【碳中和专栏】怎样评估CO2还原合成碳质产品的经济前景

第一作者：Huang Zhe

通讯作者：Tao Ling

通讯单位：美国可再生能源国家实验室

随着全球人口的不断增长以及自然植被的不断减少，碳循环经济成为了人类面临的最大挑战之一。可再生电能驱动的电化学CO₂还原（CO₂R）为降低全球CO₂的降低提供了一种有效的途径，其可以将全球每年排放的10亿多吨的CO₂转变成有价值的碳质产品。然而，通过CO₂还原的方式，实现全球的碳循环和CO₂的降低，仍然存在许多关键性的问题：（1）经济可行性如何？（2）转型研发存在哪些降低成本的机会？（3）影响CO₂还原的价格是什么？（4）可再生电力的间歇性如何影响生产成本？

鉴于此，美国可再生能源国家实验室的Tao Ling研究员使用每年产量2亿加仑的生物乙醇设施（每年产生约600千吨二氧化碳）作为CO₂来源，对五种主要电力驱动技术的CO₂减排进行了全面的经济评估。并报告了11种有前途的碳质产品的近期、中期和长期经济前景，同时为研究界提供了相关关键成本驱动因素和研发需求的指导。分析表明，随着技术进步以及随之而来的电价降低至0.03美元/kWh^-1和CO₂价格至每吨20美元，8种由CO₂衍生的产品价格有望达到或低于目前的市场价。

Fig. 1. Overview of studied renewable energy-powered CO₂ reduction pathways and possible near-term products.

【研究方法】

通过文献回顾和主题专家访谈确定CO₂R主要途径和产品。根据已发表的文献，生成了主要转化技术和相关示范产品的数据库。尽管许多已确定的产品也可以用作中间体（例如CO）以进一步转化为其他产品，本文只考虑了单步 CO₂R过程。

经济情景。考虑到许多 CO₂R 技术仍处于起步阶段，技术特定参数（例如，操作电压、产品选择性和CO₂单程转化）和市场参数（例如，CO₂和电价）预计会随着时间的推移而变化，因此，在整个研究过程中考虑三个独立的经济情景：（1）代表技术状况（SOT）的“当前”技术参数和40美元每吨CO₂和 0.068 kW h^-1的电力；(2)基于来自领域专家的更激进的技术参数、与类似但更成熟的系统（例如燃料电池或水电解器）的比较以及工程判断的“未来”情景，20 美元每吨CO₂和 0.03 kW h^-1的电力（更多信息见表 S7 ESI‡）；(3)具有基于热力学限制和/或最佳情况下假设技术参数以及0 美元每吨CO₂和 0.02 kW h^-1电力的“理论”情景。

经济评价系统的界限。模拟的CO₂R处理步骤包括核心CO₂转化、未转化原料的回收和产品纯化阶段。对于每个CO₂R 途径，转化固定CO₂流所需的材料和能源被量化并用于评估资本和运营费用以及其他的原材料单价商业数据库。建模的TEA系统边界不包括所有途径共有的活动和过程，例如发电或废物CO₂的生产和捕获，而是作为捕获CO₂的恒定运营费用。

工艺规模。所有五个CO₂R途径的规模基础是产量为2 亿加仑每年 (MGY) 的生物乙醇工厂，因为它代表了具有高纯度和低成本的切入点。乙醇发酵过程中排放的CO₂质量流量（kg/h）由乙醇产量、CO₂排放因子和每年的运行小时数定义值为：

可变运营成本。可变运营成本基于当前、未来和理论情景下的材料和能量平衡计算。假设当前、未来和理论情景下的CO₂价格为每吨分别为40美元、20美元和0美元。选择每吨40美元作为报告的不同碳捕获和封存 (CCS) 技术之间避免的CO₂成本的中间值；每吨20美元反映了只需最少清理的高纯度CO₂；并且每吨0 美元，以反映在没有政策信贷的情况下的最佳情况。对于当前、未来和理论场景，电力定价为0.068 美元、0.030美元和0.020美元每kW h^-1。对于当前情景，0.068美元每kW h^-1是基于美国 2017 年的平均工业电价，其中 0.030 美元和 0.020是一个合理平均可交付电价的长期估值。所有所需要的H₂假定是通过水电解产生的。应用上述电力成本在当前、未来和在模型中的理论情景中，电解H₂的估计生产成本分别为3.91美元、1.80美元 1.20美元每千克。使用化学工程杂志的工厂成本指数、SRI 咨询公司的工业无机化学品指数以及美国劳工部劳工统计局提供的劳工指数，所有成本均根据通货膨胀调整至2016美元。

