IEA研究表明，在2050年凈零排放情景中，到2030年直接空氣捕集技術(shù)需要捕集超過(guò)8500萬(wàn)噸二氧化碳，到2050年捕集約9.8億噸二氧化碳[1]。近年來(lái)，隨著政府支持性政策、技術(shù)創(chuàng)新以及風(fēng)險(xiǎn)投資對(duì)直接空氣捕集技術(shù)的投資，全球?qū)χ苯涌諝獠都夹g(shù)的研究和政策關(guān)注度也顯著提升，直接空氣捕集技術(shù)的科技出版物數(shù)量快速增加[2]。2024年2月，全球領(lǐng)先的市場(chǎng)研究與咨詢公司Markets and Markets最新研究表明，到2030年直接空氣捕集市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2023年的6200萬(wàn)美元增長(zhǎng)到17.27億美元，2023-2030年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為60.9%[3]。本文梳理和分析近年來(lái)直接空氣捕集技術(shù)國(guó)際戰(zhàn)略布局、技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)示范進(jìn)展，以期為決策提供參考。

一、發(fā)達(dá)國(guó)家促進(jìn)直接空氣捕集的政策措施

直接空氣捕集現(xiàn)處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的早期階段，當(dāng)前，美歐等國(guó)家不斷通過(guò)項(xiàng)目研發(fā)資助和稅收抵免措施推進(jìn)直接空氣捕集技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。

在促進(jìn)技術(shù)研發(fā)方面，美國(guó)于2021年11月發(fā)布“負(fù)碳攻關(guān)”計(jì)劃，旨在研發(fā)包括直接空氣捕集技術(shù)在內(nèi)的CO2移除技術(shù)，到2050年從大氣中去除數(shù)十億噸CO2，并使其更具成本效益和可擴(kuò)展性，達(dá)到捕集和封存成本低于100美元/噸。2022年12月，美國(guó)能源部宣布提供 35 億美元的資金，用于開(kāi)發(fā)四個(gè)區(qū)域直接空氣捕集中心，用以加速直接空氣捕獲技術(shù)的示范和部署[4]。英國(guó)《凈零戰(zhàn)略》提出將提供高達(dá)1億英鎊的新研發(fā)資金用以幫助在英國(guó)開(kāi)發(fā)直接空氣捕集和其他溫室氣體去除技術(shù)，并專門(mén)設(shè)立了“直接空氣碳捕集和溫室氣體去除技術(shù)競(jìng)賽”計(jì)劃，目前已投資6000萬(wàn)英鎊用于第一階段技術(shù)研發(fā)和第二階段示范項(xiàng)目支持[5]。

在促進(jìn)直接空氣捕集技術(shù)市場(chǎng)部署與推廣方面，2022年美國(guó)《通貨膨脹減少法案》提高45Q對(duì)用于永久封存的直接空氣捕集的稅收抵免，最高可達(dá)180美元/噸，以刺激市場(chǎng)推廣。2024年6月20日，加拿大議會(huì)通過(guò)C-59法案，提出從2022年到2030年，直接空氣捕獲項(xiàng)目的稅收抵免率為60%，2031-2040年的稅收抵免率為30%[6]。

二、直接空氣捕集技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

目前直接空氣捕集技術(shù)主要包括液體 DAC 技術(shù)、固體DAC技術(shù)以及其他創(chuàng)新技術(shù)（如電化學(xué)、低溫和膜分離DAC技術(shù)）。

（1） 液體DAC技術(shù)

液體DAC技術(shù)主要包括堿性氫氧化物溶液DAC技術(shù)、胺溶液DAC技術(shù)等。堿性氫氧化物溶液DAC技術(shù)由于溶劑易獲取、吸收動(dòng)力學(xué)快、揮發(fā)性和毒性低等優(yōu)點(diǎn)適用于大規(guī)模應(yīng)用，但是該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)是能耗較大。與氫氧化物溶劑（再生溫度900℃）相比，使用胺類溶劑的優(yōu)點(diǎn)包括再生溫度（110-150°C）較低、可用性好、成本低、結(jié)合力強(qiáng)，但是胺溶劑存在高揮發(fā)性、毒性、腐蝕性以及設(shè)備污垢等挑戰(zhàn)[7]。目前研究人員正在研究各種環(huán)境友好型溶劑，如氨基酸鹽溶液、離子液體等。2023年12月，懷俄明大學(xué)研究人員研發(fā)了使用賴氨酸作為吸附劑和N摻雜的3D石墨烯作為提高吸收/解吸效率的雙功能催化劑，僅引入500 ppm的N-3DG催化劑就將工作效率（≥90%CO2吸收效率）增加了233%，其吸收能力增加了197%。在70℃條件下，該催化劑還顯著加快了CO2解吸能力和速率約280%和338%，使吸附劑的再生利用可以通過(guò)低溫余熱。此外，通過(guò)50次循環(huán)試驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)的優(yōu)異穩(wěn)定性[8]。另外離子液體因其獨(dú)特的特性和分子結(jié)構(gòu)，具有良好的穩(wěn)定性、超低的揮發(fā)性、可設(shè)計(jì)性和高的CO2溶解性/選擇性，在CO2捕集和分離中表現(xiàn)出良好的性能。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了各種類型的功能化離子液體，包括超堿/羥基官能化離子液體、超堿/咪唑類離子液體、堿度可調(diào)的超強(qiáng)堿型功能化離子液體、酚類離子液體、羧酸官能化離子液體等，通過(guò)調(diào)節(jié)控制功能化離子液體的堿度來(lái)調(diào)節(jié)CO2的化學(xué)吸附行為，從而實(shí)現(xiàn)高效空氣中直接捕集CO2的工程化要求[9]。

