直接空气捕获：实现净零的关键技术

1、 HYPERLINK / 直接空气捕获：实现净零排放的关键技术 HYPERLINK / !#$%2022 年 4 月 1 日，国际能源署首次发布直接空气捕获：实现净零排放的关键技术。报告指出，直接空气捕获技术日益受到关注， 未来将在实现净零排放过程中发挥重要作用，但目前成本较高，不过具有 极大下降空间。扩大直接空气捕获技术部署需重点考虑拓展价值链、能源 需求、碳足迹、水和土地足迹等因素，并选择最佳场址。报告提出，可以 采取规模化示范、创新整体价值链、确定和开发碳封存技术、制定国际认 证和核算方法、开展评估和加强国际合作等重点行动扩大技术部署。赛迪 智库材料工业研究所对该报告进行了编译，期望对我

2、国相关部门有所帮助。 HYPERLINK / !&(%)*+, -./012 &34直接空气捕获（DAC）技术在实现净零排放过程中发挥着日益重要的作用。直接从空气中捕获二氧化碳并将其永久封存，可清除大气中的二氧化碳，为清除历史遗留排放提供解决方案，同时也为平衡难以避免的排放提供解决方法。从空气中捕获的二氧化碳还可用作原料，生产从合成燃料到食品和饮料等各种产品。在国际能源署对 2050 年净零排放进行的展望中，2030 年，直接空气捕获技术将捕获超过 8500 万吨二氧化碳，2050 年这一数字将达到约 9.8 亿吨，远超目前仅 1 万吨的捕获规模。本报告探讨了直接空气捕获技术发展现状及其面临的

3、机遇和挑战，分析了其降低成本的潜力、未来的能源需求，以及建设直接空气捕获设施的最佳选址。最后，报告还提出了直接空气捕获投资的关键驱动因素以及相关重点政策行动。()*+,-./0#12345（一）直接空气捕获技术在实现净零目标方面的作用为引导全球能源体系在 2050 年实现净零排放，不能仅依赖基于自然的解决方案，还要结合基于技术的脱碳方法1，即，直接空气捕获与封存（DACS）2、碳捕获与封存型生物能源（BECCS）。1 脱碳方法是指直接或间接从大气中吸收二氧化碳并将其永久封存的方法。2 直接空气捕获与封存是一种脱碳方法，包括基于自然的解决方案（例如，植树造林和再造林）、增强型自然过程（例如，生物

4、炭）以及基于碳捕获与封存（CCS）技术的解决方案。在净零展望中，这两项技术预计会发挥越来越大的作用（见图 1）。生物质直接空气捕获6 17)*8:;?-./012BCDE12F单位：百万吨直接空气捕集生物质到 2030 年，直接空气捕获的二氧化碳可达 9000 万吨/年，目前为 7700 吨/年。到 2040 年，这一数字将显著增加到 6.2 亿吨。到 2050 年，该数字将达到 9.8 亿吨。20202050 年，通过直接空气捕获将累计捕获约 120 亿吨二氧化碳，占该时期所有碳捕获增量的 11%。到 2050 年，通过直接空气捕获的二氧化碳将占碳排放量的 13%左右，其中 64%的二氧化碳

5、将被封存，并与碳捕获与封存型生物能源技术共同作用，以平衡交通、工业和建筑领域剩余排放量，打造净零排放的能源体系。到 2050 年，在直接空气捕获的二氧化碳中，约有 3.5 亿吨（占总量的 36%）二氧化碳，将与氢气结合，用于生产合成碳氢燃料，特别是航空业用合成燃料，这将满足当年三分之一左右的航空燃料需求。航空运输业仍是脱碳面临的最具挑战性的行业之一，而直接空气捕获技术将为航空运输业提供为数不多的减排方案。在净零展望中加大对直接空气捕获技术的部署，意味着20202050 年，平均每年需增加 30 多个年捕获 100 万吨的直接空气捕获工厂。该部署将取决于其成本竞争力，以及低碳能源和关键消耗品的可

