电化学直接海洋捕集方法的生命周期评估：范围1–3的碳核算及供应链热点问题

《Sustainable Production and Consumption》：Life cycle assessment of electrochemical direct ocean capture: scope 1–3 carbon accounting and supply chain hotspots

　　摘要
直接海洋捕集（DOC）避免了与陆地使用的竞争，并利用了广阔的海洋储存能力，相较于直接空气捕集和生物能源等陆地碳去除方法具有明显优势。与仅关注实验室规模单元过程性能的传统研究不同，本研究对基于双极膜电渗析（BPMED）的DOC系统进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）。研究整合了Ecoinvent v3.8、GREET数据库、LCI代理指标以及Net Zero 2050电网预测数据，以计算范围1-3的排放量。在当前电网条件下（0.69 kgCO2eq/kWh），该系统实现了每年?6.55 ktCO2eq的总体范围1碳去除量（假设空气-海水完全重新平衡），但总排放量为31.78 ktCO2eq（范围2：25.24 ktCO2eq；范围3：6.54 ktCO2eq），从而产生每年25.23 ktCO2eq的净正余额（每捕获1 kgCO2产生的排放量为3.85 kgCO2eq）。选定的范围3类别排放量大致抵消了总的去除量，其中镀铂钛电极是最大的单一贡献因素（2.84 ktCO2eq/年；占总范围3排放量的43.4%和类别1排放量的95.30%）。敏感性分析表明，电机效率和电极耐用性分别可使净排放量变化高达15.03%和4.22%。在Net Zero 2050情景下，电网脱碳（0.06 kgCO2eq/kWh；?91.30%）将净排放量降至2.12 ktCO2eq/年，净负概率从0.01%提高到1.23%。这些发现表明，虽然电网脱碳可以减轻范围2的负担，但通过低碳电极制造和延长电极耐用性实现范围3的脱碳对于电化学DOC实现净负碳去除至关重要。

引言
自《巴黎协定》通过以来，全球气候变化缓解的核心目标是将全球平均气温升幅限制在比工业化前水平高出2°C以下，并努力将升温控制在1.5°C以内（Gao等人，2017年）。实现这一目标需要快速、深入且持续地减少温室气体（GHG）排放，并长期实现净零排放，即人为排放与相应去除量达到平衡（Deutch，2020年）。然而，完全消除所有排放源在技术和经济上仍具有挑战性。特别是来自钢铁和水泥生产等工业部门的难以减少的残余排放（Edelenbosch等人，2024年）预计即使在经过广泛的工艺改革、效率提升和燃料转换后也会持续存在。因此，二氧化碳去除（CDR）（Terlouw等人，2021年）受到了越来越多的关注，它不是作为直接减排的替代方案，而是一种补充策略，用于抵消残余排放并促进通往净零排放及之后的长期气候稳定。

负排放技术（NETs）通过从大气或海洋中去除二氧化碳从而产生净负排放，已成为气候缓解组合的重要组成部分（Jeswani等人，2022年；Deng等人，2024年）。代表性的NETs包括带有碳捕获和储存的直接空气捕集（DACCS）、带有碳捕获和储存的生物能源（BECCS）、生物炭以及基于海洋的CDR方法（Cobo等人，2026年）。这些技术在碳去除潜力、储存耐用性、能源和资源需求、可扩展性以及潜在的环境副作用方面存在显著差异（Sanchez等人，2024年）。其中，基于海洋的CDR最近受到了更多关注，因为海洋作为一个碳储存库，其规模远大于大气，并通过空气-海水碳交换自然调节大气中的二氧化碳浓度（Lee等人，2026年）。海洋在全球碳循环中的这一固有作用使其成为一个有前景的碳去除平台，尽管存在复杂性。

在基于海洋的CDR方法中，直接海洋捕集（DOC）旨在从海水中去除溶解无机碳（DIC）或恢复海水的二氧化碳吸收能力，从而进一步减少大气中的二氧化碳（Lieber等人，2026年；Marquez等人，2026年）。DOC可以利用电化学和物理化学原理实现，例如pH值摆动过程和双极膜电渗析（BPMED）（Al Yafiee等人，2024年）。处理后的海水可以重新排放回海洋，随后的空气-海水重新平衡可能促进进一步的二氧化碳吸收（Hurd等人，2024年；Kim等人，2025年）。最近关于电化学直接海洋捕集（eDOC）的研究（Aleta等人，2023年；Zhang等人，2025年；Li等人，2025年）表明，DOC利用海洋的巨大碳储存能力具有成为有前景的NETs的潜力。同时，这些研究也指出了与电力消耗、膜性能、电极稳定性和整体过程效率相关的一些技术挑战（Digdaya等人，2020年；Almajed等人，2026年；Karunarathne等人，2025年）。然而，在DOC过程中捕获或释放的二氧化碳量并不直接对应于实际从气候系统中去除的碳净量。实验室规模的指标，如二氧化碳去除能力、电流效率和每单位二氧化碳去除的能耗，有助于评估过程级别的性能，但不足以确定DOC是否能够实现真正的净负排放（Terlouw等人，2021年；Delval等人，2025年）。DOC的实际气候缓解效益取决于所去除的碳是否能被持久储存，以及发电、材料生产、维护和寿命终结过程中的排放量在多大程度上抵消了系统所实现的总体去除量。因此，DOC的环境评估必须超越单元过程级别的捕获性能，从生命周期的角度考虑净二氧化碳去除量及其相关的环境负担。

