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【碳中和專欄】怎樣評估CO2還原合成碳質產品的經濟前景

    隨著全球人口的不斷增長以及自然植被的不斷減少，碳循環經濟成為了人類面臨的最大挑戰之一。可再生電能驅動的電化學CO₂還原（CO₂R）為降低全球CO₂的降低提供了一種有效的途徑，其可以將全球每年排放的10億多噸的CO₂轉變成有價值的碳質產品。然而，通過CO₂還原的方式，實現全球的碳循環和CO₂的降低，仍然存在許多關鍵性的問題：（1）經濟可行性如何？（2）轉型研發存在哪些降低成本的機會？（3）影響CO₂還原的價格是什么？（4）可再生電力的間歇性如何影響生產成本？

    鑒于此，美國可再生能源國家實驗室的Tao Ling研究員使用每年產量2億加侖的生物乙醇設施（每年產生約600千噸二氧化碳）作為CO₂來源，對五種主要電力驅動技術的CO₂減排進行了全面的經濟評估。并報告了11種有前途的碳質產品的近期、中期和長期經濟前景，同時為研究界提供了相關關鍵成本驅動因素和研發需求的指導。分析表明，隨著技術進步以及隨之而來的電價降低至0.03美元/kWh^-1和CO₂價格至每噸20美元，8種由CO₂衍生的產品價格有望達到或低于目前的市場價。

    【研究方法】通過文獻回顧和主題專家訪談確定CO₂R主要途徑和產品。根據已發表的文獻，生成了主要轉化技術和相關示范產品的數據庫。盡管許多已確定的產品也可以用作中間體（例如CO）以進一步轉化為其他產品，本文只考慮了單步 CO₂R過程。
 
    經濟情景。考慮到許多 CO₂R 技術仍處于起步階段，技術特定參數（例如，操作電壓、產品選擇性和CO₂單程轉化）和市場參數（例如，CO₂和電價）預計會隨著時間的推移而變化，因此，在整個研究過程中考慮三個獨立的經濟情景：（1）代表技術狀況（SOT）的“當前”技術參數和40美元每噸CO₂和 0.068 kW h^-1的電力；(2)基于來自領域專家的更激進的技術參數、與類似但更成熟的系統（例如燃料電池或水電解器）的比較以及工程判斷的“未來”情景，20 美元每噸CO₂和 0.03 kW h^-1的電力（更多信息見表 S7 ESI?）；(3)具有基于熱力學限制和/或最佳情況下假設技術參數以及0 美元每噸CO₂和 0.02 kW h^-1電力的“理論”情景。
    經濟評價系統的界限。模擬的CO₂R處理步驟包括核心CO₂轉化、未轉化原料的回收和產品純化階段。對于每個CO₂R 途徑，轉化固定CO₂流所需的材料和能源被量化并用于評估資本和運營費用以及其他的原材料單價商業數據庫。建模的TEA系統邊界不包括所有途徑共有的活動和過程，例如發電或廢物CO₂的生產和捕獲，而是作為捕獲CO₂的恒定運營費用。
    工藝規模。所有五個CO₂R途徑的規模基礎是產量為2 億加侖每年 (MGY) 的生物乙醇工廠，因為它代表了具有高純度和低成本的切入點。乙醇發酵過程中排放的CO₂質量流量（kg/h）由乙醇產量、CO₂排放因子和每年的運行小時數定義值為：