6、用性。到 2050 年，直接空气捕获 10 亿吨二氧化碳，需要消耗约 6 艾焦耳低碳能源（见图 2），其中所需热能约占能源总需求量的 90%。单位：艾焦耳单位：十亿吨二氧化碳热力电力二氧化碳捕获二氧化碳捕集电力热力6 27)*8:-./012 ;GHIJFKLMBCDE12 FKNM（二）直接空气捕获技术部署现状目前全球已有 18 座直接空气捕获工厂投入运营，它们分别位于加拿大、欧洲和美国（见图 3）。这些工厂大部分规模很小，并且主要将捕获的二氧化碳出售，包括用于电力多元化转换3、碳酸饮料生产以及大棚种植。瑞士碳捕获公司 Climeworks 和冰岛初创企业Carbfix 在冰岛建立的工厂Or

7、ca，从大气中捕获二氧化碳后，将其与从地热流体中捕获的二氧化碳混合，一同注入并封存在玄武岩地层，通过若干年的矿化过程，将二氧化碳转化为岩石。这是一种前所未有的方法。2021 年 10 月扩建后，该工厂每年可捕获 4000 吨二氧化碳，成为全球最大的直接空气捕获工厂。单位：吨二氧化碳6 372010-2021 OP;?AB（一）拓展直接空气捕获技术价值链到 2050 年达到净零排放展望中所设想的直接空气捕获技术部署水平非常困难，但并非不能做到。这就需要在接下来的十年间平均每年建造 8 座产能为 100 万吨二氧化碳/年的大型直接空气捕获工厂，在 20302040 年每年建造 50 座大型直接空气

8、捕获工厂，在 20402050 年每年建造约 40 座大型直接空气捕获工厂。这些工厂共需 17003600 万吨钢、混凝土、铜和铝，以及 300700 万吨液体溶剂和固体吸附剂用化学品。直接空气捕获的研发工作主要集中在二氧化碳溶剂和吸附剂方面，目的是找到能耗更低的替代品。液体直接空气捕获的大量部署可能会对氢氧化物溶液市场形成压力，而用于固体直接空气捕获的胺吸附剂可由氨和环氧乙烷生产。根据净零展望，到 2050 年，如每年要从大气中捕获近 10 亿吨二氧化碳，可能需消耗高达 500 亿吨水和约 6 艾焦耳能源。这相当于 2019 年荷兰全年的能源出口总量。假如能源全部来自太阳能光伏，则需要有 2

9、.3 万平方公里的区域，主要用于放置太阳能电池板。（二）直接空气捕获技术的能源需求直接空气捕获工厂的能源需求受工作温度的影响巨大。从环境层面看，仅靠可再生电力运行将非常具有吸引力。基于目前的商用技术，电力仅能为钢铁行业和铝行业提供 500多度的工作温度。电煅烧虽然正在兴起，但是目前仍处于 3 级技术成熟度的水平，因此尚需一段时间才能投入大规模的商业运行。此外，许多可再生技术都能够提供低温（低于 150），但适用于中高温工艺的技术依然较少。固体直接空气捕获技术可使用热泵、地热、太阳能、生物质 燃料等多种可再生能源供电。而对于液体直接空气捕获技术，目 前的高温要求尚不允许同样的灵活性，充其量仅能使

10、用低碳燃料，例如，生物甲烷或可再生电解氢。大型液体直接空气捕获工厂在 设计时均考虑了使用天然气进行供热，无需借助额外设备便可捕 获天然气燃烧过程中产生的二氧化碳。这种集成方式在保障脱碳的同时，也大幅降低了工厂的整体排放量。然而，未来任何一种提供高温能力的可再生能源都可能将该过程中的排放降至接近于零，从而最大限度地提升脱碳潜力和增加相关的收入来源。促进大规模电煅烧技术的商业化，对实现液体直接空气捕获工厂完全依靠可再生能源进行运营而言，非常重要。（三）脱碳的碳足迹和成本作为一项减缓气候变化的解决方案，降低直接空气捕获在建设、调试、运营和退役期间给环境造成的影响，对于提升该项技术的价值至关重要。正是

11、基于这一原因，除低碳能源外，利用任何其他能源为直接空气捕获供电均毫无意义。因此，需要以生命周期评估来量化直接空气捕获技术的脱碳 量。但其结果取决于许多因素，如参照系及其边界的选择、土地 管理和利用的变量，以及排放和脱碳的时机。目前，关于脱碳技 术的大多数生命周期评估研究都集中在碳捕获与封存型生物能 源或生物炭生产过程中的碳利用上。仅有少数生命周期评估可用 于直接空气捕获。其中大多数研究均发现，直接空气捕获与封存 属于负碳型技术，当利用低碳能源为直接空气捕获供电时，便可 以实现减碳。对于依赖天然气和电网电力的直接空气捕获与封存，脱碳效率将高于 60%；对于利用天然气燃烧加热捕获二氧化碳，且在乐观

