文献阅读 | 基于温度-真空回旋吸附技术的直接碳捕获过程的生命周期评价

题目

Life-cycle assessment of an industrial direct air capture process based on temperature–vacuum swing adsorption

作者

Sarah Deutz, André Bardow

期刊

Nature Energy

时间

2021年2月

一作

单位

Institute for Technical Thermodynamics, RWTH Aachen University, Aachen, Germany

链接

https://www.nature.com/articles/s41560-020-00771-9

研究内容

实现当前气候目标需要负排放技术。空气中直接碳捕获技术（DAC, Direct Air Capture）通过地质或矿化的方法永久性储存空气中的CO₂，从而实现碳移除（CDR, Carbon Direct Removal），不仅能抵消过去排放的温室气体，而且使未来的燃料排放具有封闭的碳循环。前沿DAC技术通过化学吸收或物理吸附方法，将CO₂从空气中分离。DAC移除CO₂的同时，其潜在的气候效益被能源和材料的间接环境影响部分抵消。到目前为止，只有基于水性羟基吸收剂的DAC工艺的温室气体排放及其重新捕获经过了详细评估，缺乏对吸附型DAC的全面环境评估。首个商用DAC系统是在循环温度下采用固体吸附剂-真空回旋吸附。基于第一批商业DAC工厂的温度-真空回旋吸附研究数据，本文使用生命周期评估（LCA, Life Cycle Assessment）的方法全面评估吸附型DAC对环境的影响。

研究方法

生命周期评价的目标和范围

以下提到的DAC系统都是基于温度-真空回旋吸附技术。碳去除的气候效益被工程的间接排放部分抵消，比如工厂的建设与运营。LCA涵盖了与环境交换的所有能源流和物质流。本文所分析的Climeworks工厂由CO₂收集器、热交换器、真空泵和水分离系统组成（图1a）。CO₂收集器是放置吸附液的反应堆，吸附和解吸在此发生。吸附过程可在多个CO₂收集器中进行，而其他CO₂收集器处于解吸模式（图1b）。

图1. Climeworks的DAC流程图和吸附-解吸过程。a, 通过温度-真空回旋吸附过程的DAC技术流程图。b, CO₂吸附（左）和解吸（右）阶段的收集器。在吸附阶段，CO₂（浅蓝色）被束缚在吸附剂上；在解吸阶段，CO₂通过真空-温度摆动释放，温度低于100°C。

在吸附阶段，通风设备驱动空气通过CO₂收集器，CO₂与配给剂发生化学反应，与之结合。为了涵盖DAC开发中使用的各种材料，本文分析了六种吸附材料。吸附完成后，CO₂收集器与环境隔离，解吸过程开始，收集器加热到100℃。真空系统同时运行，将释放的CO₂移除（图1a）。冷却气流使水凝结而从CO₂中分离出来的。空气冷却器提供了大部分的冷却，足以除去大部分的水，并将CO₂带至环境温度。CO₂作为产物释放，纯度高于99%（体积比）。通过LCA，本文核定了以下过程的环境影响：（1）“从摇篮到大门”和“从摇篮到坟墓”的碳捕获；（2）六种吸附剂；（3）DAC工厂建设；（4）捕获全球年碳排放量的1%。为了将系统边界从摇篮扩展到坟墓，假设将捕获的CO₂全部转化为甲烷，作为合成燃料或者地质储存。

研究结果

碳捕获的碳足迹：从摇篮到大门

LCA 结果表明，只要使用热泵（要求电力部门碳足迹水平低于意大利）或者使用余热时（图2），DAC 工厂在“从摇篮到大门”的过程中已经可以实现负排放。

图2. 右轴为碳捕获效率，阴影区域由当前（顶线）和未来（底线）的能源情景组成，虚线代表当前几个国家和2030、2050年全球可再生能源（风能和光伏）的电力供应。这里不考虑CO₂的应用。