固定运营成本。对于所有五个CO₂R 途径，年度维护成本估计为总安装设备成本的2.5%，年度固定运营成本（即工资、财产保险和税收）按总安装成本 (TIC) 的 3%建模。根据美国能源部H₂A模型中先前的水电解槽假设，假设低温CO₂电解槽每7或10年更换一次，分别占当前和未来的总安装电解槽成本的15%或12%。对于高温固体氧化物电解槽假设每4或7年更换一次，占电解槽总安装成本的 7.5%或4%。理论情况下，假设在任何一种情况下都不需要更换电解槽。

设备成本。随着最近通过具有零间隙配置和膜电极组件形式的离子导电聚合物的电解槽设计推动更高的电流密度，目前性能最高的 LTE 反应器设计在物理上与 PEM水电解槽最相似。因此，电解槽资本成本基于DOE H₂A 计划公布的已建立的PEM水电解槽系统。然而，水电解槽和CO₂电解槽之间的差异是在阴极上使用非贵金属。PEM水电解槽通常在阴极上使用铂，而CO₂R电解槽经常使用更便宜的金属，如铜、锡和银，具体取决于所需的产品。安装的电解槽成本相应地进行了调整，以每平方米为基础的安装PEM电解槽在当前、未来和理论条件下，成本分别为18000美元，13000 美元和6000美元。在MES途径中，碱性水电解槽被选为最相似的配置，这是基于报告的较低电流密度和由于微生物限制的水环境。使用可比较的H₂A模型，在当前、未来和理论场景中，每平方米安装碱性电解槽的成本估计为1400 美元、1100美元和800美元每平米。HTE途径中的CO₂电解槽基于固体氧化物电化学电池（SOEC)。对于此三种情况，SOEC安装成本在每平方米基础上分别为 8000 美元、6000美元和 4000美元。然后，每个CO₂R通路-产品组合所需的总电极面积可以由以下公式获得：

其中I是电流，z是数字产生1 mol产品所需的电子数，n是给定产品的摩尔数，FE是法拉第效率，F是法拉第常数，t是操作时间，Q是每次以库仑为单位的总电荷。

折现现金流分析与最低售价。根据资本和运营成本数据，使用已发布的工程方法生成折现现金流收益率分析。主要财务假设分析包括40%的股权融资和3年建设加上6个月以上的开工期。假设CO₂R工厂的寿命为20年。营运资金假设为固定成本投资(FCI) 的5%，所得税为21%。对于每个CO₂R途径-产品组合，计算出的最低销售价格(MSP)为：产品必须销售以产生10%内部收益率的净值为零的最低价格。尽管MSP计算为单点值，但概念性成本估算存在不确定性。基于数据的可用性、这些技术的TRL和我们的分析方法，此分析报告的数据类似于成本工程促进协会(AACE)国际推荐实践定义的“4级”可行性研究第18R-97.51号文件。为了进一步解决计算的潜在不确定性，对两个市场参数的敏感性进行了分析，以了解关键成本驱动因素以及降低成本的关键策略。

【结果与讨论】

近期产品的经济可行性。经过初步文献筛选过程，根据近期技术可行性分析，选择了11种产品进行比较分析，包括一氧化碳 (CO)、甲酸(FA)、草酸(OA)、乙烯(C₂H₄)、乙醇(EtOH) 、甲烷(CH₄)、甲醇(MeOH)、乙酸(AA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、二甲醚(DME)和费-托液体 (FT)。

图2A计算出的产品MSP与每种产品在2014-2018年美国平均市场价格（2016 美元）之间的价差，由中线表示，显示了三种经济情景。与市场价格的正偏差表示计算出的MSP大于当前市场价格，相反，与市场价格的负偏差表示计算出的MSP低于当前市场价格，并且该产品具有潜在的经济可行性。认识到市场价格会随时间波动，我们在中线附近加入了条形图，这些条形反映了过去十年（2008-2018年）在数据可用的情况下观察到的市场价格范围。在CH₄的情况下，显示了两组条形图来区分成本较低的化石天然气（中线）和可再生天然气（RNG，虚线），后者的市场价格要高得多。

