结合陆上风电与公用事业光伏的直接空气碳捕集技术潜力与成本分析：美国区域部署路径研究

《Environmental Science & Technology》：The Potential and Cost of Carbon Dioxide Removal Using Direct Air Capture with Land-Based Wind and Utility-Scale Photovoltaics

这篇综述系统评估了吸附剂基直接空气碳捕集与封存（Ad-DACS）技术在美国的规模化部署潜力。研究通过高分辨率地理空间分析，整合土地利用、可再生能源发电和地质封存三大约束条件，首次量化了县域层级的碳移除成本与潜力。结果表明，美国Ad-DACS年技术潜力达9吉吨CO2，长期净移除成本可降至210–1730美元/吨CO2。研究强调需建立标准化监测-报告-验证（MRV）框架，并为区域差异化部署策略提供科学依据。

　　

引言背景

实现全球净排放目标亟需大规模部署二氧化碳移除（CDR）技术。美国到2050年需达到吉吨级碳移除规模，而基于自然的CDR方案（如造林）受可扩展性和永久性限制。工程化解决方案——特别是直接空气碳捕集与封存（DACS）——因具备大规模永久移除潜力备受关注。当前DACS技术主要分为溶剂基和吸附剂基（Ad-DACS）两类，后者凭借较低再生温度（80–120°C）和低水资源依赖度展现优势。

吸附剂DACS工艺模型构建

研究开发了基于胺基固体吸附剂的模块化真空-温度摆动吸附工艺模型（图1）。模型采用固定循环时间（20分钟）和平均CO₂移除效率（75%），并引入气候条件（温湿度）调控的吸附剂工作容量修正因子。再生热源通过电动空气源热泵产生饱和蒸汽（1.1巴，102°C）供应，热泵性能系数（COP）基于环境温度动态计算。关键参数包括：基准吸附剂工作容量0.8 molCO₂/kg_吸附剂·循环、蒸汽需求11.9 GJ/吨CO₂、设备寿命20年（表1）。

环境条件对工艺性能的调控机制

环境温湿度通过双重路径影响系统效率：高温会降低CO₂吸附的 thermodynamic 驱动力，而适度湿度（40–50%）可提升胺基效率，但过高湿度将延长再生时间。基于Cai等建立的CO₂-水二元吸附模型，研究量化了不同气候区吸附剂生产力的空间分异（图S2）。此外，海拔通过改变环境气压调节风机能耗，在科罗拉多等高原地区可使近景成本增加13%。

近景部署成本与电网依赖性分析

首座机组（FOAK）规模为10万吨CO₂/年的吸附剂DACS设施，基于电网供电的净移除成本区间为840–5100美元/吨CO₂（图2）。成本差异主要源于各州电网碳强度、电价及建筑成本系数：佛蒙特州因水电主导（电网碳强度3.6 gCO₂/kWh）实现840美元/吨的低成本，而密歇根州（414 gCO₂/kWh）成本高达5100美元。怀俄明等州因电网碳强度超过捕集量，导致净移除成本无法定义。

长期技术潜力与可再生能源协同

通过叠加土地利用（排除湿地、保护区等约束）、风电/光伏发电潜力及地质封存空间三维数据（图3–4），研究识别出全美0.34万平方公里适宜土地。结果表明：

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  风电与光伏驱动吸附剂DACS年技术潜力分别为2.5吉吨和6.8吉吨CO₂
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  得克萨斯州因广阔土地与封存资源叠加，独占2吉吨/年潜力，皮科斯县等关键区域成本低至230美元/吨
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  阿拉斯加北部斜坡、怀俄明州甜水县等成为高潜力集群区（图6）

学习曲线驱动的成本演化路径

采用组件差异化学习率（吸附剂/接触器12%、热泵10%、风机5%等），在2050年全球部署0.5吉吨CO₂/年情景下，吸附剂DACS净移除成本可从近景2850美元/吨降至250美元/吨（图5）。成本下降主要贡献来自：热需求通过学习效应从11.9 GJ/吨CO₂降至7.025 GJ/吨CO₂；可再生能源供电使净移除分数从0.24提升至0.97。区域成本差异（210–1730美元/吨）显著受资源禀赋与封存成本调控。

政策启示与技术展望

研究强调需建立科学稳健的MRV框架以规范DACS性能评估。短期优先在电网低碳化程度高的区域（如华盛顿州）示范，长期则需通过管道网络联通可再生能源富集区与封存盆地。得克萨斯等州的先发部署不仅能降低本地成本，还可通过技术学习效应助推全局成本下降（图S7），为吉吨级碳移除提供可行路径。