《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：The green contribution of carbon capture and utilization technology: power to power cycle
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全球能源转型需依赖碳捕获与利用（CCU）技术，其与Power-to-X结合可生产绿氢等化学品，形成闭环能源循环。本文通过分析CCU各阶段能耗及模拟数据，探讨其与电力系统的协同作用，提出Power-to-Power（P2P）循环概念，验证CCU在减少碳排放及提升可再生能源稳定性中的潜力。
乌塔拉·达斯|钱帕·南迪
电气工程系，特里普拉大学，阿加尔塔拉799022，特里普拉，印度
摘要
全球能源转型是减少全球污染的关键步骤。二氧化碳（CO2）是一种主要的温室气体，通过采用碳捕获与利用（CCU）技术可以有效应对这一问题。如果CCU与“电力转X”（Power-to-X）技术结合，可以生产出绿色贵重化学品。本文探讨了CCU和“电力转X”系统在将捕获的碳转化为各种气体以及随后转化为多种液态产品方面的协同作用。这些绿色产品还可以通过电化学或热化学过程重新转化为电力。为此，本研究分析了CCU过程每个阶段的能源需求和模拟数据，包括各种产品合成过程。文章全面讨论了发电与CCU技术之间的复杂关系。最终，本文通过研究CCU产生的每种化学品如何有助于减排，来解决气候变化这一主要问题。研究建议持续利用CCU技术有望有效减少传统排放，并为环境保护提供可持续解决方案。
引言
当今现代世界在很大程度上依赖电力，而电力主要来自化石燃料发电厂（FFPP）[1]。化石燃料发电厂确实能提供稳定的电力，但会向环境中排放大量污染物。从人体到环境，所有这些污染物都会产生各种影响[2]，[114]。在所有污染物中，温室气体（GHG）的排放量最大，对环境的破坏作用也最严重。与碳相关的气体容易影响气候，因为它们会捕获地球表面的热量并升高全球温度[3]。“2016年巴黎协定”规定，到2030年应将温室气体排放量减少43%，以将全球温度上升控制在1.5°C以内[4]。自然情况下，光合作用是唯一能从大气中去除二氧化碳的自然过程。如今，为了避免气候变化并限制全球温度上升，人们发明了碳捕获（CC）技术[5]。
接下来，就需要考虑CC技术所需的电力问题。运行CC技术需要大量的电力。有研究表明，每捕获一吨二氧化碳大约需要250-300千瓦时的电力[6]。那么，这些电力将从何处获取呢？是来自化石燃料发电厂，还是来自可再生能源发电厂（REPP）？文献调查显示，向CC技术提供额外的可再生能源电力更为高效[7]。毫无疑问，可再生能源电力虽然不稳定，但对环境更为友好。为了使可再生能源电力更加稳定，CC技术发挥了重要作用[8]。利用可再生能源电力（REP）捕获二氧化碳（CO2），然后将二氧化碳和可再生能源电力转化为不同的气体或产品，这些产品可用于化工、海洋等多个领域。CC技术之后的产品利用被称为碳捕获与利用（CCU）技术。例如，有时会利用多余的可再生能源电力从水中制取氢气（H2），并从大气中捕获二氧化碳；这两种物质结合可以生产甲酸、甲烷、甲醇、氨、尿素等多种产品[9]，[10]，[109]。CCU技术的重要优势包括：
•与完全依赖可再生能源的系统相比，CCU结合化石燃料发电厂的使用可以降低中国到2050年的电力短缺率9%[110]。
配备碳捕获与储存系统的煤-生物质联合发电厂每年可封存0.97Gt二氧化碳，到2040年累计可减少近1.6 Gt二氧化碳排放[111]。总体而言，CCU通过捕获排放物实现了现有化石燃料发电厂的脱碳，从而支持电网稳定，并减轻了对可再生能源发电厂的依赖。CCU与氢能技术（即“电力转X”）结合，作为一种灵活的零碳能源载体，为难以处理的排放领域提供了长期解决方案。这两种技术可以通过增强能源安全和减少电力行业的排放，创造一条通往净零排放的可持续路径[113]。
