基于直接空气碳捕获技术的CO?富集实现沙漠温室作物生产的脱碳化

《npj Sustainable Agriculture》：Decarbonizing desert greenhouse crop production with direct air capture–based CO2 enrichment

　　

本研究评估了两种基于吸附法的直接空气碳捕获（Direct Air Capture, DAC)系统——变温-真空变压吸附(Temperature-Vacuum Swing Adsorption, TVSA)和湿气变吸附(Moisture Swing Adsorption, MSA)——作为高科技温室(High-Tech Greenhouse, HTGH)现场CO?富集替代方案的技术经济潜力与环境效益。研究人员构建了集成技术经济分析(Techno-Economic Analysis, TEA)与生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)模型，对位于沙特阿拉伯吉达(Jeddah)的1公顷沙漠高科技温室中樱桃番茄(Solanum lycopersicum)和生菜(Lactuca sativa)生产系统的CO?富集成本与气候影响进行量化。

在基线情景下，MSA系统的平准化CO?成本为生菜系统252 US$ t_CO2^-1、樱桃番茄系统240 US$ t_CO2^-1；TVSA与MSA的平准化成本差异不足2%，而传统液态CO?运输方案(ConvE)的成本较DAC-E分别高出22%（生菜）和2%（樱桃番茄）。敏感性分析识别出电价、电力碳排放强度(carbon intensity)及吸附剂循环产率(cyclic productivity)为主导性能参数。在太阳能丰富的沙漠地区，以低成本、低碳排放的光伏(Photovoltaic, PV)电力驱动高科技温室及其DAC-E系统，可同时缓解成本与排放负担。研究结果表明，当由低碳电力驱动时，吸附法DAC系统能够提供具有成本竞争力的CO?富集，并相对于卡车运输液态CO?减少温室气体(Greenhouse Gas, GHG)排放，证实DAC-E可支持炎热沙漠地区更可持续的温室生产模式。该研究发表于《npj Sustainable Agriculture》。

本研究采用的关键技术方法如下：研究人员基于2019–2024年气象数据，选取10个炎热沙漠干旱气候区人口中心的日间平均条件（26.9 °C、40.4%相对湿度(Relative Humidity, RH)），以30 °C和40% RH作为设计工况；运用经验证的作物光合模型模拟小时尺度净光合速率(P_n)，结合温室CO?质量平衡方程计算小时CO?富集需求；依据循环产率、吸附时间等参数进行DAC-E系统尺寸设计，建立设备成本清单以估算资本支出(CapEx)，并模拟全年运行以统计各组件电力与水消耗等运营支出(OpEx)；采用20年周期与资本回收因子计算平准化CO?成本(Levelized Cost of CO?, LC_CO2)；最后开展符合ISO 14040/14044标准的归因式从摇篮到农场大门(cradle-to-farm-gate) LCA，以1 kg可上市作物产量为功能单位(functional unit)，使用IPCC 2021 GWP100方法评估全球变暖潜势(Global Warming Potential, GWP)，并通过1000次蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation)传播参数不确定性。

## 研究背景与问题

在全球人口预计达到100亿的背景下，在行星边界(planetary boundaries)内实现粮食安全需要大幅提高土地、水、能源及养分利用效率。炎热干旱地区（干旱指数≤0.22，年均气温≥18 °C）的高科技封闭式温室设施通过全机械化气候控制实现作物生长与环境条件的解耦。相较于蒸发冷却式塑料大棚，沙漠高科技温室(Desert-HTGH)可实现2–4倍产量提升与超过90%的节水效果，但其机械冷却系统的运行需消耗14–16倍的电力。随着沙漠地区公用事业规模太阳能光伏成本急剧下降（沙特阿拉伯已低于2 US￠ kWh^-1），HTGH已成为可靠的PV能源消纳载体，其冷却负荷曲线与PV输出同步变化，可减少弃光与储能需求。

