综述：面向运输部门的车载二氧化碳捕集：技术、系统集成及特定部门可行性的综合综述

《Fuel》：Onboard CO 2 capture for the transport sector: A comprehensive review of technologies, system integration, and sector-specific feasibility

　　

摘要交通运输部门仍然是全球二氧化碳排放的主要贡献者。对于现有的移动资产，如重型车辆、海运船只和飞机，当前的脱碳选择仍然有限。车载二氧化碳捕集已成为一种在排放产生点直接减少排放的潜在策略。本综述通过整合捕集方法、二氧化碳储存和处理策略、处置途径以及基于技术层面、系统层面和经济性能指标的统合评估框架，对车载二氧化碳捕集技术进行了全面且面向应用的评估。分析表明，虽然几种捕集技术在理想条件下可以实现超过 90% 的高二氧化碳捕集效率，但其实际实施主要受系统层面因素的制约。余热整合、车载储存要求和操作限制使得在现实操作条件下可实现的捕集性能降低至约 20–30%。在技术层面，化学吸收仍然是最成熟和高效的方法，而基于吸附的系统由于其灵活性和与循环操作的兼容性，在系统层面约束下提供了最平衡的性能。热驱动系统通过有效利用排气余热提供了优越的整合潜力，但电驱动系统受限于更高的能源需求。二氧化碳储存和处理被确定为关键瓶颈，因为压缩和液化储存需要显著的能源、体积和成本代价。特定部门的分析表明，车载二氧化碳捕集在海运和重型运输应用中最为可行，而航空业仍受限于严重的质量和能源限制。

引言在全球能源系统中，交通运输部门是人类二氧化碳 (CO2) 排放最持久且最具结构性挑战的来源之一 [1]。这一挑战不仅反映在该部门当前的排放份额上，也反映在预测的长期趋势中，该趋势表明能源需求及相关排放将持续增长 [2]。交通运输占全球二氧化碳排放的 24%；根据当前趋势，到 2050 年，与该部门相关的能源使用和二氧化碳排放量预计将增加 80% 以上 [3]。这种轨迹表明，如果没有额外的系统层面干预，诸如提高效率和使用燃料替代等增量措施不太可能在部门规模上实现绝对减排。交通运输排放的一个定义特征是它们在不同模式和车辆类别间表现出明显的异质性，这对减排优先级排序和技术选择有直接影响。重型道路车辆 (HDVs)，包括高载重和长运行时间的卡车和公交车，仅占全球车队总数的 2–3%，却贡献了约 20–25% 的道路交通二氧化碳排放，正如重型运输系统层面评估中所报告的那样 [4], [5]。生命周期评估研究进一步表明，与重型车辆相关的温室气体排放中有超过 90% 产生于运行阶段，这意味着仅靠燃料生产脱碳等上游措施不足以大幅减少其气候影响 [6]。这种主导地位与货运需求密切相关，因为道路货运约占全球货运活动的 30%，而重型车辆承担了其中近 75% 的运输工作量 [7]。因此，即使在效率提高和新兴低碳技术存在的背景下，高利用率和持续的货运需求继续锁定重型车辆的大量运行排放 [7]。这些特征突显了交通运输排放如何结构性地嵌入基本的流动性和物流服务中，这种模式超出了道路运输的范围，延伸至其他主要交通方式。

海运运输部门具有类似的结构性挑战，它支撑了全球大部分货运活动，并且仍然严重依赖高碳燃料 [8]。尽管对替代能源载体的兴趣日益增长，但全球船队仍然主要依赖船用柴油 (MDO) 和重油 (HFO)，其高碳含量直接转化为船舶运营产生的持续温室气体排放 [9]。随着过去几十年国际贸易量的扩大，活跃船只数量和总航运活动相应增加，导致行业整体排放持续上升 [8]。国际海事组织 (IMO) 的定量评估表明，全球航运相关的二氧化碳排放从 2008 年的 7.94 亿吨增加到 2018 年的约 10.76 亿吨，对应于该期间的年均增长率略高于 3% [10]。因此，到 2010 年代末，海运占全球人为二氧化碳排放总量的约 2.6–2.9%，使其成为最大的单独交通运输排放源之一 [10]。前瞻性情景进一步表明，如果没有超出效率提高和燃料替代之外的减排措施，到本世纪中叶，航运年度排放量可能会上升到约 16 亿吨二氧化碳，这主要由全球贸易需求的持续增长所驱动 [11]。

