基于不同能源和碳储存方法的二氧化碳去除方案（包括海洋石灰）的比较生命周期评估

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Comparative life cycle assessment of CO2 removal solutions, including ocean liming, based on different energy sources and carbon storage methods

　　

部署多种二氧化碳去除方法对于将全球变暖限制在远低于2°C至关重要。海洋石灰（Ocean Liming, OL）将二氧化碳去除与缓解海洋酸化的协同效益相结合。本研究评估了包括OL在内的四种从大气中去除二氧化碳的工艺配置。它们结合了两种能源（即木质生物质和可再生能源）来生产熟石灰，以及两种储存该工艺产生的二氧化碳的方法（即地下地质构造中和通过pH平衡海洋碱化（pH-equilibrated ocean alkalinization）以碳酸氢盐形式储存在海中）。通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法论评估了不同配置的环境影响。结果显示，对于使用意大利2050年预测电力组合的情景，二氧化碳去除效率（即净二氧化碳当量去除量与总去除二氧化碳量之比）在85–92%范围内，而对于使用生物质的情景，则在93–96%范围内。因此，所有情景均实现了净二氧化碳去除，工艺中使用的材料和能源导致的碳惩罚并未削弱OL的可行性。然而，在气候变化与其他影响类别（如土地利用）之间注意到权衡。所提出的工艺配置利用了现有技术，但需要整合有效的二氧化碳捕集与储存以防止煅烧过程中的排放。其中，pH平衡方法作为二氧化碳储存的一种有前景的替代方案出现，特别是在地质储存不可用的地区。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
为将全球变暖限制在远低于2°C（巴黎协定目标），大规模部署二氧化碳去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术已成为必要。海洋石灰（Ocean Liming, OL）是一种基于海洋碱度增强的CDR方法，通过向海洋表面撒播熟石灰（氢氧化钙，Ca(OH)₂）吸收大气CO₂，并以碳酸氢根离子形式永久储存（数千年尺度），同时具有缓解海洋酸化的协同效益。然而，OL的核心工艺——石灰石（CaCO₃）煅烧产生石灰（CaO）——需要大量热能（约900°C），通常依赖化石燃料，导致大量CO₂排放。为提高碳去除效率，必须捕获并永久储存这些排放的CO₂。现有研究已探索不同能源（如生物质、可再生能源）和储存方法（如地质储存Geological Storage, GS），但缺乏对多种配置的系统性环境影响评估，尤其是一种新型储存方法——pH平衡海洋碱化（pH-equilibrated ocean alkalinization）——的对比。因此，本研究旨在通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，评估两种能源（木质生物质气化与可再生能源电力）与两种CO₂储存方法（GS与pH平衡海洋碱化）组合的四种OL配置的环境影响，以确定其净碳去除效率及潜在权衡，为OL技术的规模化部署提供科学依据。论文发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用生命周期评估（LCA）方法论，依据ISO 14040和ISO 14044标准，采用归因性方法。系统边界采用从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）方法，涵盖原材料开采、能源生产、石灰石煅烧、CO₂捕集与储存、熟石灰运输与撒播等全过程。功能单元（Functional Unit, FU）定义为1吨粗CO₂从大气中去除。评估了16种环境影响类别，采用环境足迹（Environmental Footprint, EF）方法3.1版，包括气候变化、土地利用、酸化等。主要数据来源于工艺设计者提供的质量与能量平衡，以及ecoinvent数据库（3.10版）和文献。使用SimaPro 9.6软件进行建模。此外，进行了敏感性分析，评估CO₂泄漏率、电力排放因子、CO₂摩尔去除比、运输距离等参数对碳去除效率（ECDR）的影响。

**研究结果**
**3.1 气候变化**
通过碳平衡分析和LCA结果，所有四种配置均实现净CO₂去除（负气候变化影响）。生物质场景（A: BM+OL+GS, B: BM+OL+OA）的ECDR分别为96%和93%，高于电力场景（C: EL+OL+GS为92%，D: EL+OL+OA为85%）。贡献分析表明，电力消耗是电力场景气候变化的主要贡献者（60–72%），而生物质场景中，熟石灰运输与撒播（44%）、生物质与石灰石供应（51%）是主要排放源。

**3.2 其他影响类别**
通过比较16个影响类别的归一化结果，能源来源对大多数类别影响显著。生物质场景（A和B）在10个类别中（如酸化、淡水生态毒性、富营养化等）表现出最低总影响，但在土地利用类别中影响最高（>80%来自生物质种植）。基于GS的场景（A和C）在颗粒物、非致癌人类毒性、电离辐射、土地利用和水资源利用等5个类别中影响最低。归一化加权后，场景A、B、C获得负单分数（环境效益），场景D获得正单分数（净影响）。

**3.3 敏感性分析**
**3.3.1 CO₂去除效率**
假设地质储存CO₂泄漏5%（保守假设），场景A和C的ECDR分别下降至92%和89%，而场景B（pH平衡储存）效率不变，成为最有效方案。改变OL的CO₂摩尔去除比（从1.3至1.8 molCO₂ mol^-1Ca(OH)₂），所有场景ECDR变化小于5%，更高比率提升效率。

**3.3.2 电力排放因子与CO₂储存**
通过分析ECDR随电力排放因子变化，发现低排放因子（如25 gCO₂eq kWh^-1）下所有场景ECDR>95%。使用当前挪威电力组合（>90%可再生能源）时，场景C和D在多数类别中影响最低，表明挪威已具备部署优势。评估CO₂运输距离（冷藏船）对ECDR的影响，当距离超过3000 km时，场景B（pH平衡储存）效率超过场景A（GS）。

**讨论与结论**
研究讨论指出，ECDR（96%–85%）高于Foteinis等（2022）的OL结果（83%–82%），差异源于本研究中更高的CO₂摩尔去除比（1.6 vs 1.3）。能源来源对ECDR影响大于储存技术，生物质配置虽在气候变化上有利，但需大量专用林地（与食物生产竞争），限制规模化。pH平衡方法在输运距离大时是GS的有效替代，且其反应器控制环境便于监测、报告与验证（MRV），解决了OL中CO₂去除测量难的问题，但海洋生物多样性影响仍需研究。研究结论翻译如下：
比较四种通过OL去除大气CO₂的工艺配置，其二氧化碳去除效率（ECDR，即生命周期基础上净CO₂当量去除量与粗去除CO₂量之比）在可再生能源电力场景中为85–92%，在生物质气化场景中为93–96%。因此，工艺中所有材料与能源使用导致的碳惩罚并未削弱OL的可行性。ECDR受能源来源影响大于储存技术。基于可再生能源的电力组合和更高的去除率可实现更高ECDR。此外，电力来源的可持续性在提高ECDR方面比缩短与GS站点的距离更有效。然而，LCA显示可再生能源组合在气候变化与其他影响类别之间存在权衡，ECDR的提高伴随着对其他环境类别（如土地利用）的更大影响。