本文讨论了以往仅关注利用可再生能源电力（REP）进行碳捕获与利用（CCU）技术的研究。2021年，Lonis等人研究了两种基于电解器的“电力转X”（生成气体、液体、化学品及其他产品）技术。他们使用Aspen Plus软件开发了两种不同的燃料电池“电力转X”模型：碱性电解器电池模型需要3.5 MW电力，而固体氧化物电解器电池模型需要2.5 MW电力来产生1 MW电力[11]。Bos等人评估了利用CCU技术将可再生能源电力转化为甲醇的效率，并在2020年计算了相关成本。研究表明，当使用100 MW电力、每年运行8000小时时，风能转化为甲醇的效率为50%[12]。2020年，Breyer等人研究了基于可再生能源的直接空气捕获（DAC）技术的可行性及其成本需求。他们选择了LUT大学的线性规划能量模型来分析这类系统，发现直接从大气中捕获1 mT二氧化碳需要大约182 kWh的电力[13]。虽然许多研究论文单独讨论了碳捕获（CC）或碳捕获与利用（CCU）的电力需求，但很少有论文综合探讨这两种技术之间的相互关系。因此，本文重点关注：
i.分析CCU技术在控制全球温度方面的作用。
ii.研究碳捕获（CC）和碳捕获与利用（CCU）技术中的能源需求。
iii.探讨CCU技术在生产各种增值产品中的作用，以及电力在这些产品合成中的重要性。
为了解决上述问题，本文将电力和CCU结合起来进行讨论，展示了这两者的结合。本文强调了它们之间的相互依赖性以及它们如何共同应对最严重的全球气候变化问题。现有的CCU研究要么只关注捕获过程，要么只关注利用过程，但没有研究同时涵盖电力在碳捕获与利用（CCU）技术中的作用及其收益。本文的研究结果证明了CCU技术在改变电力生产格局方面的潜力，为脱碳提供了可持续路径。本文还介绍了一个新术语：“电力转电力”（P2P）循环，即首先利用CCU技术将电力转化为另一种形式的能量（化学能），然后再通过电化学或热化学方法将其转化为电力。研究进一步强调了整合CCU增强型P2P循环的经济可行性，突出了这种创新方法的长期可行性和竞争力。这为可持续能源技术的研究做出了贡献，并为未来的碳中和电力发展奠定了坚实基础。
为了实现本文的目标，文章结构如下：第一节为引言，第二节解释了本文的技术路线、碳捕获过程以及CCU在控制全球温度中的作用。第三节回顾了不同的CC和CCU技术的研究，第四节讨论了CCU技术，第五节总结了本文的主要观点。
部分摘录
技术路线
本文基于以下技术原理来验证电力在CCU技术中的影响：(i) 对特定领域进行可靠且无偏见的最新研究总结；(ii) 通过纳入和排除标准选择和分析相关研究；(iii) 对研究进行质量评估、数据整合和提取，以解释符合本文目标和目的的内容。在进行文献调查时，
关于不同CC和CCU技术的先前研究理论
本节回顾了现有的CC和CCU技术研究，重点关注它们的电力需求。它概述了电力在碳捕获、转化为气体和产品以及再转化为电力过程中的作用。图4展示了研究范围，说明了与CCU和“电力转X”技术相结合的“电力转X再转电力”流程，包括输入资源、转换阶段、储存系统和输出产品。
综合分析
为了通过限制大气中的温室气体（如二氧化碳）来减缓全球气候变化，碳捕获与利用（CCU）技术是一种有吸引力的解决方案。该技术利用可再生能源电力生产不同的化学化合物，这些化合物可用作许多化工行业的燃料，替代化石燃料产生的化合物。通过将可再生能源氢气（H2）与CCU技术结合，形成了一个闭环电力循环，从而生产出碳中和产品及电力。
结论
将碳捕获与利用（CCU）技术与“电力转气体再转产品再转电力”（P2G2P）循环相结合，标志着全球应对气候变化的重大进展。随着全球电力需求的持续增长，CCU通过捕获二氧化碳排放并将其转化为有用产品，提供了一种可行的低碳电力供应方式。特别是通过电解利用多余的可再生能源电力生产绿色氢气，
CRediT作者贡献声明
乌塔拉·达斯：撰写初稿、软件开发、资源准备、方法论设计、概念构思、审稿。钱帕·南迪：审稿与编辑、项目监督、调查工作、概念构思。
资金支持
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢印度AICTE博士奖学金（ADF）、AICTE和特里普拉大学（一所中央大学）为本研究提供的支持和所需设施。