为了应对这些趋势，IMO 逐步加强了其航运脱碳的监管框架。2023 年 IMO 温室气体战略的通过正式确定了全行业目标，包括到 2030 年温室气体排放至少减少 20%，力争减少 30%，到 2040 年减少 70%，同时追求到 2050 年实现净零排放 [8]。然而，系统层面评估始终强调，船舶的长运行寿命和船队更新固有的缓慢速度限制了低碳技术渗透全球船队的速度 [12]。因此，即使在监管要求日益严格的情况下，在向本世纪中叶气候目标过渡期间，预计仍将持续存在大量残余二氧化碳排放 [8]。综上所述，这些特征突显了海运系统的规模和惯性与所需减排速度之间的基本张力。这种张力突显了评估能够在过渡期内解决船舶排放的二氧化碳捕集系统的必要性，同时也要配合旨在转变海洋能源和推进系统的长期战略 [12]。

航空业构成了交通运输相关二氧化碳 (CO2) 排放中较小但特别受限的部分。最近的系统层面分析表明，商业航空在 2019 年排放了约 9.15 亿吨二氧化碳，约占全球人为二氧化碳排放的 2% [1]。排放高度集中在长途运营中，最大起飞质量超过 45 吨且航段长度超过 5,000–6,500 公里的飞机占总航空排放量的约 60%，尽管它们仅代表总航班量的一小部分 [13]。航空脱碳研究报告称，全球航空交通需求预计将以每年约 4.3–4.6% 的速度增长，延续了 COVID-19 大流行前观察到的长期增长趋势 [14]。在这种增长率下，客运周转量的增长预计将显著快于效率提高，加强了航空相关二氧化碳排放在本世纪中叶减排情景下的持续性 [1], [15]。图 1 展示了在可持续发展导向的过渡路径下，全球交通运输相关二氧化碳排放跨主要模式的长期演变，突出了不同交通细分市场减少化石燃料依赖速度的不均匀性。

至于交通模式，效率提高和燃料转换已被广泛推广为主要脱碳策略。然而，跨道路货运、海运和航空的分析一致表明，这些措施在应用于现有移动资产时面临根本性限制。在重型道路运输中，生命周期评估研究表明，温室气体排放主要由运行阶段主导，占重型车辆 (HDVs) 总排放量的 90% 以上 [5]。虽然增量效率提高减少了燃料消耗，但货运车辆的高利用率、载重要求和长运行时间特征限制了进一步的收益。燃料转换选项，包括低碳燃料和电动传动系统，在长途应用中仍然受限于能量密度、基础设施可用性和成本，导致在役船队的大量排放未得到充分解决 [5], [7]。

在海运部门，诸如船体优化、慢速航行和操作改进等效率措施降低了排放强度，但并未带来部门层面的绝对减排。系统层面评估显示，航运活动仍然与全球贸易增长紧密耦合，而燃料转换面临与燃料储存要求、安全考量以及缺乏全球统一的替代燃料补给基础设施相关的额外障碍 [8], [12]。鉴于船舶的使用寿命长且船队更新缓慢，这些限制削弱了效率提高和燃料替代作为现有船队独立减排策略的有效性 [8]。

航空业表现出更严格的限制。2005 年至 2017 年间，技术和操作进步将每客公里燃料消耗减少了约 24% [17]。然而，情景分析表明，进一步的效率收益预计有限，到 2030 年总改进不太可能超过相对于 2005 年水平的 30%，这仍然不足以使该部门与净零排放轨迹保持一致 [1], [18], [19]。这反映了传统飞机架构的成熟度以及关键性能参数接近热力学和气动力极限。燃料替代面临同样根本性的限制。在近中期，可持续航空燃料 (SAF) 代表唯一经过认证的、与现有飞机船队和燃料基础设施兼容的即用型替代方案 [20]。然而，SAF 的部署受到 10–50% 认证混合比例的限制，具体取决于生产路径 [1]。技术经济性和生命周期分析进一步表明，预计的 SAF 供应仍然不足以应对 2030 年代之后的预期航空燃料需求，即使在乐观的部署情景下也是如此 [15], [20]。虽然诸如氢或电池电动飞机等替代推进概念正在积极开发中，但其适用性目前仅限于短程或未来飞机设计，并不能解决现有长途船队的排放问题 [1], [15]。