    可變運營成本。可變運營成本基于當前、未來和理論情景下的材料和能量平衡計算。假設當前、未來和理論情景下的CO₂價格為每噸分別為40美元、20美元和0美元。選擇每噸40美元作為報告的不同碳捕獲和封存 (CCS) 技術之間避免的CO₂成本的中間值；每噸20美元反映了只需最少清理的高純度CO₂；并且每噸0 美元，以反映在沒有政策信貸的情況下的最佳情況。對于當前、未來和理論場景，電力定價為0.068 美元、0.030美元和0.020美元每kW h^-1。對于當前情景，0.068美元每kW h^-1是基于美國 2017 年的平均工業電價，其中 0.030 美元和 0.020是一個合理平均可交付電價的長期估值。所有所需要的H₂假定是通過水電解產生的。應用上述電力成本在當前、未來和在模型中的理論情景中，電解H₂的估計生產成本分別為3.91美元、1.80美元 1.20美元每千克。使用化學工程雜志的工廠成本指數、SRI 咨詢公司的工業無機化學品指數以及美國勞工部勞工統計局提供的勞工指數，所有成本均根據通貨膨脹調整至2016美元。
    固定運營成本。對于所有五個CO₂R 途徑，年度維護成本估計為總安裝設備成本的2.5%，年度固定運營成本（即工資、財產保險和稅收）按總安裝成本 (TIC) 的 3%建模。根據美國能源部H₂A模型中先前的水電解槽假設，假設低溫CO₂電解槽每7或10年更換一次，分別占當前和未來的總安裝電解槽成本的15%或12%。對于高溫固體氧化物電解槽假設每4或7年更換一次，占電解槽總安裝成本的 7.5%或4%。理論情況下，假設在任何一種情況下都不需要更換電解槽。
    設備成本。隨著最近通過具有零間隙配置和膜電極組件形式的離子導電聚合物的電解槽設計推動更高的電流密度，目前性能最高的 LTE 反應器設計在物理上與 PEM水電解槽最相似。因此，電解槽資本成本基于DOE H₂A 計劃公布的已建立的PEM水電解槽系統。然而，水電解槽和CO₂電解槽之間的差異是在陰極上使用非貴金屬。PEM水電解槽通常在陰極上使用鉑，而CO₂R電解槽經常使用更便宜的金屬，如銅、錫和銀，具體取決于所需的產品。安裝的電解槽成本相應地進行了調整，以每平方米為基礎的安裝PEM電解槽在當前、未來和理論條件下，成本分別為18000美元，13000 美元和6000美元。在MES途徑中，堿性水電解槽被選為最相似的配置，這是基于報告的較低電流密度和由于微生物限制的水環境。使用可比較的H₂A模型，在當前、未來和理論場景中，每平方米安裝堿性電解槽的成本估計為1400 美元、1100美元和800美元每平米。HTE途徑中的CO₂電解槽基于固體氧化物電化學電池（SOEC)。對于此三種情況，SOEC安裝成本在每平方米基礎上分別為 8000 美元、6000美元和 4000美元。然后，每個CO₂R通路-產品組合所需的總電極面積可以由以下公式獲得：

其中I是電流，z是數字產生1 mol產品所需的電子數，n是給定產品的摩爾數，FE是法拉第效率，F是法拉第常數，t是操作時間，Q是每次以庫侖為單位的總電荷。
    折現現金流分析與最低售價。根據資本和運營成本數據，使用已發布的工程方法生成折現現金流收益率分析。主要財務假設分析包括40%的股權融資和3年建設加上6個月以上的開工期。假設CO₂R工廠的壽命為20年。營運資金假設為固定成本投資(FCI) 的5%，所得稅為21%。對于每個CO₂R途徑-產品組合，計算出的最低銷售價格(MSP)為：產品必須銷售以產生10%內部收益率的凈值為零的最低價格。盡管MSP計算為單點值，但概念性成本估算存在不確定性。基于數據的可用性、這些技術的TRL和我們的分析方法，此分析報告的數據類似于成本工程促進協會(AACE)國際推薦實踐定義的“4級”可行性研究第18R-97.51號文件。為了進一步解決計算的潛在不確定性，對兩個市場參數的敏感性進行了分析，以了解關鍵成本驅動因素以及降低成本的關鍵策略。
    【結果與討論】

