重型卡车上使用旋转填料床进行二氧化碳捕集的最优功率管理与控制

《Chemical Engineering Research and Design》：Optimum Power Management and Control of CO 2 Capture using Rotating Packed Beds in Heavy-Duty Trucks

　　

# 摘要

旋转填料床（RPB）通过缩小设备体积并实现车辆约束下的实际系统集成，使重型卡车上的胺基移动式车载碳捕集成为可能。对该自主闭环系统进行有效的能量管理对于满足功率需求至关重要。所提出的模型开发了鲁棒的功率管理策略（PMS）和基于控制的技术来确定最优配置。对适用能源源的关键选择，包括光伏（PV）面板、电池模块和交流发电机，结合烟气再循环，使能量回收和碳捕集与封存（CCS）系统内的集成成为可能。所提出的PMS集成了净功率流方法，而技术经济评估则基于混合优化方法。模型预测控制（MPC）技术被实施以在不确定性条件下调节系统行为。对重型和中重型卡车进行了对比研究。主要发现表明，采用锂离子电池的配置优于铅酸电池替代方案，总电池重量减少了约60%。光伏面板的集成，其平均峰值功率输出为6.86 kW，可满足系统日常电力需求的30%。PMS的实施表明每日电网充电成本为20.4欧元，同时保持相似的电池荷电状态曲线并增强电池长期健康状态。基于锂离子电池的平准化能源成本的最优结果表明重型卡车的成本为0.943欧元/千瓦时，从而使得该系统在经济上可行。中型和重型卡车捕集的CO2分别为12.57 kg CO2/100 km和11.89 kg CO2/100 km。这些见解突显了车载可再生能源发电、优化的电池存储和CCS系统集成的结合在提高重型运输的能源效率和可持续性方面的潜力。

# 引言

内燃机（ICE）的排气废气占释放到大气中的CO2排放量的很大一部分，直接导致全球变暖并降低空气质量。2023年，欧盟交通运输部门（通勤）的CO2排放达到9.08亿吨（不包括国际海运）（Carbon Trust, 2006），突显了道路运输对整体碳足迹的重大贡献。这强调了应对来自内燃机驱动车辆燃料燃烧排放的紧迫性，这些车辆仍然是全球货运和客运运输的支柱。

在重型车辆的移动碳捕集（MCC）领域，已探索的方法很少，主要基于金属有机框架（Pezzella等, 2023）、温变（TSA）（García-Mariaca等, 2024, Sharma和Maréchal, 2019）和变压吸附（PSA）（Li等, 2024）系统。这些技术的原理是直接从排气流中捕集CO2并暂时存储在车上，然后在专门的收集点卸载，如配备特殊设施的停车区域或加油站。这一运营概念旨在为捕集的CO2建立物流价值链（Hanson等, 2025），使其随后能够运输并在工业应用中利用或永久封存（Prousalis等, 2026），最终实现净零排放（Anjos等, 2022），如图1所示。然而，尽管在技术上可行，这些基于吸附的方法以巨大的能量需求为特征，无论是分离过程本身还是维持临时储存所需条件（García-Mariaca和Llera-Sastresa, 2023）。这在重型车辆的背景下造成了一个关键挑战，因为可用的能量资源有限，任何额外的功率消耗都会直接影响整体效率和燃油经济性。为应对这些限制，本研究调查了在车载上集成化学吸收过程以捕集CO2。对固定式CO2源的早期评估（Kantouros等, 2023）表明，基于吸收的系统可以实现令人满意的捕集率，同时提供更好的热集成潜力（Bravo等, 2021），使其成为MCC应用的有前景的替代方案（Wohlthan等, 2025）。

在固定式工业应用中，化学吸收在填料床中捕集CO2的中试规模实施（Navarrete Procopio等, 2023）已经证明了令人鼓舞的结果（Cheng等, 2013, Nessi等, 2021）。这些系统需要大量可用空间来容纳高大的吸收塔/柱和辅助设备（Damartzis等, 2014, Kiss等, 2019），这对移动应用构成了关键限制。TSA或PSA系统也基于使用柱体，同样存在类似的占地面积相关限制。为应对这一挑战，本工作探索了旋转填料床（RPB）吸收器在重型卡车上车载集成的使用，作为更广泛的MCC技术的一部分。RPB配置有助于过程强化，使高传质速率成为可能，同时占用比传统填料柱少10-15倍的体积（Kolawole, 2019, Xenitopoulos等, 2025），使其适合车辆部署。这一陈述在我们之前关于RPB在工业烟气源中使用的建模工作中得到进一步验证，其中可以设计一个2.6 m3填料的吸收器来捕集130 tn CO2/天（Kantouros等, 2025）。其他评估表明RPB可捕集高达274 tn CO2/天，表明与传统填料柱相比高度减少了70%（Carbon Clean, 2025）。后者表明RPB吸收器的体积与CO2捕集率之比很低，并首次支持了在紧凑型MCC系统中实施RPB CO2捕集。在此背景下，一个关键挑战在于固定式和移动式捕集系统之间的根本差异。虽然工业装置在开放能源供应框架内运行，可稳定获得电力、冷却水和其他公用事业，但车辆构成一个几乎封闭的能源系统，其中每项额外的功率需求都直接与推进和辅助需求竞争。

