在不同欧洲背景下，利用二氧化碳生产可再生二甲醚的技术与环境评估

《Frontiers in Chemical Engineering》：Technical and environmental assessment of renewable dimethyl ether production from CO2 in different european contexts

　　**摘要**
本文重点介绍了两种利用二氧化碳（CO2）生产二甲醚（DME）的途径之间的差异：（S1）通过吸附增强型二甲醚合成（SEDMES）在单一反应器中直接转化CO2和H2；（S2）通过甲醇作为中间产物分两步间接转化，再经过脱水得到DME。为此，采用了水泥生产厂的烟气作为CO2来源，并使用膜分离（MS）技术进行碳捕获，同时通过水电解生成氢气。过程模拟采用ProSimPlus?软件完成。以5,864公斤CO2为起点，S2方案每小时可生产2,433公斤DME，低于S1方案的2,929.5公斤/小时。此外，S1方案每生产一公斤DME所需的电能和热能消耗显著较低，分别为17.80千瓦时和3.07兆焦耳，而S2方案为22.59千瓦时和10.14兆焦耳。环境分析采用了全面的生命周期评估（LCA）方法，以1公斤高纯度DME的生产作为功能单位，并与传统从化石甲醇（MeOH）生产DME的方案（S3）进行了对比。结果表明，在西北欧地区，尤其是荷兰，电力来源对环境影响至关重要。如果按照SSP2-NDC路径，随着荷兰电力结构的脱碳，两种方案的GWP100值在2020至2050年间均显著下降。例如，在S2方案中，GWP100值从2020年的3.46公斤CO2当量/公斤DME降至2050年的-1.41公斤CO2当量/公斤DME。同样，在S1方案中，GWP100值也从2.08公斤CO2当量/公斤DME降至-1.63公斤CO2当量/公斤DME，显示出积极的气候效应。然而，由于基于化石燃料的S3方案特性，其GWP100值在此期间保持稳定在约1.2公斤CO2当量/公斤DME。研究表明，S1和S2方案为传统化石燃料DME生产途径提供了有前景的替代方案，强调了电力来源的重要性。

**图形摘要**
本文研究的三种DME生产途径。

**1 引言**
随着世界面临减少对化石燃料依赖和降低碳排放的压力，向可再生和低碳燃料及能源载体的过渡已成为核心优先事项。在这一背景下，能够从捕获的CO2中生产的替代燃料受到了越来越多的关注（Singh等人，2022年）。二甲醚（DME）是一种特别有前景的候选燃料。DME是一种无毒、无致癌性的化合物，其燃烧特性类似于液化石油气（Chai等人，2024年）。DME燃烧清洁，几乎不产生颗粒物或氮氧化物（NOx）排放，可用于柴油发动机、燃气轮机或作为化学合成的原料。其与现有液化石油气基础设施的兼容性进一步增强了其大规模应用的吸引力。此外，DME还可作为制冷剂用于各种冷却系统、气溶胶产品的推进剂、多种化学合成中的特种溶剂，以及通过DME-to-olefins（DTO）工艺生产烯烃的原料（Bauer和Kruse，2019年；Cordero-Lanzac等人，2024年）。传统上，DME是通过合成气（syngas）从化石甲醇制备的，但最近的进展使得可以从可再生资源合成DME，特别是通过碳捕获和利用（CCU）途径（Saravanan等人，2017年）。DME可以通过不同方式生产。其中一种途径是利用天然气重整或生物质气化产生的合成气进行转化。例如，Vakili等人（2011年）提出了一个利用换热器反应器在一步内从合成气中合成DME并同时生产苯的方案，该过程通过环己烷脱氢提供所需的氢气。Farniaei等人（2013年）引入了一种热耦合概念，在膜反应器中同时生产甲醇、DME和氢气。然而，通过脱水反应将甲醇转化为DME也是一种有前景的方法（Bakhtyari等人，2016年）。因此，可以考虑另一种生产DME的方案：首先将CO2和H2转化为甲醇（Meunier等人，2020年），然后在第二个反应器中进行甲醇脱水。这可以替代使用化石燃料合成气的过程。另一种创新方法是利用吸附增强型二甲醚合成（SEDMES）工艺（Peinado等人，2024年）在单一反应器中强化CO2和H2的直接合成。该方法将物理混合的甲醇合成催化剂（铜锌氧化铝）与甲醇脱水催化剂（氧化铝）结合在一起，并使用原位H2O吸附剂（沸石）来改变反应平衡并提高转化效率。这两种途径在采用可再生能源电力和绿色氢气时，都有显著降低过程碳足迹的潜力。

多项研究探讨了DME生产的环境影响。例如，Lerner等人（2018年）研究了从天然气衍生的甲醇生产DME的过程。他们的研究表明，天然气首先通过重整转化为合成气，再转化为甲醇，最后转化为DME。研究了两种合成气生产方法： steam methane reforming（SMR）和autothermal reforming（ATR）。结果表明，整个过程（包括合成气生产、电力生产、氧气生产和DME合成）的总温室气体（GHG）排放量有所不同：使用SMR途径时，排放量为51.5公斤CO2当量/吉焦（GJ）；而ATR途径则降至35.2公斤CO2当量/吉焦。这种减少主要是由于ATR过程中氧气产生的温室气体较少。Giuliano等人（2021年）比较了通过带有碳捕获和储存（CCS）的消化气体气化产生的合成气与两种替代途径（无CCS的DME合成、生物质间接液化生成DME）的环境影响。结果显示，采用CCS的消化气体气化生产DME的GWP值为-113公斤CO2当量/公斤DME，优于其他途径。而通过生物质间接液化生产DME的GWP值为15公斤CO2当量/公斤DME，因为其中包括了最终使用时的燃烧排放。然而，基于化石燃料的DME生产途径的GWP值始终稳定在约1.2公斤CO2当量/公斤DME。研究表明，S1和S2方案为传统化石燃料DME生产途径提供了有希望的替代方案，突显了电力来源的重要性。

