产（kg-CO₂ emit/MWh_P，MWh_P为净发电兆瓦时）和捕集CO₂（kg-CO₂ emit/kg-CO₂ cap，cap为捕集量）。敏感性分析改变热负荷、电力消耗和电网排放因子。

研究结果：

3.1 电力生产基准：通过摇篮到大门GHG排放计算，研究人员发现，在所有六种化石燃料系统中，PCC改造相比基准案例减少了约50%的排放。SPG锅炉因高碳基线获得最大减排，而天然气和LNG系统排放低于煤系统，但仍高于可再生能源（<50 kg-CO2 eq/MWhP）。能量惩罚（πPCC）分析显示，SPG系统能量惩罚最高（14.5%），LNG锅炉最低（6.4%）。降低胺再生热负荷是最有效的减排改进措施，尤其在SPG系统中；但引入蒸汽压缩等增加电力消耗的工艺改进可能恶化减排效果，特别是对SPG系统。

3.2 捕集CO₂基准：

3.2.1 门到门GHG排放：当直接CO₂排放被计入时，以90%捕集率，净直接排放为0.11 kg-CO₂/kg-CO₂ cap。燃料类型对结果影响显著，煤锅炉再沸器排放高于天然气系统。捕集CO₂量与直接排放加公用事业排放的比值在电网供电时为48.6%-63.2%，在电厂供电时为39.4%-63.5%，均低于90%捕集率，表明“捕集率”需谨慎解释。降低热负荷可有效减少排放，但在电厂供电下，增加电力消耗的工艺改造（如蒸汽压缩）可能增加排放，尤其在SPG和煤系统中。

3.2.2 摇篮到大门GHG排放：经济分配法因结果受CO₂和电力价格波动（2016-2024年）影响较大，被认为不适合一致评估。替代法显示，随着电网脱碳，避免的排放减少；在碳中和电网下，LNGCC系统因LNG供应链的间接排放（主要来自海洋运输和天然气发电）成为排放最密集选项（0.68 kg-CO₂ emit/kg-CO₂ cap），而门到门值趋向于收敛。

3.3 启示：研究人员总结出四点关键见解：1）边界选择重要——电力指标阐明减排有效性，CO₂指标更好反映PCC过程性能；2）直接CO₂核算必要——门到门指标简洁且信息丰富；3）过程改造需谨慎考虑电力供应——高排放燃料电厂供电时增加电力消耗可能恶化效果；4）未来电网脱碳改变格局——LNGCC可能成为最排放密集选项，其间接排放不可通过PCC捕集，需在LNG供应链中实施GHG控制。

总结讨论：研究人员在讨论部分指出，这些结果基于90%的固定CO₂捕集率，该平衡了捕集效率与溶剂再生消耗。偏离这一捕集率将影响减排幅度和系统排名。研究结果强调，系统边界和功能单位的谨慎定义对于PCC的一致评估至关重要，并为能源转型中实现碳中和的CO₂减排技术提供了指导。

研究结论：本研究应用基于过程仿真的生命周期评估（LCA）来评估采用单乙醇胺（MEA）基PCC技术改造的化石燃料电厂的GHG排放。在门到门和摇篮到大门边界下，系统比较了电力生产和捕集CO₂两种功能基准。在电力生产方面，PCC在所有化石燃料系统中将摇篮到大门排放减少了约50%，其中SPG锅炉获益最大。天然气和LNG系统表现优于煤系统，但无法达到可再生能源发电的低排放水平。在捕集CO₂基准上，包含直接CO₂排放的门到门核算成为最简洁且信息丰富的指标，因为它同时反映了捕集效率和公用事业需求。采用电网电力替代的摇篮到大门指标提供了额外见解，但对电网脱碳趋势敏感，在碳中和电网情景下，LNGCC成为排放最密集选项。需要强调的是，所有结果均在固定的90% CO₂捕集率下获得，这一常见设计目标平衡了捕集效率与溶剂再生所需的公用事业消耗。虽然该假设允许一致比较，但CO₂捕集率的偏差会影响减排幅度和系统排名。总体而言，研究结果强调了在PCC评估中谨慎定义系统边界和功能单位的重要性，并为在向碳中和的能源转型中实现CO₂减排技术的一致评估提供了指导。