    近期產品的經濟可行性。經過初步文獻篩選過程，根據近期技術可行性分析，選擇了11種產品進行比較分析，包括一氧化碳 (CO)、甲酸(FA)、草酸(OA)、乙烯(C₂H₄)、乙醇(EtOH) 、甲烷(CH₄)、甲醇(MeOH)、乙酸(AA)、聚羥基丁酸酯(PHB)、二甲醚(DME)和費-托液體 (FT)。
圖2A計算出的產品MSP與每種產品在2014-2018年美國平均市場價格（2016 美元）之間的價差，由中線表示，顯示了三種經濟情景。與市場價格的正偏差表示計算出的MSP大于當前市場價格，相反，與市場價格的負偏差表示計算出的MSP低于當前市場價格，并且該產品具有潛在的經濟可行性。認識到市場價格會隨時間波動，我們在中線附近加入了條形圖，這些條形反映了過去十年（2008-2018年）在數據可用的情況下觀察到的市場價格范圍。在CH₄的情況下，顯示了兩組條形圖來區分成本較低的化石天然氣（中線）和可再生天然氣（RNG，虛線），后者的市場價格要高得多。
由于當前市場價格較高（圖2B），預計只有PHB具有成本競爭力。在應用未來情景的改進技術和市場參數（圖2A中的藍色三角形）后，計算出的產品MSP在如圖3A所示的五個路徑中平均下降了74%，導致11個產品中有8個在潛在的市場競爭力（圖2A）。只有CH₄、MeOH和DME仍高于競爭性市場范圍。在理論情景下（圖2A中的綠色圓圈），除CH₄因美國天然氣(NG)價格低而處于不利地位之外，所有產品均處于或低于當前市場價格。但是，與RNG 價格（虛線條）相比，CH₄確實在未來場景中的某些技術和理論場景中的所有技術的競爭范圍內。這些結果意味著CO₂R的近期可行性在于高價值的特種化學品（通常市場份額很小）；然而，隨著技術和市場參數的不斷改進，許多CO₂R衍生的商品化學品和燃料的生產成本可以與現有的基于化石的方法的市場價格相媲美。

    Fig. 2. (A) Difference between calculated product MSP and 5 year (2014–2018) averaged U.S. market price in 2016 U.S. (B) A summary of 5 year (2014–2018) averaged annual global production reported vs5 year (2014–2018) average U.S. market price in 2016.

