基于生命周期评价评估BECCS-生物炭系统作为混合负排放技术

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Evaluating BECCS–Biochar systems as hybrid negative emission technologies through life cycle assessment

　　

将生物炭生产（BC）与碳捕集与封存（CCS）相结合，提供了一条混合负排放途径，相较于单独的生物炭系统，该途径可能提高碳去除效果，同时保留地质封存的长期持久性。本研究评估了一种BC+CCS配置，该配置将一个350 kg/h的生物炭生产单元与一个10 MW的生物质发电厂相结合，并配备燃烧后单乙醇胺捕集和地质封存装置。该系统的创新之处在于，在单个设施内共置两条碳去除路径，从而能够利用热解挥发物，同时通过CCS捕集由此产生的CO₂排放。研究人员通过生命周期评价（LCA）评估了环境性能，同时使用气候效应值（CEV）评估了碳封存性能。在一致的生物质输入和碳捕集基础上，对单独BC、生物能源与碳捕集和封存（BECCS）以及BC+CCS进行了比较。敏感性分析考察了生物质分配至热解的比例和热解温度的影响。BC在短期内表现出较强的气候性能（30年时CEV=0.97），但在较长时间尺度上性能下降（1000年时CEV=0.32），而BECCS则保持了较高的长期性能（1000年时CEV=0.94）。BC+CCS表现出中等水平的长期持久性，同时保留了较强的近期封存能力。环境性能也对系统设计敏感：增加热解份额增强了生物炭的替代效益，但减少了电力替代；而产热型BECCS和BC+CCS降低了非气候影响，但代价是较低的CO₂减排能力。本研究表明，将生物炭生产与CCS相结合可提供一条可扩展的混合路径，平衡近期气候效益与长期持久性。

**论文解读：基于生命周期评价的BECCS-生物炭混合负排放技术评估**

**研究背景、问题与意义**

随着大气CO₂浓度持续攀升，全球变暖形势严峻，二氧化碳去除（CDR）技术成为应对气候变化的关键途径。生物质基CDR技术，如生物炭（BC）和生物能源与碳捕集和封存（BECCS），因其生物质来源广泛而备受关注。生物炭通过热解将生物质转化为稳定的碳质材料，施用于土壤后可实现固碳，并带来改善土壤健康、提高作物产量等协同效益。然而，生物炭的碳封存持久性相对有限，且热解过程本身会产生CO₂排放。BECCS技术通过燃烧生物质发电并捕集燃烧产生的CO₂进行地质封存，具有极高的长期固碳潜力，但面临生物质供应、土地竞争和能源安全等挑战。本研究旨在探索一种混合负排放技术路径，即生物炭生产与碳捕集和封存（BC+CCS）的集成系统，以协同利用两种技术的优势，旨在解决单独生物炭系统存在碳排放和持久性不足的问题，同时保留地质封存的高碳去除效率。

**主要技术方法**

研究人员采用系统集成建模方法，在MS Excel和MATLAB中基于文献数据和热力学方程构建了BC+CCS系统的能量、物质和碳平衡模型，并利用DWSIM软件对关键热力学计算进行交叉验证。随后，采用生命周期评价（LCA）方法，使用SimaPro软件，基于EF 3.0方法评估系统的环境绩效（以mPt为单位的单分数值）。此外，采用气候效应值（CEV）指标，基于碳泄漏模型，量化不同碳封存路径的长期气候修复效果。敏感性分析用于考察生物质分配到热解的比例和热解温度对系统性能的影响。系统设计基于一个“中尺度”配置：将350 kg/h的生物炭生产单元与一个10 MW的生物质发电厂（配备燃烧后单乙醇胺（MEA）捕集和地质封存）相结合，将生物质质量的10%分配至热解单元。

**研究结果**

1. **CO₂封存能力**：通过计算CEV值和模拟有无泄漏的碳封存量，评估了BC、BECCS和BC+CCS的持久性。结果表明，BC在30年短期水平上表现出高有效性（CEV=0.97），但长期（1000年）性能显著下降（CEV=0.32），归因于生物炭碳的逐渐衰变。BECCS在所有时间框架内均表现出高持久性（1000年CEV=0.94），表明地质泄漏的气候影响极小。BC+CCS路径表现出中等的长期性能，短期CEV值与BECCS相当，但长期略低。增加生物质热解比例会提高短期碳捕集量，但会降低长期持久性，导致在约61年后，固碳优势从热解密集型系统转向CCS密集型系统。