**2 方法**
本节描述了两种研究情景及其采用的LCA方法，以评估DME生产途径的环境影响。

**2.1 二甲醚生产情景**
2.1.1 吸附增强型直接二甲醚合成（SEDMES）（S1）
SEDMES是一种创新的工艺强化方法，旨在提高从捕获的CO2和H2直接合成DME的效率。该方法通过结合CO2氢化和吸附增强反应技术，在一步内克服了传统甲醇/DME合成过程中通常遇到的热力学限制（Peinado等人，2024年）。在吸附增强反应阶段，CO2和H2混合物被引入反应器，催化剂和固体吸附剂共同作用下发生一系列反应。首先，CO2和H2反应生成甲醇，然后立即脱水生成DME。同时，两种反应的副产物水被固体吸附剂（LTA沸石）持续吸附。去除水可以防止氧气 excess 进入CO2中，这对于改变反应的热力学平衡、促进更多甲醇和DME的生成以及提高CO2的整体转化率至关重要。该过程以循环方式运行，交替进行反应吸附和吸附剂再生步骤，类似于压力摆动吸附（PSA）过程。CO2转化为DME的过程涉及以下反应：

- 二氧化碳氢化：
CO2 + 3H2 ? CH3OH + H2O ΔH = -49.5 kJ/mol
- 反向水煤气变换反应（RWGS）：
CO2 + H2 ? CO + H2O ΔH = 41.2 kJ/mol
- 一氧化碳氢化：
CO + 2H2 ? CH3OH ΔH = -91 kJ/mol
- 甲醇脱水：
2CH3OH ? CH3OCH3 + H2O ΔH = -23 kJ/mol

在直接合成过程中，反应（1）至（4）在单一反应器内发生，实现了高选择性的CO2向DME的转化。

**2.1.1.1 工艺描述**
如图1所示，吸附增强型二甲醚合成工艺包括氢气生产（电解器）、SEDMES工艺和产品纯化（蒸馏过程）。图中假设CO2来自水泥生产厂排放的烟气，温度为160°C、压力为1.013巴。这些烟气首先通过膜分离技术净化，得到浓缩的CO2流（参见Scholes等人，2014年的研究）。先前研究表明，膜捕获技术优于化学吸收、低温分离和高压水洗涤（Kanso等人，2024年）。净化的二氧化碳在25°C和1.9巴的压力下离开分离过程，然后被压缩到30巴，再与氢气混合进入SEDMES过程。表1中展示了捕获技术的输入和输出参数。

表1 捕获技术参数

| 输入 | | | | |
|-----------------|-------------|-------------|-------------|-------------|
| 温度（°C） | 160 | | |
| 膜分离器（MS） | S1 & S2 | | |
| 压力（bar） | 1.0 | | |
| 二氧化碳纯度（%） | 99 | | |
| 二氧化碳摩尔百分比 | 22.4 | | |
| 二氧化碳流量（kmol/h） | 134 | | |
| 氮气摩尔百分比 | 68.1 | | |
| 温度（°C） | 25 | | |
| 氧气摩尔百分比 | 2.3 | | |
| 水分子百分比 | 7.2 | | |
| 能源消耗（S1） | | | |
| 氮气流量（kmol/h） | 599 | | |
| 加热能量（MJ/kgDME） | 0 | | |
| 氮气流量（kmol/h） | 599 | | |
| 电能（kWh/kgDME） | 2.4 | | |
| 氢气产量（S1） | | | |
| 能源消耗（S2） | | | |
| 氮气流量（kmol/h） | 599 | | |
| 加热能量（MJ/kgDME） | 0 | | |
| 电能（kWh/kgDME） | 2.4 | | |
| 氢气产量（S2） | | | |

参数S1和S2的详细数据如下：

| 参数 | S1 | S2 |
|-----------------|------------|------------|
| 水流量（kg/h） | 229 | 435 |
| 氢气纯度（%） | 97 | 97 |
| 氢气产量（kg/h） | 834 | 834 |
| 温度（°C） | 25 | 25 |
| 压力（bar） | 1 | 1 |
| 能源消耗（S1） | 0 | 0 |
| 加热能量（MJ/kgDME） | 0 | 0 |
| 电能（kWh/kgDME） | 15.1 | 18.2 |
| DME产量（S1） | | |
| 参数 | S1 | S2 |
| DME流量（kmol/h） | 134 | 134 |
| 氢气流量（kmol/h） | 417 | 417 |
| DME纯度（%） | 99 | 99 |
| DME产量（kg/h） | 2,930 | 2,433 |
| 压力（bar） | 30 | 30 |
| 甲醇产量（kg/h） | 13.7 | 13.7 |
| DME产量（kg/h） | 2,930 | 2,433 |
| 能源消耗（S1） | 3.07 | 10.1 |
| 加热能量（MJ/kgDME） | 0 | 0.2 |
| 电能（kWh/kgDME） | 2.9 | 1.4 |

