直接空气捕获技术的标准化基准测试：技术经济与环境评估及多标准决策分析

《Energy》：Standardized benchmarking of direct air capture technologies: techno-economic and environmental assessment, and multi-criteria decision analysis

　　

侯萨姆·布阿布拉（Houssam Bouaboula）|优素福·贝尔马布胡特（Youssef Belmabkhout）|阿卜杜勒加富尔·扎阿布特（Abdelghafour Zaabout）

摩洛哥本盖里尔（Benguerir）穆罕默德六世理工学院（Mohammed VI Polytechnic University, UM6P）应用化学与工程卓越研究中心（Applied Chemistry and Engineering Research Centre of Excellence, ACER CoE）

摘要

大规模部署直接空气捕获（Direct Air Capture, DAC）技术对于在2050年前实现净零排放至关重要，但由于这些技术的操作原理、成熟度水平以及性能数据的不一致性，选择合适的DAC方法仍然具有挑战性。在这里，我们开发了一个标准化的比较框架，以在一致的气候条件、工艺假设、捕获能力、能源价格和碳强度下评估四种DAC技术（HT-Aq、TVSA、MSA和pH-swing）。该框架结合了基于物理的工艺建模（以实现特定技术的单元规模确定）、技术经济评估和生命周期评估以及先进的多标准决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA）。量化了包括能源和水需求、平准化二氧化碳成本（Levelized CO? Cost）和全球变暖影响（Global Warming Impact）在内的关键性能指标，并用这些指标对不同行业应用中的DAC技术进行排名。研究结果有效地表明，没有一种DAC技术在所有考察的情景下都是普遍最优的。我们发现，液态吸附DAC方法（HT-Aq和pH-swing）在不同气候条件下的性能变化较小，尽管在干燥环境中其水需求显著增加。相比之下，固体吸附DAC系统（TVSA和MSA）对环境条件非常敏感，在相对潮湿的环境中（50%）能够达到最佳性能。HT-Aq工艺在大规模应用（>10千吨二氧化碳/年）下最具成本效益，但当考虑生命周期二氧化碳排放时，其成本效益会降低。另一方面，由于pH-swing DAC工艺对电价高度敏感，如果电价较低（<20美元/千克），它是最接近实现目标DAC成本（100美元/吨二氧化碳）的方法。总体而言，本研究的结果为决策者在各种操作条件和目标应用中选择最合适的DAC技术提供了指导。

引言

背景。自19世纪末以来，全球气温上升了超过1°C，主要是由于大气中二氧化碳浓度的增加¹。负排放技术（Negative Emission Technologies, NETs）对于减缓气候变化并将全球变暖影响限制在1.5°C以内至关重要^{2, 3, 4}。在现有的NETs中，直接空气捕获（Direct Air Capture, DAC）被认为是实现气候目标的最有吸引力的选择，因为它具有耐用性、精确的碳监测能力，并且可以在任何地方部署^{5, 6, 7}，特别适合处理难以减排的行业的排放⁸。

然而，尽管有这种广泛的共识，目前DAC技术的安装容量仍然有限（0.01百万吨二氧化碳/年）^{9, 10}。阻碍DAC技术大规模部署的主要因素之一是存在多种不同的DAC方法，每种方法的操作原理、成熟度和工艺配置各不相同。这导致决策者难以为特定的操作条件和目标应用选择合适的DAC方法。正如最近的一项综述所指出的¹¹，目前有超过12种不同的DAC方法，包括液态吸附、固体吸附、电化学、膜技术和低温吸附技术。值得注意的是，两种DAC技术因其当前的成熟度和广泛的应用而脱颖而出：高温水溶液（High-Temperature Aqueous Solution, HT-Aq）和低温真空摆动吸附（Low-Temperature Vacuum-Swing Adsorption, TVSA）。然而，这两种方法都高度依赖能源，并且在可扩展性和与可再生能源的整合方面面临挑战。另一类固体吸附DAC方法是湿度摆动吸附（Moisture-Swing Adsorption, MSA）工艺。该技术利用离子交换树脂通过喷水而不是外部热源来驱动吸附-解吸循环。最后，电化学DAC方法最近作为一种有前景的替代方案出现，特别是pH-swing技术，因为它能够将绿色氢气的生产与二氧化碳捕获结合起来。