除了上述车载捕集研究之外，Saafi和Hamad（Saafi和Hamad, 2024）在考虑设备质量、CO2卸载和运输成本的情况下，检验了移动碳捕集的技术经济可行性。最近的RPB研究主要针对固定式应用，包括单元设计和运行条件的联合优化以及规模化和模块化的经济效应（Jung等, 2024a, Jung等, 2024b）。与此同时，为重型混合动力和燃料电池车辆开发了预测和基于控制的能量管理策略，但这些研究主要协调推进相关的能量流（Guo和An, 2025, Schulze等, 2023, Zhang等, 2026）。这些研究领域仍然 largely 不相关，因为结合车载RPB吸收、辅助能源尺寸设定以及车辆有效载荷、空间和能源自主约束的集成框架尚未建立。

在内燃机排气中将基于吸收的RPB单元集成到车辆中以捕集CO2是一个在国际文献中没有先前发表的研究领域。当分析扩展到超越捕集过程而到在严格的车载约束下管理其能量需求时（Cai等, 2009），挑战变得更加显著。在代表车辆应用操作条件的情况下解决这一问题构成了本研究的核心贡献。为了满足现有脱碳立法的要求以及与国际气候指令保持一致的需要（联合国, 2015），显然有必要开发一个紧凑型车载CO2捕集系统。这样的系统能够集成到内燃机驱动的卡车上，实时捕集排放的CO2，从而大幅减少道路运输部门的碳足迹。然而，很快就发现仅靠技术经济评估不足以评估其有效性。如果没有模拟真实条件下的动态运行，过程监督将不完整，结论也不可靠（Luo等, 2021）。因此，本工作开发了一个整体框架，用于设计以及在重型车辆中集成基于RPB的捕集系统。该框架还评估了相关能量管理系统在可变条件下的操作响应。目标是双重的：（a）确定能够覆盖全部能量需求谱的合适子系统组合，以及（b）开发使用可用车载能源源对捕集单元进行操作优化的功能模型。本研究旨在回答这样一个问题：移动CO2捕集系统如何高效运行，同时保持完全自主并无缝集成在移动车辆中。

先前的陆地车辆碳捕集研究主要检验了基于吸附的系统、单独的工艺配置或独立的技术经济可行性，而RPB研究则主要针对固定式工业捕集应用。同时，车辆能量管理研究主要集中在推进导向的混合动力传动系统上。在陆地车辆中实施RPB捕集系统及其与其专用辅助能源架构的集成设计和运营方面存在空白，特别是在车载质量、空间、有效载荷和能源自主约束下。本研究通过结合经过验证的RPB过程建模、排气热回收、能源系统尺寸设定、技术经济优化和监督管理控制在一个框架内来填补这一空白。

所提出的框架与现有车载CO2捕集方法相比的具体贡献总结如下。首先，将RPB吸收器集成到完全由内燃机驱动的重型卡车中，提供适合严格车载空间约束的紧凑捕集配置。其次，通过印刷电路换热器（PCHE）回收发动机排气废热以减少残余再沸器热负荷（Kim和No, 2012）。第三，本研究探索了一种混合能源管理架构，将传统车载资源（交流发电机、铅酸或锂离子电池）与通过车顶安装的光伏（PV）面板的可持续能源集成相结合，目标是在封闭的移动环境中实现自主性。所有这些子系统都专门引入以支持车载碳捕集操作。另一项创新是部署多层级功率管理策略（PMS），从基于规则的方法（Giannakoudis等, 2010, Ipsakis等, 2009）到基于优化的方法（Aletras等, 2024）和基于控制的方法（Abdul Manaf等, 2019），允许对不同方法论进行比较评估，并提供从设计到运营在现实变异性下的结构化进展。本工作还将操作优化与资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）联系起来，以评估系统可行性。这些贡献共同将本研究定位为对紧凑型CO2捕集与封存系统在重型卡车中技术和经济可行性的全面探索。该框架为可规模化的可持续道路运输解决方案提供了基础，实现近零排放，建立了在车辆自主约束下集成和运营基于RPB的移动碳捕集的可重复框架。