以往关于DOC的研究主要集中在过程效率、能耗、技术经济可行性和实验室规模的碳去除性能（Digdaya等人，2020年），而对电化学DOC的全面从摇篮到坟墓的评估仍然有限。特别是，总体二氧化碳去除量被电力消耗、设备制造、材料替换和储存所抵消的程度尚未系统地量化。这一差距对于基于BPMED的DOC尤为重要，因为其电化学性能与膜和贵金属涂层电极等材料密集型组件密切相关。为解决这一差距，本研究使用基于范围的碳核算框架对基于BPMED的电化学DOC系统进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估。与传统的过程级别评估不同，本研究通过明确考虑范围1、2和选定的范围3的总体碳去除量和生命周期温室气体排放量来评估DOC的净气候效益。具体而言，本研究做出了三个主要贡献：（1）通过考虑范围1、2和选定的范围3的总体碳去除量和生命周期温室气体排放量来量化DOC的净气候效益；（2）识别主要的排放热点和控制生命周期碳平衡的关键操作参数；（3）在Net Zero 2050电力情景下评估DOC的性能，以确定仅靠电网脱碳是否能够实现净负运行，并识别剩余的供应链限制。这些分析共同明确了基于BPMED的DOC实现净负碳去除所需的条件。

目标与范围定义
本研究的目标是通过评估其整个价值链上的温室气体排放量，量化所提出的DOC系统的实际净二氧化碳去除潜力。功能单位定义为DOC系统从海水中提取并永久储存在地质储存中的1 kg二氧化碳。相应于这一功能单位的参考流量是商业规模DOC工厂的年运行量（880 kgCO2/h，容量因子为85%）。

图2展示了两种不同配置的DOC过程商业化后的环境排放比较评估：与现有海水淡化厂集成在一起的系统和独立系统。DOC工厂的预期二氧化碳捕获能力为880 kg/h。应用85%的工厂容量因子，该系统实现了每年?6.55 ktCO2eq的碳捕获量。由于这一过程直接从海水中去除溶解碳，因此...

讨论
将我们的发现置于更广泛的CDR背景下，揭示了电化学DOC所面临的双重脱碳瓶颈。先前的生命周期评估表明，已建立的工程化CDR路径，包括固体吸附剂直接空气捕集和储存（DACCS）（Terlouw等人，2021年）和基于ikaite的海洋碱度增强（OAE）（Katish等人，2026年），能够实现净负温室气体排放，但其环境性能仍存在...

局限性
虽然本研究为eDOC部署提供了全面的LCA框架，但仍需承认几个方法论和结构上的局限性：
1. 将实验室规模单元的库存数据扩展到商业规模设施时，假设流体动力学和组件寿命呈线性扩展。工业规模部署可能会引入非线性损失机制，如电流分布不均、浓度极化和水压下降。
2. 由于商业保密性...

结论
本研究提出了基于BPMED的DOC系统的全面从摇篮到坟墓的LCA，建立了一个基于范围的碳核算框架，整合了初步的试点规模数据、专门的LCI代理指标和动态电网转型情景。通过考虑总体碳去除量以及范围1、2和3的排放量，该框架提供了比传统过程级别评估更现实的电化学DOC净碳去除潜力评估。

作者贡献声明
Seokju Kim：撰写——原始草稿、方法论、概念化。
Dohyeon Kim：验证、方法论、调查。
Sanghyuk Koh：软件、方法论。
Haram Lee：方法论。
Boreum Lee：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。

撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，我们使用了ChatGPT（OpenAI）进行语言相关辅助，包括翻译和编辑，以提高清晰度和可读性。该工具未被用于生成或修改科学结果、数据或图表。作者根据需要审查和编辑了所有AI辅助的内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）通过数字海水淡化和盐资源回收技术开发项目的支持，该项目由韩国气候、能源和环境部（MCEE）资助（RS-2025-02032969）。

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