微藻生物能源结合碳捕获、利用与储存：一种实现净负排放和循环经济的可持续技术

《Biomass and Bioenergy》：Microalgae bioenergy with carbon capture, utilization and storage: A sustainable technology to net-negative emissions and circular economy

微藻BECCUS技术通过光合固碳生产生物质，可转化为生物燃料并实现碳负排放，但其高成本和低生产力限制规模化应用。生命周期评估和 techno-economic分析表明，整合热化学（如气化、热解）与生物化学（如发酵、厌氧消化）转化技术能提升效率，同时促进废水处理和资源循环利用，为碳中和提供系统性解决方案。

　　

王超文|余凯玲|翁怀川|郭宏浩|潘成堂

国立中山大学机械与机电工程系，高雄市，80424，台湾

摘要

碳捕获与封存（CCS）技术是全球减缓气候变化的重要工具，主要通过减少工业和能源部门的温室气体（GHG）排放来实现这一目标。虽然传统的CCS方法可以实现净零排放，但整合微藻生物系统提供了一种实现净负排放的可行途径。基于微藻的生物能源结合碳捕获、利用和封存（BECCUS）技术利用光合作用固定二氧化碳（CO₂），生产出可转化为生物燃料和其他高附加值产品的生物质。本综述概述了当前微藻生物能源在热化学和生物化学转化技术中的应用，并探讨了其在循环生物经济框架下的整合情况。尽管基于微藻的技术在生物能源生产和负排放策略方面具有潜力，但由于成本高昂、生物质产量低以及系统集成方面的挑战，大多数基于微藻的BECCUS系统仍处于试点或示范阶段（TRL 4–7）。通过与传统CCS技术的比较评估，本文揭示了基于微藻的BECCUS方法的独特优势，包括养分循环、资源回收和可扩展性。此外，生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）为这些系统的可持续性和经济可行性提供了关键见解，为未来的优化工作提供了指导。综述还指出了微藻BECCUS系统实施中的关键知识空白，并提出了推进这些技术的战略方向。通过克服这些技术和经济障碍，这种方法有可能发展成为一种符合全球净零排放目标的气候缓解方案，支持向循环生物经济的能源转型。

引言

工业化及人类活动导致的二氧化碳（CO₂）排放量呈指数级增长，凸显了向可再生和可持续能源系统转型的紧迫性[1]。根据《巴黎协定》，到2030年全球碳排放需要减少43%，以避免气候变化的最严重后果[2]。此外，该协定提出的到2050年实现净零排放的目标要求在可再生能源和碳捕获技术方面取得进一步进展。这些挑战推动了全球探索创新的碳捕获、利用和封存（CCUS）策略的努力，许多最新研究集中在开发可扩展和可持续的CO₂减排方案上[3]。在各种方法中，基于微藻的生物能源因其高光合作用效率、快速生长能力和碳捕获潜力而受到广泛关注[4]。作为二氧化碳封存的生物系统，微藻通过光合作用将大气中的碳转化为生物质，随后可将其加工成生物燃料和其他高价值产品。微藻被认为是一种高效的绿色生物，其碳固定能力比陆地植物高出10到50倍[5]。微藻适应极端环境的强适应性以及对土地需求低的特点，使其成为大规模二氧化碳减排的理想选择。此外，微藻生物质可用于生产多种形式的生物能源，包括生物柴油、生物乙醇、生物氢和航空燃料[6]。这种生物转化过程不仅减少了碳排放，还为化石燃料提供了可再生的替代品。微藻还有潜力利用工业废气和废水作为养分来源，从而使这一过程具有成本效益和环境可持续性[7]。

传统的碳捕获与封存（CCS）技术，如使用化学溶剂的燃烧后捕获、与气化结合的燃烧前过程以及氧燃料燃烧，已在基于化石燃料的发电厂和高排放工业领域得到广泛应用[8]。这些技术涉及捕获CO₂，并将其压缩并储存在深层地质构造中，如咸水层和枯竭的油藏。这些技术成熟的系统在碳减排方面发挥了重要作用，但通常伴随着较高的能源需求、高昂的资本成本、有限的资源回收率以及除封存之外缺乏额外的环境效益。鉴于这些限制，人们越来越关注符合循环经济原则的替代方案。基于微藻的碳捕获系统代表了一种生物集成路径，通过光合作用固定CO₂并生成可转化为高附加值产品的生物质。与传统CCS系统不同，基于微藻的方法通过整合养分循环和废水处理，形成了一个封闭循环系统，并具有生物能源升级的潜力。鉴于其多方面的环境效益，基于微藻的生物能源结合碳捕获、利用和封存（BECCUS）技术为传统CCS提供了一种有前景的替代方案，特别是在CO₂排放和有机废物流共存的领域。将BECCUS系统整合到农业工业区和废水处理设施中，可以提升碳管理和资源效率，成为向可持续工业系统转型的关键组成部分[9]。