12、情况下，脱碳效率可达 90%。对于依靠低碳热源的直接空气捕获与封存，其生命周期排放量在很大程度上取决于当地电网的碳排放强度。如采用低碳或离网电力，脱碳效率将高达97%。脱碳成本会随着脱碳效率的提高而降低。当电力通过电网提供时，其碳排放强度对最终脱碳成本的影响最大，尤其是当通过热泵等电热技术产生热量时，其性能系数将取决于当地气候，就技术成熟度 6 至 11 级的技术而言，性能系数范围是 2.4 至 5.8。降低直接空气捕获与封存所用能源的碳排放强度，带来的益处可传导到分布式和集中式能源的脱碳。（四）水和土地足迹与其他脱碳方法相比，直接空气捕获工厂的水和土地足迹相对有限。不过，它们可以影响直接空气

13、捕获技术及其能源的选择。根据迄今为止所获得的信息，液体直接空气捕获技术从大气中捕获每吨二氧化碳需 50 吨水；固体直接空气捕获可以从空气中提取水分及二氧化碳，从大气中捕获每吨二氧化碳需脱去 0.82 吨水。上述需水范围在较大程度上取决于直接空气捕获技术、周围温度和湿度，以及液体直接空气捕获所使用的溶液浓度。 直接空气捕获的土地足迹要少于其他脱碳方法的土地足迹，尤其是那些依靠生物质脱碳的方法。据最新估计，如每年从大气中捕获 100 万吨二氧化碳，液体直接空气捕获工厂需要大约 0.4平方公里的土地，固体直接空气捕获工厂需要 1.2 至 1.7 平方公里的土地。相比之下，新兴的变电吸附（ESA-DA

14、C）技术需要的土地足迹可能会更少，每百万吨二氧化碳的捕获仅需 0.02 平方公里的土地。这将成为变电吸附直接空气捕获的一项显著优势。但由于当前的技术成熟度太低，无法量化对其进行大规模部署的潜力。对能源的选择也会大幅增加直接空气捕获的土地足迹，地热每年捕获每百万吨二氧化碳需要增加 1.5 平方公里的土地，太阳能光伏每年捕获每百万吨二氧化碳需要增加 23 平方公里的土地。C()*+,-./0 DEFG（一）不同地区的捕获成本直接空气捕获已在欧洲和北美进行了示范。考虑与现有工业 中心、现有和规划中二氧化碳输送和封存基础设施共址的可能性，这两个地区非常适合容纳更多的直接空气捕获设施。其他具有成本竞争力

15、的地区还包括：北非、中东等具有高可再生能源潜力的地区，中东、俄罗斯等天然气价格低的地区，以及日本等对二氧化碳利用和碳循环经济有强烈兴趣的地区。在这些地区，直接空气捕获的成本根据资本支出（CAPEX）以及能源和二氧化碳的价格而有所不同。要达到净零展望中的全球直接空气捕获部署率，资本支出要大幅下降，与 2020 年相比， 2030 年下降 49%65%，2050 年下降 65%80%。在地区方面，由于原材料和制造成本较低，中国、中东、俄罗斯和北非的资本支出预计将低于欧洲和美国。天然气资源丰富地区的天然气价格预计会低于欧洲和美国，而欧洲、美国和日本的二氧化碳价格预计会高于其他地区。所有这些因素都将导

16、致，20202030 年通过直接空气捕获进行碳捕获的地区成本下降 31%43%，2030 2050 年下降 10%24%。在不包含碳价的情况下，所有选定地区都有可能以低于 100美元/吨的价格直接从空气中捕获二氧化碳，而中东地区的直接空气捕获成本将低于 50 美元/吨，这要归功于低资本支出、低天然气和电力价格等因素。巨大的可再生能源潜力以及最佳的发电和供热实用技术，可大幅降低直接空气捕获成本。到 2050 年，在碳价居于 250 美元/吨二氧化碳的情况下，直接空气捕获在所有由太阳能光伏提供热力、或由陆地和海上风电提供可再生电力的地区将实现盈利。（二）能源需求具有较高可再生能源潜力的地方最适合建