（2） 固體DAC技術(shù)

固體DAC技術(shù)主要包括固體堿（土）金屬DAC技術(shù)、固態(tài)胺吸附劑DAC技術(shù)、金屬有機(jī)框架（MOFs材料DAC技術(shù)等。固體DAC技術(shù)采用模塊化和可堆疊設(shè)計(jì)，初始部署成本較低，因此目前發(fā)展成熟并適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景。此外，其碳捕獲過(guò)程中消除了對(duì)水的需求，這使其適用于水資源短缺構(gòu)成嚴(yán)重問(wèn)題的干旱地區(qū)。MarketsandMarkets研究預(yù)測(cè)在2030年前，固體DAC技術(shù)將以最高的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。但目前這些技術(shù)方法仍面臨著不同挑戰(zhàn)，如固體堿（土）金屬DAC技術(shù)的再生能耗較高、固態(tài)胺吸附劑技術(shù)熱穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高、MOFs材料捕集效果受環(huán)境中水含量影響較大等，研究人員為解決這些挑戰(zhàn)開(kāi)展了相關(guān)研究。2024年6月，瑞士Climeworks公司推出最新第3代直接空氣捕集技術(shù)[10]，該技術(shù)改用新型結(jié)構(gòu)吸附材料，增加了與二氧化碳之間的表面接觸，將捕集和釋放二氧化碳的時(shí)間縮短了至少兩倍，因此捕集的二氧化碳量是舊式濾芯的兩倍以上。與過(guò)去使用的材料相比，新型過(guò)濾材料的能源消耗減少一半，使用壽命延長(zhǎng)三倍。該技術(shù)將于2026年應(yīng)用于美國(guó)路易斯安那州百萬(wàn)噸級(jí)直接空氣捕集Cypress大型項(xiàng)目。2024年6月5日，劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的“帶電吸附材料”，通過(guò)類似于電池充電的過(guò)程，將離子積聚在低成本活性炭的孔隙中。該方法能夠快速?gòu)沫h(huán)境空氣中捕集二氧化碳，帶點(diǎn)吸附劑能夠在低溫（90-100°C）下再生，顯示出優(yōu)異的性能和商業(yè)潛力[11]。

（3） 其他創(chuàng)新技術(shù)

除了上述液體和固體DAC技術(shù)外，研究人員還在研究的其他創(chuàng)新直接空氣捕集技術(shù)，如電化學(xué)、膜分離和低溫DAC技術(shù)。其中電化學(xué)DAC技術(shù)因其在室溫和壓力較溫和的條件下具有潛在的較低能耗，而被認(rèn)為是克服傳統(tǒng)直接空氣捕集技術(shù)高能量需求限制的可行選擇。2023年1月，麻省理工學(xué)院研究人員在水溶液中使用中性紅作為氧化還原活性材料和煙酰胺作為親水增溶劑，實(shí)現(xiàn)低能耗的電化學(xué)直接空氣捕集，將傳統(tǒng)技術(shù)工藝需求熱量從230~800千焦/每摩爾CO2最低降至65千焦/每摩爾CO2[12]。

三、直接空氣捕集技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

除政府資助外，私人投資也是直接空氣技術(shù)發(fā)展的重要支柱。2021年，馬斯克宣布XPRIZE碳去除獎(jiǎng)賽（1億美元）用于支持包括直接空氣捕集技術(shù)在內(nèi)的碳去除技術(shù)。2023年3月，騰訊聯(lián)合產(chǎn)業(yè)、投資和生態(tài)合作伙伴，啟動(dòng)“碳尋計(jì)劃”（2800萬(wàn)美元），首期聚焦碳捕集、利用和封存以及基于技術(shù)的碳去除解決方案。此外，全球多個(gè)直接空氣捕集公司正在進(jìn)行融資以促進(jìn)技術(shù)發(fā)展。2022年4月，Climeworks公司獲得了6.5億美元的融資。2023年11月，西方石油公司宣布全球最大的資產(chǎn)管理公司貝萊德將向Stratos直接空氣捕集工廠投資5.5億美元[13]，目前亞馬遜、空客、全日空 （ANA）、多倫多道明銀行、微軟、托克等多家國(guó)際公司從該公司購(gòu)買(mǎi)碳去除信用額度。2024年3月，美國(guó)領(lǐng)先的直接空氣捕集（DAC）公司CarbonCapture宣布成功完成8000萬(wàn)美元的A輪融資，將用于CarbonCapture模塊化直接空氣捕集系統(tǒng)的早期安裝[14]。

