一种基于生物能源的直接空气捕获技术的经济技术可行性分析及生命周期碳评估——旨在实现可持续的氢载体生产

《Energy》：Techno-Economic Feasibility and Life Cycle Carbon Assessment of an Integrated Bioenergy Driven Direct Air Capture for Sustainable Hydrogen Carrier Production

　　马哈茂德·基安内贾德·阿米里（Mahmoud Kiannejad Amiri）| 莫罕默德·穆萨扎德（Mohammad Moosazadeh）| 朱昌奎（ChangKyoo Yoo）
韩国庆熙大学工程学院环境科学与工程系综合工程专业，龙仁市446-701

**摘要**
随着对碳中和化学品生产需求的增长，需要将直接空气捕获（DAC）与可再生工艺热能和氢气生成相结合的综合性解决方案。本研究提出并评估了一种基于生物能源的直接空气捕获（Bio-DAC）系统，该系统整合了生物质气化、液体吸附剂DAC和固体氧化物电解池，以实现可持续的液态氢载体生产。通过结合工艺模拟、资源约束分析、技术经济分析和生命周期碳评估，优化了系统的效率、盈利能力和环境性能。该集成系统每年可捕获371千吨二氧化碳（CO2），通过生物质气化（BG）和天然气的混合配置自主提供高温热能（900°C），并通过固体氧化物电解池（SOEC）辅助电解产生氢气。技术经济分析显示，甲酸（FA）和乙酸（AcOH）的平准化成本（LCOP）分别为559.35美元/吨和818.11美元/吨，其净现值（NPV25）分别为46.1924亿美元和1009万美元。尽管甲酸具有更强的经济韧性，但生命周期碳评估表明，乙酸的净碳足迹略低（0.0106千克CO2当量/千克），主要是因为更高的碳捕获信用额抵消了运营排放。在五个国家的全球可行性分析中，甲酸生产在各种碳政策下均显示出强劲的经济可行性，而乙酸的盈利能力则对碳激励措施非常敏感。总体而言，所提出的Bio-DAC配置为生产液态氢载体提供了一种高度集成且低碳的途径，展现了甲酸在经济效益和全球适应性方面的优势。

**引言**
全球变暖是一个严重的环境挑战，其主要原因是过量的二氧化碳排放。迫切需要开发碳捕获技术来应对这一问题[1]。虽然传统的燃烧后捕获方法可以有效处理主要工业点源排放，但历史排放或交通和农业等分散源排放则无法通过这些方法解决[2]。直接空气捕获（DAC）作为一种关键的补充技术，旨在直接从大气中捕获这些排放物[3]。通过直接从大气中提取二氧化碳，DAC为减少历史排放和支持气候中性燃料和化学品的生产提供了灵活的解决方案。因此，DAC成为全球脱碳的关键技术[3]。国际能源署指出，到2050年，DAC每年可能封存超过9.8亿吨二氧化碳，这对全球脱碳计划至关重要[4]。最近的进展已将DAC从集中式、大规模装置转变为更模块化、分布式的系统，可以集成到城市和工业环境中[5]。DAC利用化学或物理吸附剂直接从周围空气中提取二氧化碳，为碳管理提供了多种解决方案。其主要应用包括通过降低大气中的二氧化碳水平来缓解气候变化，并为工业用途提供负碳来源的二氧化碳，以实现净零或净负排放[6]。DAC技术大致分为基于固体吸附剂的DAC和基于液体吸附剂的DAC（L-DAC）[7]。L-DAC使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）等水溶液化学捕获二氧化碳，随后通过高温方法进行再生[8]。L-DAC具有反应速度快、在低浓度下二氧化碳捕获能力强以及与高温热源兼容等优点，使其适用于大规模二氧化碳去除[9]。然而，对高质量热能（通常超过900°C）的大量需求仍然是技术和经济上的主要限制，特别是在缺乏廉价低碳热能的地区。为解决这一问题，多项研究探讨了替代的热能整合策略，以提高L-DAC系统的能源和经济性能。Keith等人[10]评估了一个设计用于每年捕获1百万吨二氧化碳的天然气（NG）驱动的L-DAC装置，该系统每捕获一吨二氧化碳需要5.25吉焦（GJ）的天然气和366千瓦时的电力，导致较高的捕获成本（232美元/吨），主要是由于对天然气的依赖。在另一种可再生能源驱动的设计中，Cormos[11]探索了将太阳能热系统与L-DAC集成。所提出的系统减少了二氧化碳排放，并实现了190.48–218.35美元/吨的捕获成本。然而，集成太阳能的DAC系统面临高资本支出、土地需求以及太阳能固有的间歇性等挑战。因此，识别和整合具有成本效益的低碳热源仍然是提高大规模DAC实施技术经济可行性的主要挑战。

