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》。 赛迪智库材料工业研究所 对该报告进行了编译，期望对我国相关部门有所帮助。
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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。
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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。
一、直接空气捕获技术日益受到关注
（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，即，直接空气捕获与封存（DACS）、碳捕获与封存型生物能源（BECCS）。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）。
▲ 图1：净零展望中全球生物质和直接空气捕获的二氧化碳捕获量
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。2020—2050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。
（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、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Orca，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。
▲ 图3：2010-2021年，全球直接空气捕获能力
二、直接空气捕获技术介绍
（一）固体和液体直接空气捕获技术
固体直接空气捕获（S-DAC）是利用固体吸附剂的吸附/解吸循环过程。吸附发生在常温和常压下，解吸则是借助变温真空过程发生，二氧化碳就在低压和中温（80至100℃）下被释放。单个吸附/解吸装置每年可捕获数十吨二氧化碳，在当地条件允许的情况下，可用于从大气中提取水分。早期的工厂清除1吨二氧化碳需要脱水约1吨，而固体直接空气捕获工厂采用模块化设计，可根据需要添加任意数量的单元。
（二）新兴的直接空气捕获技术
变电吸附技术需利用电化学电池，其中固体电极带负电荷时吸附二氧化碳，带正电荷时释放二氧化碳，即变电荷，而不是其他物理分离技术中的变温或变压。该方法能够将二氧化碳从高浓度源和空气中分离出来，鉴于电池理论上是可以堆叠的，因此需要的空间有限，并且与液体直接空气捕获不同，无需额外的调节或泵送设备即可运行。
（三）直接空气捕获技术的成本
1、成本偏高且具有不确定性
从空气中捕获二氧化碳比从其他地方捕获二氧化碳需要更高的费用，因为大气中的二氧化碳比发电厂或水泥厂烟道气中的要稀薄得多。因此，与其他二氧化碳捕获技术和应用相比，直接空气捕获的能源需求和成本更高。
2、成本具有极大的下降空间
某研究指出，如直接空气捕获在全球范围内大量部署，捕获成本将在未来五到十年内大幅下降，主要是因为特定组件会降价、施工能力会提升，以及供应链也会日趋完善。就液体直接空气捕获而言，从建设第一个工厂到第n个工厂，预期成本会下降27%，其中42%的成本下降来自一种关键设备：空气接触器。就固体直接空气捕获而言，其成本有望在中短期内降低六分之一至三分之一。另外，加大部署和实现规模经济也可以进一步降低成本。
三、直接空气捕获技术部署的主要考虑因素
（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2030—2040年每年建造50座大型直接空气捕获工厂，在2040—2050年每年建造约40座大型直接空气捕获工厂。
（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。
（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。
四、直接空气捕获技术的最佳选址
（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。
（二）能源需求
具有较高可再生能源潜力的地方最适合建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。
（三）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。
五、加大直接空气捕获技术部署
（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%。
（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。
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