由于当前市场价格较高（图2B），预计只有PHB具有成本竞争力。在应用未来情景的改进技术和市场参数（图2A中的蓝色三角形）后，计算出的产品MSP在如图3A所示的五个路径中平均下降了74%，导致11个产品中有8个在潜在的市场竞争力（图2A）。只有CH₄、MeOH和DME仍高于竞争性市场范围。在理论情景下（图2A中的绿色圆圈），除CH₄因美国天然气(NG)价格低而处于不利地位之外，所有产品均处于或低于当前市场价格。但是，与RNG 价格（虚线条）相比，CH₄确实在未来场景中的某些技术和理论场景中的所有技术的竞争范围内。这些结果意味着CO₂R的近期可行性在于高价值的特种化学品（通常市场份额很小）；然而，随着技术和市场参数的不断改进，许多CO₂R衍生的商品化学品和燃料的生产成本可以与现有的基于化石的方法的市场价格相媲美。

Fig. 2. (A) Difference between calculated product MSP and 5 year (2014–2018) averaged U.S. market price in 2016 U.S. (B) A summary of 5 year (2014–2018) averaged annual global production reported vs5 year (2014–2018) average U.S. market price in 2016.

除了技术和市场参数外，产品特定因素（如理论质量产量和反应化学计量）也强烈影响潜在的经济可行性。在比较化学品（例如，FA）与燃料（例如，CH₄）产品时，碳氢化合物燃料具有较低的最大理论质量产率，因为从最终产品中去除氧原子以改善燃料特性。例如，CO₂R–CH₄的理论质量产率以CO₂为基础仅为36%，而FA为105%，所有原始碳和氧元素保留在最终产品中以及添加的氢。对于常按质量销售的产品，理论质量产量的这些差异可以在确定产品可行性方面发挥重要作用。类似地，直接转化途径中所需的电子数或间接途径中所需的H₂摩尔数可能因产品而异。例如，将CO₂还原为CH₄需要8个电子（或4 mol H₂），而生产1 mol FA 只需要两个电子（或1 mol H₂）。因此，假设转化的基线均匀，含氧产品本质上效率更高，消耗的原料（电子或H₂）最多减少75%，同时实现更高的质量产量，从而降低运营成本(OPEX)，并且通常更具竞争力MSP。

要使 CO₂R 对全球循环碳经济产生影响，不仅要达到成本竞争力，而且要实现可在千兆吨级规模实施的目标产品。图 2B显示全球年消费量与 2014-2018 年美国市场平均价格（2016 美元每公斤）的对比，突出显示11种产品的消费量存在四个数量级的变化。

从碳利用的角度来看，当前质量最高的产品是CH₄、FT 产品、CO、C₂H₄、EtOH和MeOH。但是，应该注意的是，这是基于当前可用数据的快照，随着对可再生电力季节性存储的需求不断增长以及产品替代市场的不断扩大，对产品的相对需求可能会在未来发生变化。

在考虑经济竞争力和CO₂利用潜力时，FT产品、C₂H₄、EtOH和CO代表了一些最引人注目的CO₂R产品。在之前的一项研究中，研究了CO₂R的技术可行性和产品形成的相对容易程度，表现最好的C1-C3物种依次是CO、MeOH、CH₄、FA、C₂H₄和AA2。从这两项研究的关系来看，从近期经济角度和技术角度来看，CO和C₂H₄都是强有力的候选者。尽管美国天然气价格低廉且页岩气兴起，但对CO₂可持续甲烷化（即电转气）的研究和商业兴趣也在增长，主要是由于其作为能源储存的潜力，否则将受到限制电力、与现有NG基础设施的兼容性以及推动全球RNG市场增长的燃料和能源的碳强度法规，这些市场对 RNG的价值高于NG。因此，这些MSP值不应被视为商业可行性或商业案例的陈述；它们仅代表成本估算。必须进一步考虑为多个部门提供价值以及其他附带利益的机会。