对于前两种DME生产情景的模拟结果如下：

S2*：这里的加热和电能代表两个步骤（甲醇和DME生产）的总能耗。

所需的氢气通过水电解产生，如图1中的电解槽部分所示。之前的一项研究（Sánchez等人，2020年）中使用的模型被用于描述这一过程。碱性电解过程通常提供10°C和1巴压力的氢气流。氢气流进一步被压缩到30巴，然后与二氧化碳混合进入SEDMES过程。压缩能耗被视为SEDMES过程中所需的电力。

SEDMES过程围绕一个多固定床反应器系统设计，该系统通过反应和原位吸附步骤的组合生产DME（见图1中的反应器）。荷兰TNO运营的最大SEDMES试点工厂显示在补充图S1中。这个创新工厂由三个相同的150升反应器组成。三柱设计允许使用二氧化碳和氢气作为原料，通过循环的不同步骤连续生产3公斤/小时的DME。每个循环由4个步骤组成，如补充图S2所示。步骤1——吸附（ADS）——原料被转化为DME，同时产生的蒸汽被沸石吸附剂去除。步骤2——吹扫阶段（BD）——对系统施加逆流减压，为压力摆动再生做准备。步骤3——吹扫（PURGE）——使用干燥的氢气进行逆流以脱附水分。最后，在步骤4——再加压（REP）——同时向反应器加压和进料流。再生阶段的持续时间显著影响过程性能，因为更长的吹扫阶段可以确保更干燥的操作条件。为了使吹扫阶段超过吸附阶段的持续时间，至少需要三个反应器（Skorikova等人，2020年）。这三个反应器根据Skorikova等人（2020年）的描述在各个模式之间连续切换。

通过将反应和分离集成到一个步骤中，并使用操作和再生之间的动态切换，该系统实现了高二氧化碳和氢气的转化率、优异的碳利用率以及对可变可再生能源输入的高效整合。此外，该系统的设计使其适用于分散式应用，特别是在二氧化碳容易从烟气或其他工艺流中获得的工业环境中（van Kampen等人，2023年）。

SEDMES过程中产生的DME随后被送到图1所示的由三个柱子组成的蒸馏装置中。产品被冷却后送入闪蒸 drum，在那里分离出不可凝气体，如未转化的氢气、一氧化碳和二氧化碳。根据温度，部分二氧化碳和DME可能以气体形式排出。闪蒸 drum在29巴的压力下运行。需要一个压缩机将不可凝气体回收回SEDMES反应器。接下来，蒸馏装置的第一个蒸馏柱将二氧化碳从DME中分离出来。这是最耗能的过程，因为这两种成分的性质相似。分离出的二氧化碳被回收回SEDMES过程。最后，第二个蒸馏柱通过将DME与甲醇和水分离来提纯DME，达到99.5%的纯度。

2.1.2 通过甲醇间接转化DME（S2）

DME的间接转化包括两个步骤：甲醇合成和甲醇脱水。

2.1.2.1 甲醇生产

目前，甲醇主要是通过一氧化碳的氢化工业生产，通常使用天然气作为原料（Ban等人，2020年）。特别是工业应用中对甲醇的大量需求推动了大型生产设施的建立。目前，全球有超过90家甲醇生产工厂，总产能达到1.1亿吨（The Methanol Industry，2024年）。

甲醇可以通过二氧化碳和/或一氧化碳的氢化生产。一氧化碳可以通过反向水煤气变换（RWGS）反应从二氧化碳中获得。因此，反应方程式1-3将在反应器内发生以生产甲醇。一氧化碳和氢气在反应（方程式3）中结合生成甲醇，而二氧化碳被氢化生成甲醇和水（反应方程式1）。这两个反应都是放热的，会减少气体摩尔数，因此在高压力和低温条件下更有利。此外，当使用二氧化碳作为原料时，RWGS反应（反应方程式2）有可能在催化剂表面上发生。

有多种催化剂可用于RWGS反应，但目标是通过使用在低温下具有高活性和高表面积的催化剂来提高单程甲醇转化率。为此，目前CuO/ZnO/Al2O3是最常用的催化剂，并因其在一氧化碳氢化反应中的高活性和选择性而在甲醇生产行业中得到广泛应用。Fu等人（2024年）使用相同的催化剂研究了在高压（35-55巴）下使用CO、CO2和H2作为原料的甲醇合成动力学。动力学模型和参数值在补充材料的第2节和补充表S2中提供。

在我们的工作中，使用了Ban等人（2020年）描述的相同甲醇生产过程（过程配置见图2），从水泥生产厂获得的二氧化碳开始生产甲醇。该过程模型在ProSimPlus?（一个过程模拟软件）中实现为连续过程，动力学参数在补充表S2中给出。模拟中使用的是Soave-Redlich-Kwong（SRK）热力学模型。设计参数在补充表S1中报告。

图2 甲醇生产过程配置（改编自Ban等人，2020年）。

2.1.2.1.1 过程描述

与S1类似，二氧化碳通过膜分离技术从水泥生产厂排出的烟气中捕获，温度为160°C，压力为1.013巴，遵循表1中的参数，并使用Scholes等人（2014年）的配置。净化的二氧化碳在25°C和1.9巴的压力下离开分离过程，经过三个压缩机（CP-101至CP-103）的压缩和冷却（在冷却器C-101至C-103）后用于甲醇合成。这种多阶段压缩比单阶段更高效，通常用于减少能耗。