據(jù)直接空氣捕集聯(lián)盟（DACC）和AlliedOffsets公司統(tǒng)計(jì)[15]，2024年是DAC發(fā)展的重要一年，全球最大的萬(wàn)噸級(jí)DAC工廠在冰島投入運(yùn)營(yíng)[16]。預(yù)計(jì)到2024年底，將有53個(gè)DAC工廠（聯(lián)合試點(diǎn)和商業(yè)設(shè)施）投入運(yùn)營(yíng)，總產(chǎn)能為58 ktCO2/年，較2023年增長(zhǎng)7.8倍。到2030年，目前已有93家DAC工廠宣布將投入運(yùn)營(yíng)，總產(chǎn)能達(dá)到6.4-11.4 MtCO2/年。雖然目前大部分工廠的規(guī)模較小，但已有全球領(lǐng)先的幾家企業(yè)宣布計(jì)劃擴(kuò)大其規(guī)模，如瑞士Climeworks公司計(jì)劃2030年達(dá)到百萬(wàn)噸碳去除能力，到2050年達(dá)到億噸碳去除能力，美國(guó)1PointFive公司計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)5530萬(wàn)噸規(guī)模，美國(guó)CarbonCapture公司計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)500萬(wàn)噸規(guī)模[17]。若要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，未來(lái)需要部署更大規(guī)模的DAC工廠，到2030年達(dá)到百萬(wàn)級(jí)別，到2050年達(dá)到十億噸級(jí)。

四、結(jié)語(yǔ)

由于大氣中的 CO2比發(fā)電廠、水泥廠等點(diǎn)源煙道氣中的 CO2稀釋得多，這導(dǎo)致 DAC能源需求和成本較高。據(jù)不同研究估算，目前直接空氣捕集技術(shù)的成本在每噸400到1000美元之間[18]。國(guó)際能源署研究指出通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，捕集成本可能降至每噸二氧化碳100美元以下。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)需要通過(guò)政府和行業(yè)進(jìn)一步的加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)、制定有利于DAC發(fā)展的政策環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先，政府和行業(yè)需要繼續(xù)為直接空氣捕集技術(shù)研發(fā)、示范和部署提供資金支持，并制定有利的融資框架（稅收優(yōu)惠、政府采購(gòu)、碳價(jià)格等），促進(jìn)大型直接空氣捕集工廠的實(shí)施推廣。其中在未來(lái)技術(shù)創(chuàng)新方面，一方面需要繼續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)：針對(duì)液體DAC技術(shù)，開(kāi)發(fā)能夠使用低碳能源（可再生能源、核能）且再生溫度較低的新型溶劑；針對(duì)固體DAC技術(shù)，開(kāi)發(fā)具有更高的CO2吸收、更低解吸熱、更長(zhǎng)壽命、更高CO2 選擇性的新型吸附劑。結(jié)合多尺度建模和優(yōu)化算法，可以幫助篩選活性和支撐材料，并有助于在分子水平上深入理解吸附機(jī)制。另一方面，開(kāi)發(fā)電化學(xué)、電擺吸附 (ESA)、雙極膜電滲析（BPMED）、低溫DAC等新型替代技術(shù)。

此外，為直接空氣捕集技術(shù)制定基于生命周期評(píng)估 (LCA) 的公認(rèn)方法和核算框架，對(duì)于支持將其納入受監(jiān)管的碳市場(chǎng)和國(guó)家清單以及作為評(píng)估直接空氣捕集技術(shù)補(bǔ)貼計(jì)劃效益的工具非常重要。但目前《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》并不包括直接空氣捕集的核算方法，這意味著與直接空氣捕集相關(guān)的碳去除技術(shù)不能計(jì)入《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（UNFCCC）下的國(guó)際減排目標(biāo)。歐洲、美國(guó)和加拿大已開(kāi)始努力開(kāi)發(fā)碳清除認(rèn)證，并通過(guò)創(chuàng)新使命碳去除使命和《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第 6.4 條監(jiān)督機(jī)構(gòu)等倡議進(jìn)行[19]。因此需要制定統(tǒng)一的生命周期評(píng)價(jià)（LCA）和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）方法，并開(kāi)發(fā)穩(wěn)健且透明的認(rèn)證方法。

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[19] IEA.Direct Air Capture. https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/direct-air-capture