转型研发的机遇。从当前情景转向未来情景，CO₂R经济性得到显著改善，根据路径，产品MSP平均减少54-97%（图3A）。在更高技术就绪水平(TRL)间接途径（即TC和BC）中，受益于多年的合成气化学基础设施和研发投资，MSP的改进主要由市场参数（即原料成本）驱动，平均占总成本降低的84%±17%。在市场参数中，H₂生产构成了最重要的部分成本。因此，尽管与核心CO₂R转化步骤分开，但大规模电解制氢的研发工作有望为间接途径的近期成本降低提供最大潜力。相反，新兴LTE、HTE和MES路径中的MSP对技术参数最敏感，平均占成本降低的77%±22%。为了将这些低TRL的直接路径推向商业就绪，需要进行转型研发来推进核心转换技术。在高层次上，这些发现与其他研究一致，这些研究强调了市场参数（即H₂价格）和技术参数（即CD和FE）分别对间接和直接途径经济学的重要性；然而，我们分析的广度允许更深入地量化特定技术指标对CO₂R经济学的影响，以阐明最关键的研发需求，如下所述：

使用围绕当前技术参数的敏感性分析与跨技术评估相结合，确定了每个途径-产品组合的CO₂R 的主要技术成本驱动因素和转型研发领域。对于直接LTE和MES通路，部分电流密度始终是大多数产品中最具影响力的成本驱动因素。部分电流密度反映了用于生产每单位电极面积特定产品的电流总量，并直接影响电解槽的尺寸和资本成本。目前，资本成本的估计范围从新兴PEM电解槽的18000 美元每平米到更成熟的碱性电解槽的1400美元每平米。当电流密度低时，转换固定体积的CO₂所需的电极面积增加，需要更大的设备，并导致更高的成本。在当前情景下，电解槽资本成本分别平均占LTE和MES工艺总MSP的44%和72%。

图3B显示部分电流密度对MSP的影响并对LTE PEM电解槽进行了量化，在当前假设下转换的每个碳需要转移两个、六个和八个电子的产品之间进行了比较。从10 mAcm^-2 的分电流密度开始，将一系列50mAcm^-2 阶跃变化应用于TEA模型，从而可以计算每阶跃变化的MSP 变化。在非常低的电流密度（即<100 mA cm^-2）下，适度的改进对MSP有显着影响，例如，LTE乙烯生产的10→60 mA cm^-2变化显示在MSP中减少了73 每千克/美元。产品对分电流密度的敏感性很大程度上取决于产品合成过程中每个碳转移的电子数量（图3B和C），每个碳需要8 个电子的产品受到的影响最大，而需要两个电子的产品受影响最小。随着部分电流密度继续增加，对MSP的影响降低，斜率的“平衡点”，取决于反应中转移的电子数量。应用MSP/部分电流密度斜率Δ0.5cents/mA的截止点，分析表明，对于每个碳需要两个电子的产品，LTE PEM 系统的平稳点大约为160–210 mA cm⁻²每个碳需要 6 到 8 个电子的产品需要 360-510 mA cm^-2（图 3B）。对 MES 碱性电解槽应用相同的分析，对于每个碳需要 2 到 4 个电子的产品，分电流密度的平稳点约为 40-70 mA cm^-2，对于需要 6 到 8 个电子的产品，分电流密度的平稳点约为 95-130 mA cm^-2图 3C）。

Fig. 3. (A) The percentage reduction in calculated MSP moving from current to future scenario. (B) Impact of increasing partial current density on MSP of LTE products using PEM electrolyzers. (C) Impact of raising partial current density on the MSP of MES products using alkaline electrolyzers.

二氧化碳价格和激励措施的影响。CO₂R 技术被认为是转换CO₂的通用选择，从发酵罐的高度浓缩CO₂到大气中的百万分之一浓度。然而，每吨CO₂的价格因来源而异，从几乎免费到数百美元的直接空气捕获。CO₂价格对产品MSP的影响取决于品种参数，包括整体过程效率、情景假设和产品类型。例如，在我们当前假设每吨CO₂固定价格为 40 美元的情况下，在效率较低且不发达的 LTE/MES 路径中，CO₂成本平均仅占总产品成本的1.5%，在更成熟和更有效的HTE/TC/BC途径中平均为6.5%。这一发现在当前情景下的一系列CO₂价格中是一致的。因此，随着技术的进步和CO₂R途径向商业化迈进，CO₂价格的影响将变得更加显著，并且可以更清晰地观察到。图4量化了未来情景中二氧化碳价格对产品 MSP 的影响，这些来源包括：综合气化和联合循环 (IGCC)、煤粉 (PC) 和天然气联合循环 (NGCC)发电，以及来自水泥、钢铁和直接空气捕集源的二氧化碳。我们还研究了新兴的联邦级信贷的影响，例如美国 45Q 计划，每吨封存价值约35美元。

Fig. 4.The percent change in product minimum selling price (MSP) as a function of CO₂ capture cost.