氢气通过水电解产生，遵循之前的一项研究（Sánchez等人，2020年）中实施的模型。来自碱性电解的氢气流在CP-106中进一步从1巴压缩到30巴，然后在CP-105中从30巴压缩到55巴，并在混合器（M-101）中与二氧化碳流混合。这种混合物然后被加热（加热器H-101）达到240°C的操作温度，从而启动反应。

反应方程式1-3在化学反应器中发生。然而，模拟反应（方程式3）需要使用CO，而CO是通过RWGS产生的。因此，添加了一股CO流，并以非零量（少量的一氧化碳约1摩尔%）进行初始化，以避免收敛问题。这股CO流在与回收流在混合器M-102中结合之前被添加，回收流在加热器H-102中预热，并含有未反应的气体（H2、CO和CO2）。在这个过程中甚至在生命周期清单中，一氧化碳来自Ecoinvent数据库中的重燃油市场数据：与重燃油基工艺相关的CO平均供应量。M-102的输出直接进入反应器。反应器的壁温保持在250°C，但由于内部发生的放热反应，反应器出口处的温度上升到286°C，压力为51巴。这是由于多孔催化剂床对流体流动的阻力造成的压力损失。产物流在冷却器（C-105）中冷却，然后进入气液分离器（TK-101），从底部提取液化的甲醇和水，而未冷凝的气体从分离器（S-101）的顶部排出。在这里，大约1%的气体被排放以防止积聚，剩余的气体通过加热器（H-102）作为回收流返回反应器。

两个阀门（BV-102和BV-103）用于将第一个闪蒸分离器底部（液体）流的压力降低到大气压，然后进入第二个气液分离器（TK-102）以去除任何剩余的气体。这个分离器的底部流，即甲醇和水的混合物，直接流入蒸馏柱（ST-101）以分离两种成分。蒸馏柱的馏出物是纯度为97.5%的甲醇蒸汽。然后这个甲醇流在冷却器（C-106）中从65°C冷却到50°C，以去除剩余的二氧化碳，从而得到纯度为99%的甲醇液体流。

模拟结果与文献数据（Ban等人，2020年）进行了验证，如补充表S4所示。

2.1.2.2 二甲醚生产

在这一步中，甲醇通过反应（方程式4）脱水形成DME。这个反应在250°C以上的温度下激活。然而，这个反应是放热的，理论上在较低温度下更有利。相反，副产物（如H2、CO等）的形成在较高温度下更有利（Azizi等人，2014年）。甲醇脱水的动力学数据来自Azizi等人（2014年），并在补充材料的第2节中报告。

图3展示了通过甲醇脱水生产DME的过程配置，取自文献（Diemer和Luyben，2010年）。使用ProSimPlus进行此模拟的设计参数在补充表S3中报告。在此研究中，用于模拟的热力学模型是ProSimPlus?中的“Predictive Soave-Redlich-Kwong（PSRK）”模型，使用Redlich-Kwong（RK）状态方程。

图3 二甲醚生产过程配置（改编自Diemer和Luyben，2010年）。

2.1.2.2.1 过程描述

一种含有少量水（1%）的甲醇液体流（99% MeOH），来自上一节描述的甲醇合成过程，被泵送到13.5个大气压，并在冷却器（C-101）中冷却到25°C，然后与来自第二个蒸馏柱（DC-102）的回收流在混合器（M-101）中混合，其中含有未反应的甲醇。这种混合流在第一个换热器（HX-101）中加热到127°C，然后在第二个换热器（HX-102）中加热到150°C，以激活在13个大气压下的脱水反应。

反应器内的转化率达到81.7%，反应器的出口流出物是高温的（411°C）。这种高温流出物可以被引导到一个高压蒸汽发生器中生产高压蒸汽，从而在过程中带来经济效益。在这项工作中，反应器的高温流出物在进入蒸馏阶段之前被冷却。 plusieurs heat exchangers被提出来优化热回收。首先，在冷却器（C-102）中冷却到317°C。然后，当它通过换热器（HX-102）时，温度降到176°C。第一个换热器（HX-101）进一步将温度降低到140°C，最后，冷却器（C-103）将流体的温度冷却到82°C。

冷却器（C-103）的输出流是DME、H2O和甲醇的混合物。为了纯化这种混合物，过程配置包括两个蒸馏柱。在第一个蒸馏柱（DC-101）中，DME完全分离出来，在柱顶达到99%的摩尔纯度。底部流，含有甲醇和水的混合物（H2O 69%；甲醇29%），被送入第二个蒸馏柱（DC-102）。在这里，两个组分被分离出来，底部得到的是纯净水流（99%摩尔浓度），顶部得到的是纯甲醇流，这种甲醇流被回收利用以提高整个过程的效率。所得到的模拟结果已经根据Diemer和Luyben（2010年）的研究进行了验证，详见补充表S4.2.2。

生命周期评估（LCA）是按照标准系列14040–14046（ISO, 2024）对上述两种DME生产途径以及基于化石燃料的传统生产路线进行的。传统的LCA提供了当前经济背景下的情况。相比之下，预测性LCA采取了一种前瞻性的方法，可以探索技术未来的环境足迹可能发生的变化。例如，随着能源系统变得越来越绿色，工业向低碳实践转变，生产和使用某种材料或技术对环境的影响可能会随着时间的推移而大大减少。