    除了技術和市場參數外，產品特定因素（如理論質量產量和反應化學計量）也強烈影響潛在的經濟可行性。在比較化學品（例如，FA）與燃料（例如，CH₄）產品時，碳氫化合物燃料具有較低的最大理論質量產率，因為從最終產品中去除氧原子以改善燃料特性。例如，CO₂R–CH₄的理論質量產率以CO₂為基礎僅為36%，而FA為105%，所有原始碳和氧元素保留在最終產品中以及添加的氫。對于常按質量銷售的產品，理論質量產量的這些差異可以在確定產品可行性方面發揮重要作用。類似地，直接轉化途徑中所需的電子數或間接途徑中所需的H₂摩爾數可能因產品而異。例如，將CO₂還原為CH₄需要8個電子（或4 mol H₂），而生產1 mol FA 只需要兩個電子（或1 mol H₂）。因此，假設轉化的基線均勻，含氧產品本質上效率更高，消耗的原料（電子或H₂）最多減少75%，同時實現更高的質量產量，從而降低運營成本(OPEX)，并且通常更具競爭力MSP。
    要使 CO₂R 對全球循環碳經濟產生影響，不僅要達到成本競爭力，而且要實現可在千兆噸級規模實施的目標產品。圖 2B顯示全球年消費量與 2014-2018 年美國市場平均價格（2016 美元每公斤）的對比，突出顯示11種產品的消費量存在四個數量級的變化。
    從碳利用的角度來看，當前質量最高的產品是CH₄、FT 產品、CO、C₂H₄、EtOH和MeOH。但是，應該注意的是，這是基于當前可用數據的快照，隨著對可再生電力季節性存儲的需求不斷增長以及產品替代市場的不斷擴大，對產品的相對需求可能會在未來發生變化。
    在考慮經濟競爭力和CO₂利用潛力時，FT產品、C₂H₄、EtOH和CO代表了一些最引人注目的CO₂R產品。在之前的一項研究中，研究了CO₂R的技術可行性和產品形成的相對容易程度，表現最好的C1-C3物種依次是CO、MeOH、CH₄、FA、C₂H₄和AA2。從這兩項研究的關系來看，從近期經濟角度和技術角度來看，CO和C₂H₄都是強有力的候選者。盡管美國天然氣價格低廉且頁巖氣興起，但對CO₂可持續甲烷化（即電轉氣）的研究和商業興趣也在增長，主要是由于其作為能源儲存的潛力，否則將受到限制電力、與現有NG基礎設施的兼容性以及推動全球RNG市場增長的燃料和能源的碳強度法規，這些市場對 RNG的價值高于NG。因此，這些MSP值不應被視為商業可行性或商業案例的陳述；它們僅代表成本估算。必須進一步考慮為多個部門提供價值以及其他附帶利益的機會。
    轉型研發的機遇。從當前情景轉向未來情景，CO₂R經濟性得到顯著改善，根據路徑，產品MSP平均減少54-97%（圖3A）。在更高技術就緒水平(TRL)間接途徑（即TC和BC）中，受益于多年的合成氣化學基礎設施和研發投資，MSP的改進主要由市場參數（即原料成本）驅動，平均占總成本降低的84%±17%。在市場參數中，H₂生產構成了最重要的部分成本。因此，盡管與核心CO₂R轉化步驟分開，但大規模電解制氫的研發工作有望為間接途徑的近期成本降低提供最大潛力。相反，新興LTE、HTE和MES路徑中的MSP對技術參數最敏感，平均占成本降低的77%±22%。為了將這些低TRL的直接路徑推向商業就緒，需要進行轉型研發來推進核心轉換技術。在高層次上，這些發現與其他研究一致，這些研究強調了市場參數（即H₂價格）和技術參數（即CD和FE）分別對間接和直接途徑經濟學的重要性；然而，我們分析的廣度允許更深入地量化特定技術指標對CO₂R經濟學的影響，以闡明最關鍵的研發需求，如下所述：
    使用圍繞當前技術參數的敏感性分析與跨技術評估相結合，確定了每個途徑-產品組合的CO₂R 的主要技術成本驅動因素和轉型研發領域。對于直接LTE和MES通路，部分電流密度始終是大多數產品中最具影響力的成本驅動因素。部分電流密度反映了用于生產每單位電極面積特定產品的電流總量，并直接影響電解槽的尺寸和資本成本。目前，資本成本的估計范圍從新興PEM電解槽的18000 美元每平米到更成熟的堿性電解槽的1400美元每平米。當電流密度低時，轉換固定體積的CO₂所需的電極面積增加，需要更大的設備，并導致更高的成本。在當前情景下，電解槽資本成本分別平均占LTE和MES工藝總MSP的44%和72%。
    圖3B顯示部分電流密度對MSP的影響并對LTE PEM電解槽進行了量化，在當前假設下轉換的每個碳需要轉移兩個、六個和八個電子的產品之間進行了比較。從10 mAcm^-2 的分電流密度開始，將一系列50mAcm^-2 階躍變化應用于TEA模型，從而可以計算每階躍變化的MSP 變化。在非常低的電流密度（即<100 mA cm^-2）下，適度的改進對MSP有顯著影響，例如，LTE乙烯生產的10→60 mA cm^-2變化顯示在MSP中減少了73 每千克/美元。產品對分電流密度的敏感性很大程度上取決于產品合成過程中每個碳轉移的電子數量（圖3B和C），每個碳需要8 個電子的產品受到的影響最大，而需要兩個電子的產品受影響最小。隨著部分電流密度繼續增加，對MSP的影響降低，斜率的“平衡點”，取決于反應中轉移的電子數量。應用MSP/部分電流密度斜率Δ0.5cents/mA的截止點，分析表明，對于每個碳需要兩個電子的產品，LTE PEM 系統的平穩點大約為160–210 mA cm^?2每個碳需要 6 到 8 個電子的產品需要 360-510 mA cm^-2（圖 3B）。對 MES 堿性電解槽應用相同的分析，對于每個碳需要 2 到 4 個電子的產品，分電流密度的平穩點約為 40-70 mA cm^-2，對于需要 6 到 8 個電子的產品，分電流密度的平穩點約為 95-130 mA cm^-2圖 3C）。

    Fig. 3. (A) The percentage reduction in calculated MSP moving from current to future scenario. (B) Impact of increasing partial current density on MSP of LTE products using PEM electrolyzers. (C) Impact of raising partial current density on the MSP of MES products using alkaline electrolyzers.

    二氧化碳價格和激勵措施的影響。CO₂R 技術被認為是轉換CO₂的通用選擇，從發酵罐的高度濃縮CO₂到大氣中的百萬分之一濃度。然而，每噸CO₂的價格因來源而異，從幾乎免費到數百美元的直接空氣捕獲。CO₂價格對產品MSP的影響取決于品種參數，包括整體過程效率、情景假設和產品類型。例如，在我們當前假設每噸CO₂固定價格為 40 美元的情況下，在效率較低且不發達的 LTE/MES 路徑中，CO₂成本平均僅占總產品成本的1.5%，在更成熟和更有效的HTE/TC/BC途徑中平均為6.5%。這一發現在當前情景下的一系列CO₂價格中是一致的。因此，隨著技術的進步和CO₂R途徑向商業化邁進，CO₂價格的影響將變得更加顯著，并且可以更清晰地觀察到。圖4量化了未來情景中二氧化碳價格對產品 MSP 的影響，這些來源包括：綜合氣化和聯合循環 (IGCC)、煤粉 (PC) 和天然氣聯合循環 (NGCC)發電，以及來自水泥、鋼鐵和直接空氣捕集源的二氧化碳。我們還研究了新興的聯邦級信貸的影響，例如美國 45Q 計劃，每噸封存價值約35美元。

