• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

直接空气捕获:工艺技术、技术经济和社会政治挑战

2022-05-06

Get.jpeg

满足《巴黎协定》限制全球变暖目标的缓解气候变化设想通常在二氧化碳去除和负排放技术方面发挥重要作用。 直接空气捕捉(DAC)是一种二氧化碳去除技术,它使用一个工程系统直接从空气中分离二氧化碳。 因此,DAC原则上可以与其他负排放技术一起用于减少各种来源的二氧化碳排放,包括那些流动和分散的来源。 二氧化碳的最终命运(是否被储存、重复使用或利用),以及DAC过程的能源和材料输入的选择,决定了整个过程是否会产生负排放。 近年来,DAC经历了重大的技术发展,商业实体现在在市场上运营,前景显著高档。 在这里,我们回顾了最先进的工艺技术,提供了明确的研究挑战,横跨过程技术,技术经济和社会政治领域。


研究背景:

  直接空气捕获 (DAC) 是一种直接从空气中去除 CO 2的工程工艺。这在技术上具有挑战性,因为 CO2在空气中的含量约为 0.04%。这比其他捕获 CO2的常用目标源的浓度低约 2-3 个数量级,例如能源生产和工业过程产生的烟气。尽管如此,DAC 已经受到越来越多的关注,这主要是由于少数初创企业的开发和部署。对 DAC 的新材料和新工艺的研究也越来越多,并且需要了解与 DAC 相关的财务成本和环境影响。此外,还出现了与公众接受度、政策要求以及 DAC 在能源系统中的整合有关的新问题,特别是与能源转型和减缓气候变化有关的问题。这篇评论文章旨在广泛评估和询问这些主题,以突出科学、工程、经济和社会政治领域中新出现的研究挑战。


结论:


我们回顾了DAC在商业和研究部门的最新技术,寻求在科学、工程、经济学和社会政治领域提供明确的研究挑战。DAC的开发和部署将继续提供研究挑战,因为迄今为止,该技术只由有限的初创企业开发。这导致了一个有点狭窄的焦点;在DAC提出后的头十年左右,几乎所有的研究都集中在开发吸附剂和有限数量的工艺配置上。虽然有必要继续改进这些材料和工艺,特别是从更广泛的参考框架了解它们与能源系统的集成、其不断变化的成本以及它们的可持续性,但重点关注DAC的新材料和工艺将提供新的机会。发展援助委员会的发展也将在社会政治领域提出挑战。最后,我们讨论了研究人员可以很快解决的高层次挑战,以提高我们对DAC的理解,开启效率和可持续性的新水平,并提高社会接受度。


气候变化将需要大规模适应和减缓(第1节)。这将涉及改变人类的做法和行为、结构和物质适应、广泛的清洁能源发电技术以及减少温室气体排放的技术。适应和缓解的这些方面的需要以及它们之间的相互作用将随着时间的推移而变化,因此,了解所涉及的复杂性、相互依赖性、速度和规模的努力将继续是最重要的。


DAC(和其他碳排放网络)不能替代提高能源效率、发展循环经济、传统脱碳和更可持续的做法(第2节)。然而,DAC在各种碳排放网络和其他ccs相关技术中具有一些独特的优势。应该利用这些优势,但还有很多事情可以做。例如,在DAC部署的几乎所有情况下,二氧化碳利用是关键的技术推动因素。然而,人们也知道,二氧化碳的利用(与储存相比)在减缓气候变化方面不是最佳的。因此,应将发展援助委员会与地质储存结合起来作为部署的优先事项。利用二氧化碳在经济上有利的情景不应分散注意力,但可能在近期证明DAC技术是有用的。