17、设直接空气捕获工厂，尤其是以脱碳为目标且具有大量二氧化碳封存潜力的地方。可再生能源也具有一定程度的选址灵活性，然而，可再生能源发电和供热能力不能连贯，若完全依靠可再生能源，将导致直接空气捕获工厂的利用率降低。储能可以确保直接空气捕获工厂的持续运营，但会增加系统的资本成本。也可以考虑使用其他可再生能源为直接空气捕获供电，包括：地热和水力发电、生物甲烷和聚光太阳能。可再生热力和电力的生产机会因地区而异。假如某一地区有较高的可再生能源潜力时，可结合土地利用及其变量等诸多因素来评估是否适合对直接空气捕获进行大规模部署，例如，该地区的城市化程度如何，以及是否存在自然栖息地、生态系统和海洋保护区等。国际能

18、源署在近期一项分析报告中指出，风力资源在大多数沿海地区较为丰富，包括美国中部、南美洲南部地区、英国和爱尔兰，太阳能资源在全球的分布较为分散，例如，美国西南部、墨西哥、南美洲东部、中东和澳大利亚东部地区。将直接空气捕获设施与能够利用废热的现有资产和基础设施选址在一起，可以为直接空气捕获工厂提供另一个供电方案。废热的来源包括发电厂、工业厂房、热电联产厂、合成燃料生产和焚化过程以及冷却塔。核电站、地热电站和水电站等也可为直接空气捕获供电。大多数地热发电厂位于美国和墨西哥的西海岸以及日本和菲律宾，许多水力发电厂位于南美洲、东欧/欧亚大陆和中国南部。核电站主要位于美国东部、欧洲、中国东海岸和日本。（三）

19、二氧化碳的利用与封存从空气中捕获到二氧化碳后，可以将其封存在地下予以永久清除，也可以进行直接或间接利用。目前全球运营中的 18 座直接空气捕获工厂中，只有两座将二氧化碳封存在了专门的场所，其余 16 座都是收集二氧化碳供附近的工业设施利用。脱碳需要实现对二氧化碳的永久封存。大多数规模化二氧化碳应用都会导致二氧化碳最终重新释放到大气中。但对二氧化碳的利用仍将带来显著的气候效益，尤其是当应用途径具有可扩展性、使用了低碳能源或取代了生命周期排放量更高的产品时。在实现净零排放的脱碳路径中，大气中的二氧化碳最终需要取代对化石碳的使用。虽然在上述情况下，利用二氧化碳可以带来气候效益，但这无法取代二氧化碳封

20、存，而是只能作为补充。为实现全球气候目标，预计还需要在更大范围内进行技术部署。根据国际能源署的净零排放展望，在捕获的所有二氧化碳中，大约 95%的二氧化碳都将被封存，而不是被利用。直接空气捕获的二氧化碳可被封存在深部咸水含水层、枯竭的油气田以及包括玄武岩在内的其他岩层中。在 2050 年，通过直接空气捕获可获得 9.8 亿吨二氧化碳，其中 6.3 亿吨二氧化碳将被永久封存，剩余的 3.5 亿吨二氧化碳将被利用。H(IJ)*+,-./0:;（一）大力支持直接空气捕获技术直接空气捕获技术在实现净零目标方面的重要作用被越来越多的国家认可，且获得政策扶持和投资。自 2020 年初以来，宣布为直接空气捕

21、获研发和部署提供的专项资金已有近 40 亿美元，直接空气捕获头部企业已筹集约 1.25 亿美元的资金。目前规划中的直接空气捕获设施共有9 座。如果这些项目均正常运营，到 2030年，直接空气捕获能力有望达到 300 万吨二氧化碳左右，这一数字是目前捕获率的 380 多倍，但仅为净零展望所需部署水平的3.4%。支持直接空气捕获的国家日益增多。率先支持直接空气捕获研究、开发、示范和部署的国家和地区包括加拿大、欧盟、英国和美国。澳大利亚、日本、挪威等国也在积极支持直接空气捕获的发展。直接空气捕获的私人投资日渐高涨。包括清洁技术风险投资基金（Breakthrough Energy Ventures）、