在光、水、养分已优化配置的情况下，HTGH作物生产力受CO?浓度限制。封闭运行模式下，光合作用可能使内部CO?降至室外水平的50%以下，制约作物发育与产量。通风引入环境CO?会扰乱气候控制并增加冷却负荷，在多数季节成本高昂。维持超环境CO?浓度可提升光合速率与生物量积累，因此温室运营者通常采购工业副产食品级液态CO?，经公路罐车运输至现场加压储存后自动注入温室内（设定点通常为800–1200 ppm）。然而，2025年液态CO?到厂价格可达267–783 US$ t_CO2^-1，构成显著运营成本并增加排放负担。燃烧式CO?发生器因产生额外热量与湿度而不适用于沙漠HTGH场景。

## DAC-E技术选择与系统建模

研究人员评估了两种吸附法DAC配置作为DAC-E系统的适用性：TVSA与MSA。选择依据在于吸附法具有高循环产率、成熟吸附剂供应链及最强商业化进展，而液体吸收法热损与腐蚀问题、膜法(membrane DAC)成本与真空系统需求、电化学法(electrochemical DAC)缺乏实际性能数据等均使其不适用于温室场景。

TVSA系统通过热泵将吸附剂床层加热至90 °C实现脱附，再以真空泵抽取释放的CO?，最后用热泵与环境空气冷却再生；MSA系统则通过注水润湿吸附剂释放CO?富集气流，再以环境空气干燥再生。MSA具有设备更简单、运行能耗更低的优势，且可能与水捕获耦合，对干旱地区具潜在价值。

基于吉达温室的小时光合模型模拟显示，生菜HTGH年CO?富集需求为144 t_CO2 ha^-1 yr^-1，樱桃番茄为419 t_CO2 ha^-1 yr^-1。盈亏平衡分析表明，生菜系统CO?盈亏平衡价格为243–5625 US$ t^-1，樱桃番茄为48–1718 US$ t^-1，反映作物市场价格、基准产量及CO?增产效应的大幅变异性。

## 平准化成本与敏感性分析结果

基线情景下，MSA平准化成本为生菜252 US$ t_CO2^-1、樱桃番茄240 US$ t_CO2^-1；TVSA与MSA差异<2%，ConvE则分别高出22%和2%。樱桃番茄系统成本更低源于规模经济效应。DAC-E成本均低于两类作物的盈亏平衡区间下限。

成本分解显示：TVSA的CapEx中热泵占32%；MSA因设计简单CapEx降低48%。OpEx中能源消耗占DAC-E的61%，其中风机占TVSA的84%、MSA的98%。MSA年耗水量为生菜1384 m³ ha^-1、樱桃番茄4112 m³ ha^-1，占OpEx的10%。ConvE的OpEx中运输物流占53%（生菜）至62%（樱桃番茄）。

能耗方面，TVSA与MSA分别为2.2和2.5 MWh t_CO2^-1 yr^-1（8和9 MJ kg_CO2^-1），风机占几乎全部运行能耗。ConvE现场能耗可忽略（7.8 kWh ha^-1 yr^-1），但上游分离、液化与压缩的功未计入。

敏感性分析揭示：DAC-E成本受能源价格、循环产率、吸附时间及柱径变化影响显著。吸附参数改进具高回报潜力，证实低成本高容量吸附剂的创新机会。循环产率对温湿度敏感，参数范围间接评估了不同地点/气候下的性能偏移。炎热潮湿条件降低吸附容量、增加再生能耗。ConvE对运输距离和碳税最敏感，任一参数上升均可使其平准化成本超越DAC-E基线。

进一步分解显示：CapEx受柱径与单元数量主导；OpEx由能源成本、吸附相关参数及吸附剂寿命驱动。循环产率提升可降低CapEx 19–23%、OpEx 23%。吸附时间缩短受益最大（CapEx -26%，OpEx -23%）。床层高径比(H/D)提高可降低CapEx 11–30%而对OpEx影响甚微。吸附剂寿命缩短使OpEx增加26–28%，为重大成本驱动因素。

## 气候变化影响评价

LCA结果表明，温室作物生产系统的气候影响主要由冷却用电主导，且高度依赖电力供应结构。除电力因素外，CO?富集路径选择显著改变总体足迹，尤其是高需求作物（樱桃番茄）。