图5显示了在当前和未来情景中实现与当前市场销售价格相等的 MSP 所需的每吨CO₂转换的估价。这些值不考虑总生命周期排放，也无意促进特定水平的政策；相反，如果直接应用于转换步骤中使用的CO₂，而无需对技术或其他模型假设进行其他更改，则该数据估计可以帮助实现计算出的MSP的市场价格平价的补贴水平。

Fig. 5. Calculated CO₂ credit ($ per tonne) to enable market price parity under current (orange) and future (blue) scenario assumptions.

间歇运行经济。为了说明MSP（即生产成本）、容量系数、输入电价和 CAPEX之间的相互作用，图6展示了在当前和未来情景条件下LTE衍生的 C₂H₄ 和SOEC衍生的CO间歇运行的两个案例研究。选择CO和C₂H₄来显示电子需求的影响，并且由于两种产物途径组合的TRL相对较高。使用与上述相同的模型和假设，图6A显示了在当前情景条件下CO和C₂H₄产品的恒定MSP作为电价和容量因子的函数的线，CAPEX值范围为5000万美元至50000万美元。作为参考，在当前案例中，建模的CAPEX值为6700万美元（LTE-C₂H₄）和6800万美元HTE-CO），而在未来案例中，建模的 CAPEX 值为2.19亿美元（LTE-C₂H₄）和2600万美元（HTE-CO）)。在保持所有特定于产品的技术参数（即电压、电流密度、转换）不变的同时，图6A说明随着容量因数从90% 基线值下降到代表间歇操作的较低值，有一个相应的降低所需的电价以保持产品的MSP不变。所需电价的下降源于这样一个事实，即为了抵消较低容量因素造成的生产损失并支付固定融资费用，运营成本（即电力成本）也必须下降。

Fig. 6. Lines of constant MSP for the production of SOEC-derived CO (triangles) and LTE-derived C₂H₄ (circles) for (A) current scenario assumptions and (B) future scenario assumptions.

【结论与展望】

与生物能源领域在过去十年中采取的路径类似，新兴CO₂R技术的近期可行性将与降低原料（例如，H₂ 和电力）和转换成本有关。数据表明，在当前情况下技术进步带来的大量前期收益可能有助于缩小与现有方法的差距。高价值、高利润的产品（例如PHB）或为多个部门提供价值的产品（即CH₄）可能会成为早期重点，以克服与未优化的技术和首创的相关的更高成本种植物。本文提供的技术经济分析可以帮助指导必要的研发，例如优先考虑部分电流密度，以加速这些技术的发展，并为初始目标确定最具经济优势的产品。随着CO₂R技术的发展以及更多设施的上线和运营成本的下降，它可能允许以更具竞争力的价格点扩展到利润率较小的燃料等大批量商品产品。虽然这一战略不会立即影响整体二氧化碳减排，最初侧重于较小的利基市场，但它使该领域能够更快地发展，并允许在工业规模上进行学习，以便这些经验教训与研发进步相结合，可以导致获得一些最大的市场化学品和燃料，其成本与市场价格具有竞争力。

随着H₂和可再生电力成本被确定为CO₂R整体经济的主要贡献者，整个CO₂R经济体系的一个新兴主题，是通过间歇性运行来缓解这些挑战，以在过度发电期间利用最低成本或削减电力。尽管限制用电量可以显著降低运营费用，但在较低容量系数下运行CO₂转化步骤所带来的生产损失通常会显着削弱偿还固定费用的能力，尤其是在资本密集型过程中，提高产品单位产量的最低销售价格。因此，必须具体问题具体分析，评估间歇运行的经济可行性，未来的设计选择不仅应受电力净成本的影响，还应受资本支出有效利用的影响。未来需要更多的分析来确定大规模CO₂R的总能源需求，以及如何通过限电、专用基础设施和系统集成来满足这些需求，以最大限度地提高单位资本投资的产品产量。

Huang, Z.; Grim, R. G.; Schaidle, J. A.; Tao, L., The economic outlook for converting CO₂ and electrons to molecules. Energy & Environmental Science (2021). https://doi.org/10.1039/D0EE03525D