碳捕获的碳足迹线性取决于电力供应的碳足迹（图2）。碳捕获效率指的是避免的碳排放的比例。如今，风力发电的碳捕获效率为 95.1-96.4%。对于未来情景，风力发电的碳捕获效率在96.0%到96.6%之间。当下和未来情景量化了DAC技术开发带来的气候效益。碳足迹范围（图2）表明，如果能源导致大量碳排放，那么DAC技术对碳足迹尤为重要。对于2030年全球电力系统，如果使用了热泵，材料和能源的改进将使碳捕获效率提高25.4%。2050年，全球电力系统碳密集程度降低，使得碳捕获效率降至7.4%。为了具体说明能源供应，我们考虑了Climeworks的两个运营地点：Hellisheiéi（冰岛）和Hinwil（瑞士）。Hellisheiéi的DAC工厂使用地热，Hinwil的工厂使用城市垃圾焚烧产生的电力和余热。如今，位于Hellisheiéi和Hinwil的DAC工厂的碳捕获效率可分别达到93.1%和85.4%，在未来情景中，碳捕获效率可提高至95.0%和88.8%。

虽然碳足迹主要受能源影响，但碳捕获效率无法达到100%。DAC工厂的建设和吸附剂的生产分别使碳捕获效率降低了0.6%和2.4%。在Hellisheiéi，吸附剂和建厂的碳足迹贡献高达59%。因此，我们接下来将更详细地讨论吸附剂选择和工厂建设。

吸附剂

对于考虑的六种吸附剂，每捕获1 kg CO₂的碳足迹在10-46 g CO₂e（图3）。吸附剂的总碳足迹中，生产过程贡献了60-91%，超过了报废所占比例。考虑到吸附剂开发初期的生命周期库存（LSIs, Life-Cycle Inventories）不确定性很大，吸附剂的实际碳足迹差异很小。总体而言，这些吸附剂的碳足迹都很低。对于所考虑的16个环境影响类别，选择附释剂时需要权衡（表1）。

图3. 从摇篮到大门（生产）和从摇篮到坟墓（报废）的碳足迹。假设捕获1 kg CO₂消耗7.5 g吸附剂。

表1. 所考虑的吸附剂的环境影响及差异

工厂建设

建设产能为4 ktCO₂ yr^-1的DAC工厂，捕获每公斤CO₂的碳足迹为15 g CO₂e（图4）。DAC技术有望回收金属，进而将工厂建设的碳足迹降低为捕获每公斤CO2排放6 g CO₂e（图4）。利用金属回收后，DAC工厂的碳足迹主要源于地基和大厅（74%），其余排放物由集装箱收集器（13%）和工艺单元（12%）和备件（1%）等贡献。

图4. DAC工厂建设的碳足迹分析

对于其他环境影响，地基的钢铁生产占淡水富营养化、人类毒性（癌症）和淡水生态毒性的63-94%。矿物和金属资源枯竭主要是由铜产量（87%）造成的。对于所有其他环境影响，混凝土占32-70%，基础钢占11-39%。其他材料中，不锈钢占18%，保温占16%，铝占12%，钢铁占5%，铜和钢（油漆）占4%，塑料占2%。

碳捕获的碳足迹：从摇篮到坟墓

在整个生命周期中，结合后续存储的CDR，DAC可以达到负排放（图5）。未来所有电网混合，CDR可以实现负排放。当今情景中，利用余热的电网系统都可以实现负排放。而如今，带热泵的CDR要求电网至少和意大利一样清洁才能实现负排放。

图5. 右轴为碳捕获效率，阴影区域由当前（顶线）和未来（底线）的能源情景组成，虚线代表当前几个国家和2030、2050年全球可再生能源（风能和光伏）的电力供应。请注意，摇篮到大门的边界不包括CO₂的应用，决定了CO₂是否重新排放或永久移除。热量通过热泵系统和废热提供。对于基于CO₂的燃料（CH₄），甲烷化的热量可以用于DAC系统，提供了额外的热量。基于CO₂和基于化石的甲烷都包括随后的燃烧，这样可以覆盖整个生命周期，但不考虑使用阶段。碳捕获工厂的产能为4 kt CO₂ yr_–1 ，捕获每公斤CO₂消耗7.5 g吸附剂。

与CDR相比，用DAC捕获的CO₂合成燃料几乎可以实现碳中和（图5）。这里使用CO₂合成燃料主要是指CO₂与H₂合成甲烷。燃料型甲烷对应的碳足迹为捕获每公斤CO₂排放1.2 kg CO₂e，处于高碳足迹与低碳足迹的合成甲烷之间的平衡点。总体而言，在整个生命周期中使用低碳能源以接近碳中和，用于燃料的DAC有助于结束碳循环和减少CO₂e排放。

编辑：林鹏昇

排版：江琴

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