考虑到L-DAC系统对可持续高温热源的持续需求，生物质气化（BG）是热能供应和化学品联产的有前景的途径[12]。BG可以生成合成气，这是化学合成中的关键中间体，特别是用于生产液态氢载体[13]。张等人[14]在1300°C的温度下运行BG以生成甲醇合成所需的合成气，这种集成方式将碳效率提高了28.31%，并将排放量减少了62.93%，同时使甲醇生产成本降低了1402.58美元/吨，比传统的生物质制甲醇途径低30%。这些研究共同证明了生物质气化为驱动其他化学过程提供高温热能的巨大潜力，同时还能生产有价值的化学品。

**固体氧化物电解池（SOECs）**
固体氧化物电解池（SOECs）是通过高温水电解产生氢气的先进电化学装置，通常在650–850°C下运行[15]。SOECs是高温装置，热管理至关重要。从准备反应物到维持电化学反应以及确保电池堆的机械完整性，热能都是必不可少的[16]。这项技术利用多余的高温热能提高整体能源效率，使其成为可持续氢气生产的有希望的解决方案[17]。吴等人[18]展示了一种热中性SOEC，利用工业废热生产氢气、氧气和热水。结果表明，通过SOECs利用废热使系统能源效率提高了5.1%。Dossow等人[19]强调了将SOECs集成到生物质制液体燃料过程中生产可持续航空燃料的好处。他们利用生物质气化产生的合成气冷却热能为SOEC供电，这种集成方式将碳效率提高了94%，能源产量提高了64%，同时将电力需求降低了13–29%，并将总体排放量降低了多达90%，相比传统燃料途径更为环保。这些发现表明，有效整合SOEC与废热源可以减少能源消耗，产生额外的氢气，并提高集成化学过程的可持续性和经济可行性。

**对可持续化学品生产的需求增长**
对可持续化学品生产的需求增加，促使人们加大了将捕获的二氧化碳（CO2）和氢气（H2）转化为有用产品的研究力度，这有助于减少二氧化碳排放并创造重要的化学材料。除了甲醇[20]和乙醇[21]等成熟产品外，甲酸（FA）和乙酸（AcOH）的合成也值得考虑，因为它们既可作为中间体也可作为最终产品。甲酸是一种重要的防腐剂[22]、杀虫剂[23]和有前景的氢储存材料[24]，而乙酸广泛用于食品保存[25]、制药[26]和天然消毒剂[27]。Cuevas-Castillo等人[28]研究了使用风能驱动的质子交换膜电解器与L-DAC集成生产甲酸的方法。该系统与化石燃料基路线相比，二氧化碳当量排放减少了92%。然而，由于DAC的资本密集型特性，该系统的产品价格高达1768美元/吨，占总成本的54%。敏感性分析表明，如果将氢气和DAC的成本各降低50%，甲酸价格可降至1309美元/吨，但仍高于市场价值，这突显了碳信用机制的必要性。同样，Pace[29]提出了一种使用可再生能源驱动的氢气和沼气衍生二氧化碳生产乙酸的集成系统。资源约束分析优化显示，热能和冷能的自给率分别为100%和82%。此外，规模分析表明，将系统规模扩大50%可将乙酸生产成本从1691美元/吨降低到1252美元/吨。