2.2.1 目标和范围
为了比较DME生产方案，实施了一个从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统建模。选择的功能单位是生产1公斤高纯度DME。图5展示了上述两种方案的前景边界，其中水泥生产厂的烟气被作为CO2的来源。生命周期系统在前景中包括了通过膜分离（MS）实现的CO2捕获，以及通过水电解（WE）产生的氢气。在两种方案中，水电解都产生了纯液态氧流，这种液态氧流被视为替代传统液态氧的副产品。

此外，图4显示了每种方案下的排放物（CO2、CO等）。在方案S1中产生的含有甲醇的水流被视为废物，并直接送往废水处理厂。

2.2.2 生命周期影响评估
为了比较三种DME生产方案，采用了一种从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统建模方法。选定的功能单位是生产1公斤高纯度DME。图5展示了上述两种方案的前景边界，其中水泥生产厂的烟气被作为CO2的来源。生命周期系统包括通过膜分离（MS）实现的CO2捕获，以及通过水电解（WE）产生的氢气。在两种方案中，水电解都产生了纯液态氧流，这种液态氧流被视为替代传统液态氧的副产品。

为了比较三种方案，采用了ecoinvent 3.9数据库中提供的“从甲醇生产二甲基醚”的传统工艺。如图4所示，这一工艺首先将甲醇从合成气（由CO、CO2和H2组成的混合物）中合成出来，合成气来源于天然气或煤炭等化石燃料。随后，甲醇被脱水以生产DME。这一途径反映了成熟的大规模商业技术，并因其成熟的基础设施和详尽的环境影响文献而被广泛用于生命周期评估中。由于这些直接影响已在ecoinvent的“从甲醇生产二甲基醚”活动中考虑，因此图4中没有显示它们。

三种方案的比较基于经济分配，这是ecoinvent在DME生产中采用的方法。所有方案都使用了相同的价格。归因和截止模型被用来考虑生命周期结束时影响的分配，这些影响被分配给使用回收材料的生命周期。然而，S1和S2中唯一的副产品是通过水电解产生的液态氧。

生产背景设定在2025-2050年的荷兰。为此，首先使用现有的ecoinvent 3.9数据库进行了当前时间的分析。为了估计未来几年环境影响可能的变化，使用了Premise工具。该工具修改了ecoinvent数据库，以适应综合评估模型（IAM）如REMIND或IMAGE（Sacchi等人，2022年）提供的未来情景。此外，还进行了敏感性分析，以揭示能源来源对环境影响的影晌。

2.2.2 生命周期清单
关于材料和能源输入/输出流的 foreground数据来自于本研究中碳捕获、水电解和DME生产的流程模拟。对于SEDMES工艺，材料和能源数据来源于文献（Skorikova等人，2020年）。

研究重点关注西北欧的DME生产背景。选择背景数据是为了与荷兰的地理环境相一致。这些数据包括公用设施、过程中使用的原材料以及废水处理。与前景系统相关的基础设施被排除在分析之外。为了评估结果对当地条件的敏感性，还评估了德国、法国和瑞典的地理环境。

对于预测性LCA，Current版本的Premise包括了不同国家能源构成的演变。选择的模型是REMIND，这是一个基于宏观经济增长模型和工程能源系统模型的IAM。选择的情景是“Remind-SSP2-NDC”，它基于国家自主贡献（NDC），假设到2100年温度上升2-2.5°C（N?hl等人，2025年）。Premise工具从2000年开始生成清单。因此，本研究中的背景清单是每5年生成一次，从2020年到2050年。

2.2.3 生命周期影响评估（LCIA）
生命周期影响评估（LCIA）使用的是ReCiPe 2016 v1.13 midpoint (H)方法。选择这种方法是因为它通过遵循因果关系提供了一种清晰且一致的环境影响评估方式。它包括18个影响类别，这些类别与所研究的系统非常吻合，能够全面了解其环境表现。

生命周期评估是使用开源软件Brightway2进行的。为了简化计算并促进结果的生成和分析，Brightway2通过Python接口与ProSimPlus?连接起来。这使得可以从流程模拟中自动传输材料和能源流数据到Brightway2中。

3.1 过程模拟结果
方案S1和S2的模拟结果使用了相同的CO2输入流量（即134公里摩尔/小时）和H2输入流量。选择氢气的流量是为了在两种方案中保持一致的CO2:H2摩尔比，即1:3，这符合化学计量比。为了确保两种方案之间的公平比较，间接路线（S2）也应用了相同的CO2和H2流量。每种方案的评估都基于DME的生产率以及每公斤DME产生的能耗。表1展示了按各个过程阶段详细划分的模拟结果。S1中的数据和能耗（用于加热和电力）基于SEDMES过程中的文献结果，如补充表S5所示，而S2中的数据基于模拟结果。

图5展示了两种方案（S1 & S2）在不同过程阶段（膜分离（MS）、水电解（WE）、甲醇（MeOH）和DME合成过程）的能耗比较，以及每种方案的DME生产率，单位为公斤/小时。请注意，S1中的SEDMES过程和S2中的MeOH过程考虑了CO2和H2的压缩。

在两种方案中，水电解是电力消耗的主要来源。这是预期之中的，因为通过电解产生氢气众所周知是非常能源密集型的。提供纯CO2流的膜分离在这两种方案中对总电力消耗的贡献较小，S1和S2中的数值相似。然而，在S2中，每公斤DME的电力消耗高于S1，主要是由于S2中的DME生产率较低。这突显了改进的吸附DME合成过程（SEDMES）的一个优势，即甲醇生产不需要额外的反应器，从而提高了能源效率。