## 章节片段

### 所提出方法论的主要阶段

总体建模和优化框架遵循一个结构化的多阶段过程，如图2所示。首先，对完整的能源系统进行映射和建模，重点是识别现有车辆的可用能源源以及额外能源源的添加，并评估其在车载MCC系统中的集成潜力。基于此评估，测试和比较了两种替代PMS。提供最佳性能的Power management strategiesIntegrating an on-board CO2 capture system substantially modifies the truck's auxiliary energy balance. Suitable PMS are therefore required to coordinate the available sources and capture system loads (Fig. 2). Instead of relying solely on storing excess energy in the battery system, the adopted strategies follow a net power approach, aiming to balance energy supply and demand in real time. The two strategies presented here are derived through an extensive analysis of the anticipated system'sCase study assumptionsThe system is configured for integration into a heavy-duty truck, following a long-haul transportation profile between Thessaloniki and Athens (Greece), where operating variability is comparatively low. The selected vehicle has an unladen weight of ?????????? = 13,600 kg and a gross vehicle weight (??????) capacity of up to 40,800 kg (Jo et al., 2023), adopting a conservative approach to avoid exceeding operational limits. The available roof area for potential PV installation is estimated at 25 m2, based Preliminary assessment and system characterizationSection 5.1 presents a preliminary system assessment to understand its energy requirements, the effects of weight, as well as the PMS and battery type that are most appropriate. In all investigated cases we use the fixed carbon capture system structure of Table 1.

功率管理策略

将车载CO2捕集系统集成会实质性地改变卡车的辅助能源平衡。因此，需要合适的PMS来协调可用能源源和捕集系统负载（图2）。所采用的策略不单纯依赖将多余能量存储在电池系统中，而是遵循净功率方法，旨在实时平衡能源供应与需求。本文提出的两种策略是通过对所预期系统的大量分析得出的，Case study assumptionsThe system is configured for integration into a heavy-duty truck, following a long-haul transportation profile between Thessaloniki and Athens (Greece), where operating variability is comparatively low. The selected vehicle has an unladen weight of ?????????? = 13,600 kg and a gross vehicle weight (??????) capacity of up to 40,800 kg (Jo et al., 2023), adopting a conservative approach to avoid exceeding operational limits. The available roof area for potential PV installation is estimated at 25 m2, based Preliminary assessment and system characterizationSection 5.1 presents a preliminary system assessment to understand its energy requirements, the effects of weight, as well as the PMS and battery type that are most appropriate. In all investigated cases we use the fixed carbon capture system structure of Table 1.

案例研究假设

该系统配置为集成到重型卡车上，遵循希腊塞萨洛尼基和阿迪之间长途运输的工况，其运行变异性相对较低。所选车辆的空载重量为?????????? = 13,600 kg，最大总重（??????）容量达40,800 kg（Jo等, 2023），采用保守方法以避免超出运行限制。用于潜在PV安装的可用车顶面积估计为25 m2，基于Preliminary assessment and system characterizationSection 5.1 presents a preliminary system assessment to understand its energy requirements, the effects of weight, as well as the PMS and battery type that are most appropriate. In all investigated cases we use the fixed carbon capture system structure of Table 1.

初步评估与系统表征

第5.1节提出了初步系统评估，以了解其能量需求、重量的影响，以及最合适的PMS和电池类型。在所有研究案例中，我们使用表1中固定的碳捕集系统结构。

5.1 节的见解随后用于 5.2 节，在该节中对碳捕获和能源管理系统进行了集成和优化。

结论

对重型卡车的分析表明，车载 CO2 捕获和临时存储系统的集成在能源管理、存储容量和系统优化方面带来了重大挑战，尽管仅考虑了具有聚合可变性的准稳态行为，而非详细的瞬态效应。结果表明，最大化系统效率需要仔细设计能源子系统，包括电池容量、光伏

CRediT 作者贡献声明

Konstantinos Parissis：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析。
Babis Kantouros：撰写 – 初稿，验证，软件，方法论，调查，形式化分析。
Theodosis Kaplanidis：验证，软件，方法论，调查，形式化分析。
Ioannis Pekopoulos-Tsikardanis：验证，软件，调查。
Athanasios I. Papadopoulos：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，资金

利益冲突声明

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。

Konstantinos Parissis|Babis Kantouros|Theodosis Kaplanidis|Ioannis Pekopoulos-Tsikardanis|Athanasios I. Papadopoulos|Panos Seferlis
塞萨洛尼基亚里士多德大学机械工程系，希腊塞萨洛尼基 54124