综上所述，这些发现表明，虽然效率提高和燃料转换是交通运输脱碳的必要组成部分，但它们本身不足以实现现有移动资产的深度和及时减排。这种限制促使人们考虑采用补充方法来应对过渡期间的残余排放。碳捕集与封存 (CCS) 主要是为大型固定点源开发的，例如电厂和工业设施，在这些地方二氧化碳排放集中，操作条件相对稳定。在这样的环境中，捕集系统可以与固定基础设施和专用运输及储存网络整合，使得 CCS 在规模上具有技术和经济可行性。相比之下，交通运输部门的排放是空间分布的、时间可变的，并且与移动资产的运营内在关联，这限制了传统点源 CCS 方法的直接适用性 [8]。

在道路货运、海运和航空中，排放沿着延伸的路线和跨越国际边界释放，一旦废气分散到大气中，集中捕集就不切实际。虽然在燃料生产期间应用的上游 CCS 可以减少井口到油箱的排放，但生命周期评估一致显示，在所有三种交通方式中，在役车辆和船舶的运行排放主导了总温室气体影响 [1], [5], [8]。这在上游减排措施与实际产生排放的点之间造成了结构性差距。

车载二氧化碳捕集的合理性直接源于这种不匹配。通过在排放产生点针对排放，车载捕集概念旨在解决那些在近中期无法快速更换或完全脱碳的移动资产的残余排放。在海运部门，系统层面评估明确讨论将车载捕集作为减少将在数十年内继续运营的船舶排放的潜在选项，鉴于船舶寿命长且船队更替缓慢 [8], [12]。类似的动机支撑了重型车辆移动碳捕集系统的研究，在那里集中捕集不可行，且运行排放占生命周期影响的大多数 [5], [7], [8]。

在交通运输脱碳文献中，车载二氧化碳捕集指的是直接集成到移动平台中的碳捕集过程，该平台在车辆或船舶运行期间操作，在二氧化碳释放到大气之前将其拦截 [8]。这一概念的出现特别是因为传统点源碳捕集与封存 (CCS) 依赖固定基础设施和稳定废气流，不适合在高度可变的操作条件下由移动资产产生的排放。因此，车载二氧化碳捕集构成了一个独特的减排类别，其定义并非基于单一技术，而是基于捕集必须发生在交通平台本身这一约束 [8]。

基于二氧化碳捕集和随后管理的地点和方式，现有研究就三种车载二氧化碳捕集选项达成了一致 [8]。第一种是车载燃烧后捕集，其中二氧化碳直接从车载燃烧过程产生的废气中分离出来 [5], [8]。

该选项在重型道路运输和海事应用中受到了最多的研究关注，在这些应用中，运营排放主导了生命周期影响 [5], [8]。在此选项中，研究了一系列捕获技术，包括化学吸收、在温度变换或压力/真空变换循环下运行的固体吸附系统（TSA、PSA、VSA）、膜分离和低温分离 [5], [7], [8], [12]。这些技术在成熟度、能源需求和集成复杂性方面存在显著差异，但都面临着在移动平台上受空间、质量和可用能源严格约束的共同挑战 [5], [7], [8], [12]。第二个选项是在移动平台上进行直接空气捕获，即从环境空气中去除二氧化碳，而不是从集中的排气流中去除。虽然这种方法的动机是减轻与交通相关的排放，但由于空气中二氧化碳浓度极低，其运行的热力学条件根本不同 [1]。因此，移动平台的直接空气捕获概念比燃烧后捕获面临高得多的能源和系统集成挑战 [1]。第三个选项包括混合捕获 - 利用概念，其中车载二氧化碳捕获与下游利用途径耦合，而不仅仅是与储存耦合 [7], [8]。此类概念通常在概念或系统分析层面进行探索，并经常涉及与燃料合成或能源转换过程的集成 [7]。虽然混合方法在某些情况下可能减少车载二氧化碳储存的需求，但它们增加了额外的系统复杂性和能源需求，这在真实的移动操作条件下仍然是主要障碍 [7], [8]。