加热需求在两种方案中显示出明显的差异。虽然S1的加热需求较少，但S2的加热能源需求显著更高，尤其是来自独立的甲醇合成步骤。尽管S1也需要加热进行甲醇生产，但其循环利用允许更好的热量整合，从而减少了加热需求。此外，S2的DME生产率较低（约2,433公斤/小时），而S1为约2,930公斤/小时。这表明S2中投入的额外能源并没有成比例地增加过程产出，导致整体过程效率较低。基于这些发现，直接的DME合成（S1）提供了更高效的能源途径，具有更少的单元操作和更低的公用设施需求。

3.2 生命周期清单结果
用于评估的清单数据总结在表2中。S1依赖于来自模拟和文献的清单数据，而S2则使用了模拟结果。S3的Ecoinvent数据报告在补充表S6中，其中没有考虑基础设施。

表2 昆清单
S1 S2
Ecoinvent 3.9 数据集
二甲基醚，公斤 11
二甲基醚生产 [RER] 3.07
热量，MJ 10.14
区域或工业用天然气市场 [欧洲除瑞士外] 17.80
低压电力市场 [荷兰] 22.59
自来水市场 [RER] 13.85
氢气，公斤 3.04 × 10^-3 0.04
避免的CO2排放，公斤 -2.0 10^-2.4
化石二氧化碳，公斤 0.15 0.18
氧气，公斤 0.15 0.215
化石二氧化碳，公斤 0.015 0.215
氮气，公斤 3.88 14.673
氮气，公斤 5.72 × 10^-5 7.18 × 10^-5
废水，立方米 0.24 7.18
废水处理，平均，废水处理 [欧洲除瑞士外] 0.0044
二甲基醚，公斤 -0.04
甲醇，公斤 -0.0486

三种DME生产方案的生命周期清单，以每公斤DME表示。

S1和S2的前景清单包括不同类型的能源消耗，主要分为加热和电力，取决于具体过程。系统还包括过程中的水循环。任何产生的废水都被送往处理厂。由于S1中产生的甲醇浓度非常低，因此被认为是废水的一部分。在排放部分，氮气来自烟气中的CO2捕获技术。避免的CO2排放量针对每个方案进行了报告，对应于从烟气中捕获的CO2流。这个值反映了水泥生产厂防止释放到大气中的CO2量。

为了比较，ecoinvent 3.9给出了S3生产路线的两个步骤的能耗：1公斤DME需要0.70千瓦时的热量（2.52 MJ）和0.224千瓦时的电力。这种热量消耗与S1（0.85千瓦时/公斤DME或3.07 MJ/公斤DME）相当，低于S2（2.81千瓦时/公斤DME或10.1 MJ/公斤DME），这表明ecoinvent数据库中的热量整合程度更高。然而，电力消耗显著低于S1（17.8千瓦时/公斤DME）和S2（22.6千瓦时/公斤DME）。电力消耗的巨大差异主要是由于S1和S2中通过电解产生的氢气，而在S3中不需要产生氢气。

3.3 环境影响结果
图6展示了三种方案每公斤DME产生的全球变暖潜力（GWP100），以公斤CO2当量表示。条形图显示了来自各种过程阶段（如氢气生产、二氧化碳捕获、DME或甲醇合成）的贡献，以及避免的CO2排放。S1和S2被认为在荷兰运行（图中也标注为NL），其净GWP结果远高于S3，S2的最大值为5.93公斤CO2当量/公斤DME。S1和S2所需的氢气生产导致了最大的差异。此外，观察到SEDMES过程在氢气生产和利用方面更高效，即使S1和S2使用了相同的化学计量比3:1 H2:CO2，其影响也较小。氢气生产的高影响也体现在从CO2生产多种分子（如甲醇和烯烃）的过程中，其中氢气电力对全球GWP100的影响贡献了20%-30%（Rosental等人，2020年），而在一项针对SEDMES过程的研究中这一比例高达90%（Styring等人，2022年）。S1和S2的性能比较在补充表S5中报告。

图6 显示了传统和CCU DME生产路径的比较气候变化影响结果（GWP100）（?：净全球变暖潜力；条形图：各自的贡献）。S1-直接生产（SEDMES），S2-间接生产，S3-传统生产。

最后，基于ecoinvent 3.9数据库中的化石燃料数据的传统路线（S3）显示的净GWP100影响为1.42公斤CO2当量/公斤DME。尽管依赖于化石资源，其表现优于基于高碳电力的CCU方案。18个影响类别的总体结果展示在图7中。为了更好地比较和评估这些影响，结果被标准化为1。所有影响类别都受到氢生产过程中电力消耗的显著影响。当使用荷兰电力（基于59%的天然气）时，所有影响类别的净值都显示出正值。此外，在所有18个类别中（特别是毒性、生态毒性和富营养化类别），S3始终表现出较低的影响值。补充文件S4-S6提供了更详细的影响说明以及贡献分析。

图7：三种情景下LCA结果的比较，每个影响类别都标准化为观察到的最高值。(a) FEP：淡水富营养化潜力，GWP100：全球变暖潜力，HTPc：人类毒性潜力（致癌），LOP：农业用地占用，PMFP：颗粒物形成潜力，WCP：水资源消耗潜力。(b) EOFP：光化学氧化剂形成潜力（生态系统），FETP：淡水生态毒性潜力，FFP：化石燃料潜力，HOFP：光化学氧化剂形成潜力（人类），HTPnc：人类毒性潜力（非致癌），IRP：电离辐射潜力。(c) MEP：海洋富营养化潜力，METP：海洋生态毒性潜力，ODPinfinity：臭氧消耗潜力，SOP：过剩矿石潜力，TAP：陆地酸化潜力，TETP：陆地生态毒性潜力。

