《Energy & Fuels》：The Potential of CO2 Hydrogenation to Produce e-Fuels: Thermodynamic and Techno-economic Analysis
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为应对化石燃料依赖与气候变化挑战，研究人员开展了CO2氢化制电子燃料的热力学与技术经济分析。该研究通过Aspen Plus模拟了12种e-fuels的合成，发现高压低温条件有利于产率与CO2转化。经济评估表明，在当前氢气成本下，仅汽油和柴油在特定条件下具有潜在盈利性，而氢气成本若降至当前一半，则项目可行性将显著提升。该研究为CO2资源化利用与清洁能源生产提供了重要的理论与经济参考。
自19世纪以来，石油一直是支撑社会发展与工业进步的主要能源，为供热、动力和交通运输提供了燃料。然而，它对环境和城市地区的有害影响，突显了向更可持续能源替代方案转型的紧迫性。全球石油需求持续增长，2023年已达到约每日1.022亿桶，而大气中的CO2浓度在2024年达到了平均422.8 ppm，创下了一年增幅的最高纪录。为了兑现《巴黎协定》将全球平均温升控制在2°C以内的承诺，全球碳排放必须在2030年前减少45%。然而，可再生能源如风能和太阳能具有间歇性和波动性，这导致了能源供应的不稳定和价格波动。在这种背景下，利用电力（理想情况下来自可再生能源）、水和二氧化碳生产的氢基合成燃料——电子燃料（e-fuels），作为一种有前景的清洁能源生产途径应运而生。它们与现有内燃机和加油基础设施兼容，尤其对航空和远洋航运等难以电气化的长途运输模式具有特殊意义。但当前研究多集中于单一燃料（如甲烷、甲醇）的催化开发或热力学，缺乏在一致假设下对不同燃料进行广泛热力学比较和经济评估的研究。因此，系统评估CO2氢化生产多种电子燃料的潜力，并明确其热力学优势和经济可行性，对于推动能源转型至关重要。
本研究旨在对CO2氢化生产12种不同电子燃料（包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、汽油、煤油、柴油、甲醇、乙醇、丁醇和二甲醚）进行热力学平衡评估和技术经济分析。研究采用Aspen Plus V14软件进行过程模拟，使用Soave–Redlich–Kwong状态方程，并利用“灵敏度分析”工具评估和优化操作条件。热力学分析基于简单的平衡反应器模型，考察了温度、压力和H2/CO2比率对燃料产率和CO2转化率的影响。技术经济分析则采用集成方法，构建了包含压力变换器、温度控制器和冷凝器的通用流程，以评估每个单元操作的能源需求和成本。经济性通过计算生产阶段盈利性参数（α）来初步判断，并对有潜力的案例进一步考虑资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、氢气和燃料成本等进行详细的现金流、净现值（NPV）和投资回收期分析。研究还进行了敏感性分析，探讨氢气成本变化对项目经济可行性的影响。
3.1. 基本方法——热力学分析
研究通过模拟发现，所有CO2转化路径都遵循相同的趋势：由于表2所列反应为放热反应，CO2转化率和燃料分率产率随着温度降低和压力升高而增加。反应物比率也有显著影响，特别是在比率达到4之前；超过此比率，差异通常可忽略。在H2/CO2比率为4时，甲烷化在大多数测试条件下是完全的。从乙烷到戊烷的较高碳氢化合物，在模拟单独生产时，随着碳链长度的增加，转化率和产率逐渐降低。汽油、煤油和柴油范围碳氢化合物的代表分子（分别为C6H14、C8H18和C9H20）也观察到类似的趋势。甲醇和乙醇显示出相似的趋势，但产生的形状与碳氢化合物不同：斜率随着温度降低和压力升高而增加。丁醇则显示出与碳氢化合物更一致的趋势。研究确定了每种电子燃料的最高（HY）和最低（LY）产率值及其相应的操作条件（温度、压力和H2/CO2比率）。
3.2. 集成方法——技术经济分析
在仅考虑电子燃料销售收入、运营支出和氢气成本的情况下，生产阶段盈利性分析表明，只有汽油（在最高和最低产率条件下）和柴油（在最高产率条件下）显示出通过CO2氢化生产电子燃料的经济潜力。对应的α值分别为汽油（HY）1.47、汽油（LY）1.29、柴油（HY）1.10。对于这些有潜力的案例，估算了资本支出。压缩机占总CAPEX的61-67%，反应器约占30%，其余与热交换器相关。然而，考虑到资本支出、劳动力等参数后，累计现金流持续下降，在整个分析期间保持为负值，表明在当前假设下所研究案例在经济上不可行。净现值（NPV）均为负值：汽油（HY）为-0.23 M�，汽油（LY）为-0.94 M�，柴油（HY）为-1.38 M�。敏感性分析显示，氢气成本是主要成本驱动因素之一。如果氢气价格降至1.5 �·kg-1，汽油（HY）案例可在5年内实现投资回报；若降至1 �·kg-1，则仅需3年。即使在2 �·kg-1时，现金流的正斜率也表明在更长时间框架内（如10年以上）可能实现经济可行性。
结论与意义
本研究对CO2氢化生产12种电子燃料进行了系统的热力学和技术经济分析。热力学结果表明，较高的压力和较低的温度有利于提高燃料产率和CO2转化率，为工艺优化提供了理论指导。经济分析则揭示了在当前市场条件和氢气成本（3 �·kg-1）下，大多数电子燃料的生产在经济上不可行，仅汽油在较宽条件范围内和柴油在最优条件下显示出初步的盈利潜力。然而，当考虑完整的资本支出和运营成本时，即使是这些有潜力的案例，其累计现金流也为负值，表明项目在当下仍缺乏商业竞争力。研究的关键发现在于，氢气成本是影响经济可行性的最敏感因素。敏感性分析表明，若氢气成本能够降至当前水平的一半（约1.5 �·kg-1），则汽油生产可在数年内实现投资回报，这为未来可再生能源制氢（绿氢）成本下降后的电子燃料产业化带来了希望。此外，研究也指出，采用与传统化石燃料生产方法等价的市场价格来评估电子燃料，可能低估了其环境价值。未来的政策支持、碳定价机制以及生产流程的进一步优化（如热集成）有望改善其经济性。该研究通过构建通用流程和直接成本比较，为评估不同电子燃料的生产路径提供了有价值的框架，强调了在能源转型背景下，降低绿氢成本对于实现CO2资源化利用和可持续燃料生产的关键意义。论文发表于《Energy & Fuels》。