**尽管对基于L-DAC的碳利用越来越感兴趣，但BG、L-DAC和SOEC在氢载体生产中的集成使用仍缺乏充分评估**
现有研究揭示了几个系统层面的不足。首先，大多数L-DAC评估仍依赖天然气（NG）来满足高温煅烧器的需求，这增加了运营排放并削弱了该过程的碳减排效益。其次，尽管BG可以提供高质量热能和含碳中间体，但其作为DAC再生和下游碳利用的同时驱动者的作用尚未在统一的生产框架内系统地进行评估。第三，虽然SOEC已与生物质或废热系统集成用于氢气生产，但以往的研究通常将电解、碳捕获和产品合成视为独立的或部分集成的子系统，而不是一个热力学协调的整体。此外，这些集成途径在变化的市场和政策条件下的经济韧性也很少受到技术经济研究的考察。这些不足表明，需要一个统一的框架，能够在一致的系统边界内同时评估热能整合、氢气补充、碳利用和经济可行性。

**为解决这些不足，本研究提出了一个集成的Bio-DAC框架**
该框架将BG、L-DAC和SOEC结合在一个单一的工艺架构中，用于生产甲酸（FA）和乙酸（AcOH）。这项工作的学术创新不在于这些技术的孤立使用，而在于它们在热力学上的协调集成，以实现同时的DAC再生、氢气生成和氢载体合成。在所提出的架构中，生物质产生的高温热能被分配给L-DAC煅烧器和SOEC单元，同时产生的二氧化碳和氢气流被共同用于FA和AcOH的生产。基于此架构，应用资源约束分析来制定严格的热能整合策略并量化内部能量回收。然后结合工艺模拟和技术经济分析来评估系统的盈利能力及其对经济变量的敏感性。通过生命周期碳评估进一步量化了所提出途径的运营碳足迹。最后，通过多国可行性分析，在不同的区域市场条件和碳定价环境下检验了集成系统的经济性能。

**材料与方法**
本节解释了用于评估集成L-DAC、BG和SOEC系统（Bio-DAC）的完整方法，该系统旨在环保地生产氢载体，特别是甲酸（FA）和乙酸（AcOH）。该方法包括详细的工艺建模和模拟，以评估系统效率、经济可行性和碳可持续性。图1展示了进行集成Bio-DAC系统技术经济分析的全面方法。第一步涉及……

**结果与讨论**
研究结果分为两个主要部分。首先分析了Bio-DAC工厂设计的能源消耗和性能指标，强调了能源效率和二氧化碳排放。然后进行了全面的经济分析，以评估在不同经济情景下工厂的可行性，这些情景偏离了基准参数值。

**限制与未来方向**
本研究对集成Bio-DAC系统进行了全面评估；然而，也应承认某些限制。工艺模拟是在稳态和等温条件下进行的，假设工作流体具有理想气体行为，这可能无法完全捕捉实际工业操作的动态复杂性和非理想行为。特别是，完美的热能整合假设忽略了生物质产生的瞬态温度波动。

**结论**
本研究成功展示了新型Bio-DAC框架的技术经济可行性和碳减排潜力。所提出的系统在热力学上整合了BG、L-DAC和SOEC单元，用于可持续生产甲酸（FA）和乙酸（AcOH）。全面的方法论提供了关于系统性能的关键见解，得出以下主要发现：
- 该系统采用混合加热策略运行，其中BG单元提供了大约50%的热能需求……

**作者贡献声明**
马哈茂德·基安内贾德·阿米里（Mahmoud Kiannejad Amiri）：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。
莫罕默德·穆萨扎德（Mohammad Moosazadeh）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件、方法论、概念化。ChangKyoo Yoo：监督、项目管理和资金筹集
利益冲突声明 ? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所述工作的个人关系。

致谢
本项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（MSIT）提供（项目编号：RS-2026-25471555），同时也得到了庆熙大学（KHU）的休假研究计划支持（项目编号：KHU-20252546）。