DAC-E排放随电力低碳化程度降低：生菜系统"仅电网"情景下为0.50 kg_CO2-eq kg_crop^-1，"电网+PV"为0.29，"仅PV"为0.076；樱桃番茄趋势相同但绝对值更高。MSA因电力强度更高而GWP始终高于TVSA，尤其在循环产率下降的悲观情景中。卡车运输液态CO?的排放份额随电力脱碳和运输距离增加而急剧上升： pessimistic情景（900 km）下，运输相关排放成为樱桃番茄影响的主导因素。

DAC-E影响分解显示，风机、泵及鼓风机的电力消耗主导GWP，吸附剂生产与寿命终结处理即使在悲观情景下贡献<5%。与先前温室及DAC生命周期研究相比，本研究的GWP强度与中高技气候控制温室番茄设施报道值一致，但显著高于干旱区低技蒸发冷却或被动温室，后者以更高土地和水需求为代价换取更低能耗。

## 讨论与关键结论

在日益严峻的高温和干旱条件下，沙漠地区的粮食安全需要最大化产量同时最小化水资源消耗的生产系统。全气候控制的高科技温室可实现这一目标，但必须克服两大挑战：卡车运输液态CO?的排放密集型CO?富集方式，以及对碳密集型电网电力的依赖。

研究证实，当前吸附法DAC技术可在竞争性平准化成本和更低气候惩罚下替代液态CO?用于沙漠温室富集。吸附剂改进、系统工程优化和过程优化的预期进展将进一步强化这一结论。DAC-E既能降低高科技沙漠农业的气候负担，又能支持蔬菜水果的盈利性全年生产。

在实践中，温室运营者偏好易于集成现有基础设施的技术。DAC-E基本满足这些条件：HTGH已具备可靠电力供应和先进控制系统，降低了集成障碍。但需冗余设计以确保非最优条件下满足峰值CO?需求，并在作物需求降低期间具备低负荷运行能力。类似液态CO?供应合同的DAC即服务商业模式可进一步降低运营者采用风险。

本研究基准主要依赖小规模和实验室数据集，炎热沙漠气候下DAC长期户外性能数据的缺失扩大了预测不确定性。因此，沙漠环境中温室集成DAC系统的实地测试应成为研究优先事项。地理空间适宜性制图——整合CO?供应路线、电网与PV基础设施、水源及气候变量——将指导战略部署。虽然番茄和生菜代表主要温室作物类别，未来工作应扩展至其他作物和气候类型。

研究人员认为，炎热沙漠地区结合严重水资源短缺与超低成本PV电力的巨大潜力，为DAC-温室集成提供了最大机遇。除实地验证外，战略研发路线图应涵盖：量化气候因素对DAC-E容量和动力学的长期影响；利用MSA的水-湿度-CO?耦合机制，将吸附/脱附与作物蒸腾及冷凝水回收相结合；评估物流中断时现场DAC相对于液态CO?的选址韧性和适应性优势；以及开发碳核算协议和低排放农产品标签等市场与治理使能因素。

关键结论如下：现场直接空气碳捕获CO?富集(DAC-E)与卡车运输液态CO?相比具有经济竞争力。在1公顷沙漠高科技温室基线运行条件下，两种DAC-E系统（TVSA和MSA）平准化CO?成本为240–252 US$ t^-1，与或低于卡车液态CO?成本。建模平准化成本低于樱桃番茄和生菜在真实产量与价格情景下实现盈利生产所需的CO?盈亏平衡价格，表明DAC-E可在不损害种植者经济利益的前提下提供气候效益。敏感性分析显示能源成本和循环产率为主导技术经济驱动因素。LCA表明，当由电网加PV或纯PV电力驱动时，DAC-E可降低温室气体排放，且对高需求作物（樱桃番茄） increasingly favorable。相反，液态CO?运输相关排放在较长供应距离下成为主导。冷却能源是所有富集路径中GWP的首要贡献者；DAC-E气候表现随低碳PV电力获取显著改善，而沙漠地区廉价的公用事业规模太阳能电力的发展为这一路径提供了条件。