为了在商业化之前提高生物质转化技术的效率，可以通过热化学和生物化学转化预处理方法来增强微藻生物能源的生产能力[10]。热化学过程如热解、气化和水热液化有助于在高温下将生物质分解为生物燃料[11]。另一方面，生物化学方法包括发酵和厌氧消化（AD），可以在受控条件下将微藻生物质转化为生物乙醇、甲烷和其他生物燃料[12]。将这些方法整合到循环碳经济中，可以确保生物质的最优利用，减少浪费并最大化能源回收。随着全球迈向碳中和的努力加剧，微藻生物能源成为减少碳排放和实现可再生能源生产的有力途径[13]。结合热化学和生物化学转化技术可以提高转化效率，但还需要进一步研究以提高生物质产量、优化转化路径并开发具有成本效益的碳捕获系统[14]。关于基础设施投资、政策支持和技术进步的未来研究对于扩大微藻生物能源规模和实现可持续的循环碳经济也至关重要。

利用Web of Science（WoS）数据库对有关微藻生物质和生物能源的先前出版物进行了文献综述。通过VOSviewer（版本1.6.20）分析了基于微藻生物质生物能源文献中的关键词共现情况，如图1所示。结果显示了一些关键词簇之间的联系，如废水处理、AD、水热液化、生物燃料、生物精炼、生命周期评估、碳封存、可持续性和碳捕获。此外，Web of Science（WoS）数据库中微藻生物质和生物能源出版物的引用量在过去20年里呈上升趋势，表明微藻BECCUS研究在循环生物经济和净零碳排放方面的相关性。虽然现有文献探讨了生物质增值和碳捕获的个别方面，包括关于水热液化、热解、农业或食品废弃物AD的研究[15,16]，以及循环生物经济背景下的废弃物生物精炼厂的研究[17]，但缺乏专注于基于微藻的BECCUS系统的综合性综述。例如，Arun等人研究了藻类生物精炼在碳捕获和废水处理中的应用[18]，Parakh等人研究了微藻生物能源生产的生物化学转化途径[4]，Joshiba Ganesan等人研究了大型藻类生物质转化为低碳燃料的方法[19]，但这些研究均未系统地将CO₂捕获、生物质增值和永久封存与针对微藻的生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）相结合。本综述旨在填补这一研究空白，通过呈现基于微藻的BECCUS系统的最新综合研究，强调其作为多功能气候缓解方法的潜力。此外，还介绍了针对循环生物经济背景下的微藻生物质的热化学和生物转化路径。通过跨分析技术成熟度、LCA评估的环境可持续性和TEA评估的经济可行性，提出了新的见解。还讨论了扩大规模潜力、政策整合以及基础设施协同作用，特别是在废水处理、烟气回收和沼气升级等领域。通过深入理解微藻如何同时作为生物能源原料和生物CO₂汇，本综述提出了实现全球净零排放目标的循环生物经济战略的总体框架。

节选内容

用于生物能源生产的微藻

基于生物质的能源系统预计将在生物源CO₂捕获中发挥关键作用，BECCUS方法在实现大规模净负排放方面具有巨大潜力。要达到净零目标，需要迅速部署BECCUS技术，并依靠多样化的生物质原料来建立可持续且区域适应性的供应链[20]。在此背景下，选择高效且可扩展的生物质来源对于平衡碳

热化学和生物化学生物能源转化过程

本节讨论了热化学和生物转化过程的机制，并进一步介绍了与这两种生物质能源转化过程相关的正在进行的研究。

基于微藻的生物能源结合碳捕获、利用和封存（BECCUS）的最新进展

本节讨论了微藻碳固定和碳捕获方面的最新技术进展，特别是针对基于微藻的循环生物经济模式的微藻生物能源结合碳捕获、利用和封存（BECCUS）概念。

未来挑战与展望

微藻具有捕获碳并将其转化为可再生生物能源和高价值生物产品的潜力，但要实现其商业化应用，必须克服若干技术、运营和经济挑战。热化学和生物化学转化技术在生物质能源生产方面取得了显著突破，尤其是在湿微藻生物质的转化方面。

结论

总之，本综述强调了基于微藻的生物能源结合碳捕获、利用和封存（BECCUS）作为一种可行且具有前瞻性的方法，有助于实现气候中和和循环经济目标。通过将微藻培养与温室气体减排和生物能源生产相结合，BECCUS为解决能源安全和气候变化挑战提供了有前景的途径。微藻的高生物质产量、碳封存能力和可再生性

CRediT作者贡献声明

王超文：可视化、撰写——初稿。余凯玲：概念构思、资金获取、项目管理、撰写——初稿。翁怀川：监督、验证、撰写——审阅与编辑。郭宏浩：正式分析、资源协调、撰写——审阅与编辑。潘成堂：资源协调、监督。

致谢

本研究得到了Jeffrey Cheah基金会和Sunway大学在项目GRTIN-ECR(02)-SEN-04-2025下的支持。