总体而言，S2的表现不如S1，主要是因为甲醇合成和电解阶段相关的较高负担。这些阶段能耗较高，且对来自天然气和煤炭的电力混合物的碳强度非常敏感。CCU和S3情景之间的重要差异确实可以通过较高的能源消耗（用于氢和二氧化碳捕获）来解释，因此它们的影响反映在所有影响类别中，如补充文件S3-S5所示。因此，在接下来的章节中将进行基于电力混合变化的敏感性分析和前瞻性LCA。

在这项LCA中，采用了从摇篮到大门（cradle-to-gate）的方法，考虑到三种情景下DME的使用和寿命终结阶段是相同的。如果燃烧是寿命终结方式，那么1公斤DME产生的二氧化碳量，即1.91公斤二氧化碳，应加到全球变暖影响中。在这种情况下，S1、S2和S3的GWP100结果分别为5.90公斤、7.84公斤和3.33公斤二氧化碳当量。这表明，无论研究中的使用案例的生产路线如何，DME的生命周期都没有缓解或负排放。只有通过在长寿命材料中进行数年的重要储存才能提供气候效益（Kanso等人，2025年）。

3.4 敏感性分析

进行了敏感性分析，以评估电力混合对情景S1中全球变暖潜力的影响。图8显示了使用Ecoinvent 3.9数据得出的四个欧洲国家（德国（S1_DE）、荷兰（S1_NL）、法国（S1_FR）和瑞典（S1_SE）的结果。

图8：电力混合对情景1中GWP100的影响（SEDMES）。

结果清楚地表明，氢生产是研究国家中总体GWP的主要贡献者。在法国和瑞典，由于电力生产基于低碳来源（核能和水热能），净GWP变为负值，分别为-0.84公斤二氧化碳当量/公斤DME和-1.36公斤二氧化碳当量/公斤DME。此外，这两个结果均优于传统生产方式S3。相反，在荷兰和德国，由于考虑的电力混合，净GWP为正值（分别为3.99公斤二氧化碳当量/公斤DME和3.38公斤二氧化碳当量/公斤DME），尽管在过程中避免了二氧化碳排放。然而，如果电力混合发生变化，这些结果可能会接近瑞典案例的净值。结果表明，只有将与低化石能源系统结合时，SEDMES过程才能带来气候效益。这一比较强调了新兴DME生产路径的环境效益在很大程度上取决于关键阶段使用的电力去化石化程度，尤其是在水电解方面。此外，还可以测试其他生产DME的方法，例如用生物质气化的合成气替代烟气中的CO2/H2合成气（Liuzzi等人，2020年）。

LCA方法的应用，即分配类型、系统扩展或副产品的扣除，对结果及其解释至关重要，Garcia-Garcia等人（2021年）也强调了这一点。在他们的综述中，使用风能通过CCU生产的DME的气候变化绩效在从摇篮到大门的基础上达到了-0.48至-1.07公斤二氧化碳当量，如果包括寿命终结时的燃烧，则为0.12–0.15公斤二氧化碳当量。本研究使用去化石化电力时获得的GWP100结果与文献中的发现一致。

3.5 前瞻性LCA结果

本研究的目的是探讨荷兰电力混合多年来的变化如何影响三种DME生产情景的整体环境影响。结果使用了一个前提工具获得，该工具根据IAMs转换了Ecoinvent数据库（Sacchi等人，2022年）。这意味着用于前瞻性LCA的Ecoinvent数据库与第3.3节和第3.4节中使用的数据库不同。因此，当前的影响结果是不同的。“Remind-SSP2-NDC”模型从2000年开始计算预测，2020年的结果低于第3.3节和第3.4节的结果。然而，这些趋势值得分析。前瞻性LCA的结果在图9中以GWP100影响的形式展示（数值见于补充表S7），补充图S7-S10展示了其他影响。

图9：基于Remind-SSP2-NDC路径（2020-2050年）的三种DME生产情景下GWP影响的随时间演变。

在S1和S2中，早期的全球变暖影响相当高（2020-2025年），尤其是S2在2020年达到了3.46公斤二氧化碳当量/公斤DME的峰值。这种高影响是由于反映了荷兰能源结构的碳密集型电力混合造成的。在这两种情景中，氢生产是主要贡献者。然而，由于S1是直接转化路线，该情景通过结合多个工艺步骤并实现甲醇和DME生产阶段之间更高效的热集成而受益于总体能源使用的减少。

根据SSP2-NDC轨迹，随着时间的推移，荷兰的电力混合逐渐去化石化，S1和S2的GWP影响将大幅下降，约在2035年，净GWP100变为负值。到2050年，两种生产情景都实现了气候效益，S1达到接近-1.63公斤二氧化碳当量/公斤DME，S2略低于-1.41公斤二氧化碳当量/公斤DME。这些负值反映了多年低化石能源混合的效果，导致比过程中排放的二氧化碳更多。然而，如果将DME的寿命终结阶段纳入系统边界，则不再有负净影响，S1和S2的值分别为0.28公斤和0.5公斤二氧化碳当量。到2050年，CCU路线的净GWP100从摇篮到坟墓低于S3（包括燃烧为3.05公斤二氧化碳当量），可以相对于传统的化石生产路线缓解气候变化影响。