在车载二氧化碳捕获与封存（OCCS）系统的背景下，众多研究从不同角度对其进行了调查，每个研究都专注于问题的特定方面。Risso 等人 [21] 提供了海事部门碳捕获与封存（CCS）技术的概述，其中根据不同标准（如能源需求和捕获性能）评估了不同技术。这些评估标准与二氧化碳储存考虑因素一起，在国际海事组织（IMO）监管框架的背景下被考虑。Kim 等人 [22] 对船舶捕获技术进行了多标准筛选，以突出其在改造和新建船舶场景下的相对性能。

其他综述更具体地侧重于材料和工艺方面。Pancione 等人 [23] 考察了燃烧后二氧化碳捕获技术，特别关注基于吸附的系统，并确定变温吸附（TSA）是海事应用的有前景的选项。这归功于其相对较高的二氧化碳容量和选择性，以及对水分的耐受性、热稳定性和在海洋条件下的有效运行。Yi 等人 [24] 提出了一个海事应用 OCCS 系统的综合框架，将捕获、再生、分离和储存过程与技术经济因素和生命周期性能相结合。Ramezani 等人 [25] 专注于中空纤维膜技术，特别强调膜材料。这项研究是技术导向的，没有具体关注车载系统的适用性。Hua 等人 [26] 提供了航运业 CCS 技术研究进展的综述，涵盖了各种二氧化碳捕获方法、二氧化碳运输和储存途径，包括地质封存和海洋封存。Ahmed 等人 [27] 提出了海事应用车载碳捕获与封存（OCCS）技术的综合综述，包括燃烧前、富氧燃烧和燃烧后捕获技术，以及二氧化碳储存选项。该研究确定了船舶上 OCCS 系统的几个实施挑战，并强调化学吸收是新建和改造船舶最有前途的方法。

尽管之前的综述研究做出了宝贵贡献，但仍有几个重要方面尚未得到充分解决。大多数现有综述主要关注捕获技术及其性能，对捕获二氧化碳的下游管理关注有限。特别是，捕获二氧化碳的处理和处置，包括车载储存、卸载物流和替代处置途径，尚未在移动应用的背景下进行系统分析。

此外，先前的研究普遍缺乏统一的评估框架，以区分技术层面的性能、系统层面的可行性和经济可行性。针对这些局限性，本综述引入了一个结构化框架，将二氧化碳处置途径和处理策略与涵盖技术、系统和经济层面方面的综合性能评估指标集相结合。分析进一步扩大，以包括跨多个交通部门的应用特定考虑因素。虽然先前的研究主要集中在海事应用上，但本综述将范围扩大到包括重型车辆和航空系统中的车载二氧化碳捕获。可用技术使用一致的指标集进行评估，从而能够更全面、面向应用地评估车载二氧化碳捕获系统。这种方法使得能够对车载二氧化碳捕获系统进行全面、面向应用的评估，突出可行性约束并确定实际部署的途径。

本综述的结构如图 2 所示，旨在逐步解决车载二氧化碳捕获系统的关键方面。它首先介绍了适用于车载系统的基本二氧化碳捕获技术，包括吸收、吸附、膜分离和低温过程。随后详细讨论了二氧化碳储存、处理和处置途径，特别强调车载约束和卸载物流。然后，引入一个结构化的性能评估框架，涵盖技术层面、系统层面和经济指标。基于该框架，分析了车载二氧化碳捕获在不同交通部门的应用，包括海事、重型车辆和航空系统。最后，综述总结了主要研究结果并确定了未来的研究方向。