2. **生命周期评价结果**：基于相同生物质输入量的比较表明，BC+CCS和BECCS系统在气候变化类别上的表现优于BC系统，主要归因于CCS技术更高的碳封存效率和电力替代效益。然而，BC系统在光化学臭氧形成、臭氧消耗、颗粒物、人体毒性、酸化和富营养化等多个非气候类别上表现更优，这主要因为其避免了大规模生物质燃烧和CCS相关排放（如溶剂再生能耗、溶剂降解产物等）带来的环境负担。当将系统能量输出从电力改为热能时，BC+CCS和BECCS的环境负担显著降低，尽管CO₂减排潜力略有下降，原因在于欧盟地区电力来源相对清洁，而区域供热仍依赖化石燃料。

3. **敏感性分析**：对BC+CCS系统进行配置和温度敏感性分析。配置敏感性分析显示，增加热解比例会降低电力输出，从而减少替代电网电力的效益，导致气候变化影响增加。在产热系统中，热解主导配置与CCS主导配置在气候变化类别上表现相当，但总体环境影响更差。温度敏感性分析表明，在BC+CCS系统中，提高热解温度（从400°C到600°C）会改善气候变化得分，但并非由于生物炭固碳增加，而是因为更高温度下产生的更多非固体产物（生物油和合成气）被燃烧后通过CCS捕集，并将更多碳导向地质封存路径，同时提高能源含量和电力替代效益。

**结论与讨论**

本研究通过对BC+CCS混合负排放技术进行全面的生命周期评价和碳封存持久性分析，得出了以下结论：
1. BC+CCS系统通过协同整合生物炭生产和CCS，能够平衡近期气候效益与长期碳封存持久性。生物炭提供中短期稳定的土壤碳存储，而CCS提供强大的长期地质封存能力。
2. 系统设计需要在持久性、可实现封存量和生命周期影响之间进行权衡。项目时间框架是决定系统最优配置的关键因素。
3. 热解温度是系统设计的关键参数，它影响生物炭保留、CCS捕集和替代效益之间的平衡。最佳温度取决于系统性能是主要受长期碳存储主导还是更广泛的生命周期权衡主导。
4. 虽然单独BC系统在非气候影响类别上更环保，但其会浪费大量原料碳，因为热解将碳分流至非固体产物。BC+CCS为生物炭生产提供了一条更清洁的路径，同时保留了BECCS的关键优势，尤其是在碳去除性能和地质封存长期持久性方面。
5. 将系统能量输出从电力转向热能，可显著降低CCS系统的非气候环境影响，是可行策略。

**研究结论翻译**：将生物炭与碳捕集和封存相结合，可以通过协同利用现有的能量和物质流，增强生物质基碳去除的整体环境绩效。生物炭在土壤中提供相对稳健的中短期碳存储，而CCS提供更强的长期地质封存。因此，设计BC+CCS系统需要进行权衡分析，平衡持久性、可实现封存量以及更广泛的生命周期影响，并且必须仔细评估项目时间框架，以确保预期的碳存储持续时间能够以最小的潜在浪费实现。此外，温度敏感性分析表明，热解温度是一个关键设计参数，因为它改变了生物炭保留、CCS基捕集和替代效益之间的平衡。因此，最佳温度取决于系统性能是主要受长期碳存储主导还是更广泛的生命周期权衡主导。尽管单独的生物炭生产通常比CCS密集型系统更环保，但它可能会浪费相当一部分原料碳，因为热解将碳分流至合成气和生物油而非稳定的生物炭，从而限制了净CO₂封存量。然而，这些产品的可持续生产及其替代化石燃料的能力，进一步增强了单独BC系统在气候变化类别之外的环保效益。CCS相对较高的非气候变化影响可以通过将能量输出从电力转向热能来降低，尽管这会接受CO₂封存量的少量下降。这种缓解在很大程度上是由欧盟地区的情况驱动的，该地区电力相对低碳，而区域供热通常仍严重依赖化石燃料。总体而言，在生物炭生产本身是期望产出的应用中，BC+CCS系统可能成为BECCS的一种特定案例替代方案。在此类条件下，集成系统可以为生物炭生产提供一条更清洁的路径，同时保留BECCS的大多数关键优势，特别是其更强的碳去除性能和地质封存的长期持久性优势。