情景S3代表传统生产方式，由于基于化石能源，因此没有从多年的电力去化石化趋势中受益。这一情景在30年期间的变化最小，GWP100影响保持在约1.2公斤二氧化碳当量/公斤DME。这凸显了在现有工业配置下S3的环境改善潜力有限。

关于其他影响类别，尽管大多数影响值随时间减少，但在2030年后，只有四个类别（光化学氧化剂形成（人类和生态系统）、水资源消耗以及化石燃料消耗）在S1中显示出低于S3的值。关于土地使用和生态毒性的影响趋势与GWP100不同，如补充图S6和S8所示。这些趋势与前瞻性电力混合有关，后者将使用两倍的风能和八倍的太阳能，同时减少对煤炭的依赖。这些混合在补充表S8中有报道。实际上，不同的变化对应于矿物使用的增加，例如铅和铜的使用，以及使用更多森林土地来安装太阳能光伏板。

这项分析的结果表明，基于CCU的DME生产路线（S1和S2）随着时间的推移在全局变暖潜力和大多数影响类别方面变得更加有利。能源系统的逐步去碳化在将这些新兴技术转变为气候效益解决方案方面发挥了重要作用。

4 结论

研究了两种DME生产的CCU路线在技术和环境绩效方面的表现：从CO2和H2直接合成的改进过程（S1）（SEDMES工艺，已在试点规模上存在），以及以甲醇作为中间化合物的两步路线（S2）。这两种情景都与传统的DME生产（S3）进行了比较，即使用天然气重整产生的合成气作为原材料的两步工艺。

在能源消耗方面，S2（间接路线）比S1（SEDMES路线）消耗更多能源：S1每生产1公斤DME消耗17.80千瓦时和3.07 MJ电能，而S2消耗22.59千瓦时和10.14 MJ热能。这项能源分析突出了SEDMES过程的一些优势，如更好的热集成和更高效的氢生产过程。分析还显示，氢生产是主要的电力消费者，这也反映在环境影响中。

就从摇篮到大门系统的全球变暖潜力影响而言，S1（3.99公斤二氧化碳当量）的表现优于S2（5.93公斤二氧化碳当量），但两种CCU情景都劣于传统的S3（1.42公斤二氧化碳当量），在当前的荷兰背景下。然而，S1随着时间的推移表现出了有希望的环境绩效。例如，随着荷兰电力网格在未来几年变得不那么碳密集，S1不仅保持了高CO2转化效率，而且在优化条件下也有潜力缓解气候变化。如果遵循SSP2-NDC轨迹，到2050年，这一影响在从摇篮到大门的边界内减少到-1.63公斤二氧化碳当量/公斤DME；如果考虑DME的寿命终结燃烧，则为0.28公斤二氧化碳当量/公斤DME。

类似于S1，根据前瞻性LCA，间接路线S2目前也有较高的全球变暖影响（2025年为1.37公斤二氧化碳当量/公斤DME），这是由于两步工艺（甲醇和DME合成）所需的高能量，尤其是氢生产所需的电能。随着时间的推移，气候影响减少，与S1一样，S2也可以相对于传统路线S3减轻影响。后者多年来的相对静态GWP影响约为1.2公斤二氧化碳当量/公斤DME。只有在与低化石能源系统结合时，CCU生产的DME才提供了可行且更好的环境替代方案，相比化石衍生DME生产过程。

在技术性能和环境性能方面，调查了两种DME生产的CCU路线：直接从CO2和H2合成的改进过程（S1）（现有的SEDMES工艺）和以甲醇作为中间化合物的两步路线（S2）。这两种情景都与传统的DME生产（S3）进行了比较，即使用天然气重整产生的合成气作为原材料的两步工艺。

在能源消耗方面，S2（间接路线）比S1（SEDMES路线）消耗更多能源：S1每生产1公斤DME消耗17.80千瓦时电能和3.07 MJ热能，而S2消耗22.59千瓦时电能和10.14 MJ热能。这种能源分析突出了SEDMES过程在更好的热集成和更高效的氢生产方面的优势。分析还揭示了氢生产是主要的电力消费者，这也反映在环境影响中。

就从摇篮到大门系统的全球变暖潜力影响而言，S1（3.99公斤二氧化碳当量）的表现优于S2（5.93公斤二氧化碳当量），但两种CCU情景都劣于传统的S3（1.42公斤二氧化碳当量）。然而，S1随着时间的推移展示了有希望的环境绩效。例如，随着荷兰电力网格在未来几年变得不那么碳密集，S1不仅保持了高CO2转化效率，而且在优化条件下也有潜力缓解气候变化。如果遵循SSP2-NDC轨迹，到2050年，这一影响在从摇篮到大门的边界内减少到-1.63公斤二氧化碳当量/公斤DME；如果考虑DME的寿命终结燃烧，则为0.28公斤二氧化碳当量/公斤DME。

与S1类似，根据前瞻性LCA，间接路线S2目前也有较高的全球变暖影响（2025年为1.37公斤二氧化碳当量/公斤DME），这是由于两步工艺（甲醇和DME合成）所需的高能量，尤其是氢生产所需的电能。随着时间的推移，气候影响减少，与S1一样，S2也可以相对于传统路线S3减轻影响。后者的相对静态GWP影响多年为约1.2公斤二氧化碳当量/公斤DME。只有与低化石能源系统结合时，CCU生产的DME才能提供可行且更好的环境替代方案。提高氢生产和合成技术的能源效率，特别是使用去化石化的能源，对于新CCU技术的环境可接受性至关重要。