    圖5顯示了在當前和未來情景中實現與當前市場銷售價格相等的 MSP 所需的每噸CO₂轉換的估價。這些值不考慮總生命周期排放，也無意促進特定水平的政策；相反，如果直接應用于轉換步驟中使用的CO₂，而無需對技術或其他模型假設進行其他更改，則該數據估計可以幫助實現計算出的MSP的市場價格平價的補貼水平。

    間歇運行經濟。為了說明MSP（即生產成本）、容量系數、輸入電價和 CAPEX之間的相互作用，圖6展示了在當前和未來情景條件下LTE衍生的 C₂H₄ 和SOEC衍生的CO間歇運行的兩個案例研究。選擇CO和C₂H₄來顯示電子需求的影響，并且由于兩種產物途徑組合的TRL相對較高。使用與上述相同的模型和假設，圖6A顯示了在當前情景條件下CO和C₂H₄產品的恒定MSP作為電價和容量因子的函數的線，CAPEX值范圍為5000萬美元至50000萬美元。作為參考，在當前案例中，建模的CAPEX值為6700萬美元（LTE-C₂H₄）和6800萬美元HTE-CO），而在未來案例中，建模的 CAPEX 值為2.19億美元（LTE-C₂H₄）和2600萬美元（HTE-CO）)。在保持所有特定于產品的技術參數（即電壓、電流密度、轉換）不變的同時，圖6A說明隨著容量因數從90% 基線值下降到代表間歇操作的較低值，有一個相應的降低所需的電價以保持產品的MSP不變。所需電價的下降源于這樣一個事實，即為了抵消較低容量因素造成的生產損失并支付固定融資費用，運營成本（即電力成本）也必須下降。

    【結論與展望】與生物能源領域在過去十年中采取的路徑類似，新興CO₂R技術的近期可行性將與降低原料（例如，H₂ 和電力）和轉換成本有關。數據表明，在當前情況下技術進步帶來的大量前期收益可能有助于縮小與現有方法的差距。高價值、高利潤的產品（例如PHB）或為多個部門提供價值的產品（即CH₄）可能會成為早期重點，以克服與未優化的技術和首創的相關的更高成本種植物。本文提供的技術經濟分析可以幫助指導必要的研發，例如優先考慮部分電流密度，以加速這些技術的發展，并為初始目標確定最具經濟優勢的產品。隨著CO₂R技術的發展以及更多設施的上線和運營成本的下降，它可能允許以更具競爭力的價格點擴展到利潤率較小的燃料等大批量商品產品。雖然這一戰略不會立即影響整體二氧化碳減排，最初側重于較小的利基市場，但它使該領域能夠更快地發展，并允許在工業規模上進行學習，以便這些經驗教訓與研發進步相結合，可以導致獲得一些最大的市場化學品和燃料，其成本與市場價格具有競爭力。
    隨著H₂和可再生電力成本被確定為CO₂R整體經濟的主要貢獻者，整個CO₂R經濟體系的一個新興主題，是通過間歇性運行來緩解這些挑戰，以在過度發電期間利用最低成本或削減電力。盡管限制用電量可以顯著降低運營費用，但在較低容量系數下運行CO₂轉化步驟所帶來的生產損失通常會顯著削弱償還固定費用的能力，尤其是在資本密集型過程中，提高產品單位產量的最低銷售價格。因此，必須具體問題具體分析，評估間歇運行的經濟可行性，未來的設計選擇不僅應受電力凈成本的影響，還應受資本支出有效利用的影響。未來需要更多的分析來確定大規模CO₂R的總能源需求，以及如何通過限電、專用基礎設施和系統集成來滿足這些需求，以最大限度地提高單位資本投資的產品產量。