CCS过程才刚刚开始被部署在有意义的减缓气候变化所需的规模,同时DAC仍然是处于起步阶段(第3节)。增加捕获率(即超过90%)在CCS过程将减少DAC和其他网络的负担,因此研究和部署优先。最发达的DAC工艺依赖于液体或固体的吸附剂。对于液体吸附剂,电化学再生方法似乎显示出降低能源需求的希望,如果它们能在合适的规模下被证明,具有足够的可靠性和降低材料成本。具有较低再生能量要求的新液体总是有益的,值得注意的是,缺少对液体-空气接触的研究。如前所述,对于固体吸入剂,在部署过程中出现了一些挑战。这些值得注意,以改进现有的工艺,就像开发全新的吸附剂(以及对结构-活性关系的相关理解)一样。然而,在所有情况下,都应考虑大规模生产吸附剂,同时也应谨慎地强调实验室规模的调查(吸附剂再生做法、平衡吸附容量的测量等)与部署所涉及的现实之间的差异。全新的DAC流程(即不依赖于吸附剂的流程)可能为特定场景提供定制选项,而且重要的是,可能为处理DAC的全新方式提供灵感。由于DAC是一种相对较新的技术,对“蓝天研究”的投资可能会带来显著的回报。在这些被讨论的新兴技术中,电化学器件显示出重要的前景,但它们几乎没有被研究。无源DAC接触和物理吸附剂的设计灵感来自大自然;如果不进一步探索自然和工程DAC系统之间的联系,似乎是愚蠢的。


文献中关于发展援助委员会的技术经济和生命周期环境绩效的可靠数据数量有限(第4节)。迄今为止,只有少数全面的技术评估被发表,以准确地确定发展援助委员会的经济和环境可行性。在最乐观的情况下,CO2去除的长期成本在低温DAC 40-80欧元/ tCO2和高温DAC 45-90欧元/ tCO2之间变化。需要强调的是,DAC的经济可行性报告存在很大差异,已报告的CDR成本高达每吨二氧化碳400-800欧元。这种差异是由于发展援助委员会缺乏标准化的评估方法和可靠的基准。从生命周期排放的角度来看,DAC在低碳能源驱动下实现了85-95%的生命周期碳效率。然而,如果DAC由依赖化石燃料的电网供电,其生命周期效率可能低至9-17%。这意味着每从空气中去除1公斤二氧化碳,化石燃料燃烧就会向大气中释放0.83-0.91公斤二氧化碳,这就抵消了DAC的真正潜力。重要的是,尽管文献中提出的lca遵循标准化的评估程序,但使用了不同的生命周期库存分析方法和数据源。因此,过去的tea和lca依赖于不同的假设集,这使得报告结果的可靠基准很难,如果不是不可能的话。因此,必须制定一套标准化的准则和基准,以便能够对发展援助委员会进行可靠的比较。


有很多政策挑战包括如何为示范项目,然后扩大DAC技术降低成本足够的希望,这是一个可行的选择甚至对其他网(5节),大多数机制已经发展的更一般的环境支持CDR和二氧化碳存储,但越来越多的针对dac的行动。发展援助委员会有许多吸引人之处,包括它在工厂选址方面具有更大的灵活性,能够解决超调和扩大规模问题,而不受其他发展援助和气候变化减缓办法所面临的一些社会和政治限制。另一方面,对CCU的关注以及与石油和天然气行业的几个首批重大项目的联系,虽然在早期阶段提供资金方面很有价值,但也导致人们担心发展援助委员会将削弱其他缓解方案,并确保过度。公众甚至利益相关者的意识一直很低,但随着第一批大型项目的部署,发展援助委员会开始受到更严格的审查。随着对发展援助委员会的兴趣增加,一些国家政府已开始资助支持发展援助委员会早期项目的方案,并制定了降低发展援助委员会费用的雄心勃勃的目标。


最终,发展援助委员会仍处于初期阶段,其在能源系统和减缓气候变化努力中的地位尚未得到明确界定。无论如何,与发展援助委员会有关的挑战迫使我们通过更常规的努力,在减缓气候变化方面加倍努力,重要的是,继续以创造性的方式解决显然难以解决的问题。


论文链接
  责任编辑:宫在芹
今日专家
亮点论文

以嘉阳煤矿3118薄煤层工作面为工程背景,通过现场工程地质条件分析,建立力学模型,推导切缝角度和高度的理论公式,利用数值计算方法,确定预裂切顶合理参数,并分析作用效果...

今日企业

主办单位:煤炭科学研究总院有限公司 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

©版权所有2015 煤炭科学研究总院有限公司 地址:北京市朝阳区和平里青年沟东路煤炭大厦 邮编:100013
京ICP备05086979号-16  技术支持:云智互联