章节片段

二氧化碳捕获方法

有几种方法可从气流中捕获二氧化碳，包括吸收、吸附、膜分离和低温分离。本节详细介绍了二氧化碳捕获技术，并提出了燃烧后二氧化碳捕获应用的最新文献。

车载二氧化碳存储、处理和利用

车载二氧化碳捕获（OCC）研究侧重于分离方法，但捕获二氧化碳的存储和管理仍然是移动应用的主要障碍。移动平台与永久性 CCS 系统不同，对二氧化碳存储有严格的限制，包括体积、质量、安全、运营连续性和监管合规性 [27]。因此，无论捕获效率如何，所使用的存储技术通常决定了一个 OCC 概念在实际中是否可行。本节讨论了二氧化碳

车载系统的二氧化碳处置

对于固定的工业二氧化碳来源，最先进的技术是在深层咸水层和枯竭的油藏中地质处置，自 1996 年以来斯勒普纳（Sleipner）已展示了商业规模的部署 [100], [101]。玄武岩中的矿物碳化在两年内在试点规模上实现了超过 95% 的矿化 [102]。然而，移动排放源，如海事运输和飞机，提出了固定的处置解决方案无法解决的根本不同挑战。

车载二氧化碳捕获系统评估

在移动平台上实施的车载二氧化碳捕获技术的性能无法使用单一指标或直接从固定碳捕获应用中采用的评估标准来充分评估。车载系统在根本不同的约束下运行，包括严格的质量和体积限制、瞬态操作概况以及捕获过程与推进系统之间的强耦合。因此，性能权衡可能

车载二氧化碳捕获应用

基于前一节开发的性能指标和评估框架，下一节评估了车载二氧化碳捕获系统在不同交通部门的适用性。特别是，本节回顾了已在试点规模开发或在文献中广泛研究的二氧化碳捕获系统，涵盖了包括海事、航空和道路运输系统在内的各种应用。

安全和法规考虑

由于车载 CCU/OCCS 依赖于二氧化碳调质和储存，它实际上将船舶变成了二氧化碳处理厂，使其受到严格的海事安全法规和压力容器类型风险（高压和低温）的约束。例如，一种基于船舶的概念使用 5-15°C 范围内的海水冷却，将捕获的二氧化碳压缩至 7-10 MPa 并冷却至 -40°C 以下，以储存在高压低温罐中 [93]。这些条件需要强 containment

车载碳捕获系统的实际限制和部署挑战

车载碳捕获与利用（CCU）系统面临一系列技术、运营、法规和基础设施相关的挑战，限制了其在海事或车辆应用中的大规模部署。除了捕获效率外，车载 CCU 系统的整体有效性必须从更广泛的系统角度进行评估，包括与二氧化碳调质、储存、运输以及最终利用或处置途径相关的排放。这些因素可能

结论

本综述的研究结果表明，车载二氧化碳捕获系统的成功部署较少取决于实现高捕获效率，而更多取决于克服与能源集成、储存、可操作性和支持基础设施相关的实际约束。虽然几种捕获技术在受控条件下表现出较高的二氧化碳去除效率，但其在现实世界中的实施仍然强烈受废热可用性、车载

关于稿件准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用 ChatGPT (OpenAI) 辅助生成选定的示意图。作者根据需要审查和编辑了所有生成的内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

CRediT 作者贡献声明

哈立德·埃尔塞尔菲：写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。穆罕默德·祖拜尔·沙希德：写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。穆罕默德·哈姆迪：写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。姆哈迪·A·伊斯梅尔：写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。阿拉·M·哈德尔：写作 - 初稿，方法论，调查，概念化。穆罕默德·埃尔 - 阿达维：写作 - 初稿，

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢通过 IN26081 项目号的研究生院从法赫德国王石油与矿产大学（KFUPM）获得的支持。

哈立德·埃尔塞尔菲 | 穆罕默德·祖拜尔·沙希德 | 穆罕默德·哈姆迪 | 姆哈迪·A·伊斯梅尔 | 阿拉·M·哈德尔 | 穆罕默德·埃尔 - 阿达维 | 梅德哈特·A·尼米塔拉

法赫德国王石油与矿产大学氢技术与碳管理跨学科研究中心，沙特阿拉伯达兰 31261