22、Prelude 风险投资公司和低碳资本新基金（Lower Carbon Capital）在内的各大风投机构纷纷投资初创型企业和已实现空气捕获二氧化碳的成熟型企业。这些私人投资可促进大规模的技术应用，降低新兴技术的风险，并可在没有其他脱碳与封存激励措施的情况下依然推动直接空气捕获技术的发展。与此同时，开发和部署直接空气捕获技术的新型商业合作伙伴关系和协议也大量增多。（二）直接空气捕获的经营模式通过高质量脱碳平衡排放。越来越多的政府和企业宣布了净零目标，成熟的低碳产品市场对脱碳解决方案的兴趣和需求也日益增大。对于许多企业而言，要实现其气候目标，就需要采取某种形式的减排，以平衡碳排放。目前基于技术的

23、脱碳方法都较为昂贵，但是经评估后，高质量的技术仍能吸引企业进行使用。直接空气捕获企业正在向愿意支付定期服务费用的个人和企业提供商业服务，替他们将二氧化碳从大气中清除并封存于地下。服务的价格根据购买的清除量，从 600 到 1000 美元/吨二氧化碳不等，但并未有较大金额商业交易的价格详情。出售用于工业用途的二氧化碳。大多数目前运营中的直接空气捕获设施都通过销售捕获的二氧化碳获得收入，包括用于碳酸 饮料生产和大棚种植。目前二氧化碳最主要的工业应用是化肥生 产和提高石油采收率，未来的二氧化碳大规模应用机会则是化学 品、燃料和建筑材料的生产。尽管其中有些用途可使二氧化碳被 封存，但其余大多数都会导致

24、二氧化碳在短期内被释放到大气中。鉴于该原因，为实现净零目标，逐渐开始要求这些应用中所利用 的二氧化碳必须是生物炭或是从空气中捕获的。目前，挪威合成 燃料（ Norsk e-fuels）等众多公司正在开发利用直接空气捕获二氧化碳制成合成燃料的技术，但其工艺非常昂贵，成本是化石燃料的五倍以上。要让这些燃料成功实现商业化，需要进一步的创新和政策扶持来降低成本。（三）部署直接空气捕获技术的六大重点1、开展规模化示范必须尽早开展直接空气捕获技术规模化示范，以减少未来部 署和成本的不确定性。要让目前规划中的大型项目投入运营，这 至关重要，因为其将为直接空气捕获技术和供应链提供基础知识，并为未来的项目铺平道

25、路。制定税收抵免等有针对性的政策来支 持对直接空气捕获设施的早期投资，包括提供建设补助金和运营 补贴。还可以通过排放交易框架或自愿碳交易市场等市场机制进 行补充。2、促进整体价值链创新创新对降低直接空气捕获技术成本并加快其商业化应用极为重要。直接空气捕获技术的优先创新需求包括：借助新兴的分离技术以及能够在中低温下再生溶剂的创新，降低分离二氧化碳所需的能耗。在液体直接空气捕获技术方面，推进工程成熟度和市场条件以实现可再生高温热能，最大限度地提高脱碳潜力，并为当前从天然气中捕获二氧化碳的设计提供替代方案。降低大规模利用空气捕获二氧化碳的成本，特别是利用合成燃料实现成本降低。短期内，增加研发和部署支

26、出，推动国家和全球层面直接空气捕获技术创新至关重要。因此，尽管未必是专门针对直接空气捕获，但很多举措都具备支持直接空气捕获技术和推动降低成本的巨大潜力。3、确定和开发碳封存技术直接空气捕获从大气中进行大规模脱碳的潜力取决于地质封 存的开发和可用性。尽管全球封存的二氧化碳资源远远供大于求，但确定、规划和开发特定二氧化碳封存场地可能就需要 510 年，具体取决于地理位置和现有数据的可用性。如不能大幅增加对二 氧化碳封存资源开发的投资，封存能力可能会妨碍直接空气捕获 以及其他碳捕获、碳利用与碳封存应用在净零路径中的贡献。在许多地区，特别是地质资源尚未被充分开发的地区，各国 政府应在确定和开发二氧化碳封存技术方面发挥主导作用。政策 重点将包括：在数据有限的条件下开发和发布二氧化碳封存地图 集。美国地质调查局和能源部与其他机构和政府合作提供技术专 业知识，对二氧化碳封存资源进行评估。为二氧化碳封存及相关 基础设施的商业性开发提供激励措施，包括通过直接资金支持或 运营支持。建立健全的法律法规框架，确保对二氧化碳封