由于DAC技术可以应用于各种场合和地理位置，它们的性能对选定的操作条件和设计假设非常敏感¹²。此外，考虑到这些技术仍处于发展初期，大多数DAC技术的可用性能数据仍然有限且缺乏一致性^{11, 13}。因此，建立一个一致的框架对于实现公平的基准测试和指导决策者选择最佳的DAC方法至关重要。

目标和贡献。尽管有许多关于DAC技术的文献研究，但在一致的操作条件下对成熟和新兴方法进行标准化比较的工作尚未开展。大多数现有研究要么评估单一DAC工艺的性能^{14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22}，要么仅比较成熟的DAC方法（HT-Aq和TVSA）^{23, 24, 25}。此外，这些比较研究通常采用不同的操作条件和不明确的设计假设，使得结果无法相互比较。此外，现有文献研究仅使用定量关键性能指标（如能源消耗和成本）来比较DAC技术的性能^{22, 24, 26, 27, 28}。然而，要对各种DAC技术进行全面的比较，需要考虑所有相互冲突的关键性能指标，包括定量和定性数据。这需要使用先进的评估方法，如多标准评估工具，以实现多种性能指标的整合²⁹。因此，提供一种标准化的多标准比较方法对于识别新兴和成熟DAC方法的最佳操作条件并支持决策者选择最适合特定应用的技术至关重要。

因此，本研究旨在通过开发一种标准化的多标准比较方法来填补这些研究空白。我们为每种DAC工艺建立了严格的工艺模型，并在一致的设计假设和操作条件下模拟了它们的性能。与以往的文献研究不同，本研究还比较了新兴的DAC方法（pH-swing和MSA）与已建立的方法（HT-Aq和TVSA）。这四种技术在能源需求、水需求、土地占用、二氧化碳捕获的平准化成本（Levelized CO? Capture Cost, LCOC）和全球变暖影响（Global Warming Impact）等方面进行了评估，评估条件包括不同的空气气候条件（温度和相对湿度）、二氧化碳捕获能力、当地能源价格和国家电网的碳强度。然后，我们采用了一种多标准方法，该方法同时考虑了定量和定性标准，并结合了主观和客观的决策因素。由于排名结果很大程度上取决于目标DAC应用，本研究比较了多种使用场景下DAC技术的性能。

章节摘录

方法论框架

在¹¹确定的12种DAC方法中，我们选择了四种DAC技术：HT-Aq、TVSA、pH-swing和MSA。所选方法代表了多样化的组合，包括成熟和新兴的方法，具有不同的再生原理（热力、电化学和被动方式）以及不同的特性（成熟度、能源效率、模块化等）。我们排除了电渗析和电摆动吸附方法，因为它们的操作原理相似

DAC技术的定量关键绩效指标（Quantitative KPIs）比较

能源需求比较。图3a显示了在基线温度和相对湿度（25°C和45%）下四种DAC技术的能量需求（SEC）比较。在这些条件下，TVSA DAC工艺的能量需求最高（13.8 MJ/kgCO?），其次是pH-swing（10.94 MJ/kgCO?）、HT-Aq（6.74 MJ/kgCO?）和MSA（2.96 MJ/kgCO?）。请注意，这里报告的TVSA结果是基于热能计算的。

结论

在这项工作中，我们开发了一个使用不同操作条件、设计假设和目标应用的DAC技术标准化比较框架。与现有研究不同，我们采用了混合方法，将严格的工艺建模、技术经济评估和生命周期评估与多标准工具相结合。分析涵盖了已建立的（HT-Aq和TVSA）和新兴的（pH-swing和MSA）DAC方法。从这项工作中，我们得到了以下关键见解

CRediT作者贡献声明

阿卜杜勒加富尔·扎阿布特（Abdelghafour Zaabout）：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、方法论、资金获取、概念化。优素福·贝尔马布胡特（Youssef Belmabkhout）：撰写——审稿与编辑、项目管理。侯萨姆·布阿布拉（Houssam Bouaboula）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、数据分析、概念化

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致谢

Abdelghafour Zaabout教授获得的UM6P的启动资金支持。