太阳能驱动的碳捕获与利用技术：强化碳减排与绿色食品生产

《Energy Conversion and Management》：Solar-Driven Carbon Capture and Utilization for Enhanced Carbon Mitigation and Greenhouse Food Production

太阳能驱动碳捕获与温室集成系统提升食物生产与碳封存效益，分析关键变量如太阳辐射、植物固碳率及捕获能耗的影响，全球61.75%地区表现优于传统设计。

　　

沈永婷|袁星志|郑玲|杨宏星

中国香港特别行政区香港理工大学建筑环境与能源工程系可再生能源研究小组（RERG）

摘要

减缓碳排放和确保粮食安全对于可持续发展至关重要。虽然基于太阳能的碳捕获技术（SCC）在减少碳排放方面展现出巨大潜力，但高效利用捕获的二氧化碳（CO₂）同样对实现可持续且经济可行的碳减排目标至关重要。一种具有前景但常被忽视的利用途径是将捕获的CO₂直接供应给温室以促进粮食生产。本研究提出了一种结合SCC与温室的太阳能驱动碳捕获与利用（SCCU）策略，该策略能够提升净碳减排效果、增加粮食产量，并产生经济效益。SCCU系统利用太阳能支持CO₂捕获过程，并利用CO₂提高温室作物的光合作用效率，从而提高产量。通过建立分析模型，本研究确定了系统性能依赖于关键变量，包括太阳辐射强度、植物特性以及碳捕获所需的能量。研究结果表明，系统性能与全球水平辐照度呈正相关，而与植物的原始CO₂固定速率和碳捕获方法的特定能量需求呈负相关。SCCU系统在粮食产量方面可实现最高43.1%的提升，在碳固定方面实现41.0%的提升，在净现值方面实现23.7%的提升。全球分析表明，在61.75%的地点，SCCU系统在碳捕获、粮食生产和经济效益方面均优于传统设计。总体而言，本研究展示了SCCU技术在促进碳减排和温室粮食生产方面的巨大潜力，为增强可持续生产和气候韧性提供了新的见解。

引言

碳减排和粮食安全对人类可持续发展至关重要[1]。近几十年来，由于人类活动（如化石燃料燃烧、工业过程和土地利用变化）导致碳排放量大幅增加[2]。不断增加的碳排放引发了全球变暖，并在多个方面降低了人类生活质量，其中粮食安全成为一个主要问题[3]。鉴于人口增长进一步加剧了碳排放和粮食短缺的威胁，迫切需要制定能够在全球范围内同时减少碳排放和确保粮食安全的策略。

利用选择性二氧化碳（CO₂）材料从大气或难以减排的领域（如重工业和水泥厂）中分离CO₂的碳捕获技术，在减少CO₂排放方面发挥着关键作用[4]。近年来，已经开发出多种碳捕获方法，如物理吸附[5]、化学吸收[6]和钙循环[7]。尽管这些技术在捕获CO₂方面有效，但它们通常能耗较高，主要是因为需要能量来再生CO₂饱和材料并重新浓缩捕获的CO₂。这种高能耗可能导致额外的CO₂排放，从而降低碳捕获的整体效益[8],[9]。通过将太阳能整合到碳捕获系统中，可以减少对高能耗能源的依赖，并最小化相关的CO₂排放[10],[11]。例如，太阳能热能已被用于支持胺基吸收[12]、钙循环[13]和物理吸附[14]等捕获方法，以实现可持续的碳减排。

为了进一步提高基于太阳能的碳捕获（SCC）技术的可持续性，高效利用捕获的CO₂同样至关重要。目前，许多关于太阳能驱动碳捕获与利用（SCCU）的研究集中在通过化学途径处理捕获的CO₂上，例如将CO₂作为生产甲醇[15],[16],[17]、燃料[18],[19]、甲酸盐[20]或用于制造食品[21]和淀粉[22]的原料。然而，一种具有前景但常被忽视的利用途径是将捕获的CO₂直接供应给温室以促进粮食生产，这在频繁发生气候变化的背景下尤为重要[3],[23],[24]。提高作物温室内的二氧化碳浓度（通常为800-1,200 ppm）已被证明可以有效增强作物的光合作用效率，通过强化羧化作用并抑制呼吸作用（称为CO₂施肥效应），尤其是在占所有陆地植物物种约95%的C3植物中[25],[26],[27],[28],[29]。已经开发出多种向温室供应CO₂的方法，如直接注入通过化学反应、碳基燃料燃烧和发酵产生的纯CO₂[30],[31]。然而，这些方法往往能耗较高，并会产生有毒气体。因此，需要一种节能的CO₂供应方式来满足温室的需求，这表明将SCC与温室结合具有巨大的潜力，有助于实现可持续发展目标。

本研究提出了一种太阳能驱动的碳捕获与利用（SCCU）策略，该策略同时实现了碳减排、提高粮食产量和经济效益等传统设计无法实现的效益。在该策略中，太阳能驱动的CO₂捕获单元捕获并利用CO₂来提高温室内的二氧化碳浓度，从而促进作物生长和产量。为了评估这一方法，我们建立了一个分析模型，其中包括太阳能收集单元、CO₂捕获单元和温室作物栽培单元。为了展示系统的性能，我们进行了一系列分析，包括动态案例研究、变量分析、多目标优化和全球评估，以全面研究关键工作参数的影响。在这些分析中，使用性能指标（包括SCC面积比例、粮食产量提升、碳固定量以及与未采用SCC的温室相比的净现值）来评估系统性能。

方法论

在传统设计中，太阳能驱动的碳捕获子系统和作物温室是分开运行的（图1a）。碳捕获系统通常由高能耗能源（如化石燃料）驱动，从而导致额外的碳排放。根据具体的捕获方法，这些系统使用多种形式的能量——热能（例如吸附、吸收、化学循环燃烧）、电能（例如低温分离、电化学捕获、膜分离）等

结果

在结果部分，我们首先通过一个动态案例研究来探讨太阳辐射如何影响SCCU系统的解吸性能。然后，我们通过单变量和双变量分析评估了关键影响因素（如CO₂固定速率、CO₂捕获的特定能耗、CO₂捕获方法的特定成本以及GHI水平）对SCCU系统整体性能的影响，随后进行了多目标优化分析和全球分析。

结论

为了减少碳排放和确保粮食安全，本研究开发了一种太阳能驱动的碳捕获与利用（SCCU）系统，该系统利用可再生能源捕获CO₂并将其供应给温室，以增强作物光合作用，从而减少碳排放并提高粮食产量。为了展示这种方法相对于传统设计的优势，本研究进行了一系列比较分析，以评估关键参数的影响

作者贡献声明

沈永婷：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、可视化、验证、软件开发、方法论研究、数据分析、概念化。袁星志：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、数据管理。郑玲：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。杨宏星：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了香港理工大学杰出博士后奖学金计划（资助编号1-YWDD）的财政支持。