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为应对全球气候变化，限制升温目标，研究人员开展混合直接空气捕获（HDAC）系统研究。结果表明该系统能从环境空气中捕获 CO2和水，不同场景下碳负担不同。这为碳中和技术发展提供新方向。
研究背景
在全球气候变暖的严峻形势下，实现将全球温度升高幅度控制在与工业化前相比 1.5°C 甚至 2°C 以内的目标迫在眉睫。而二氧化碳去除（CDR）技术成为关键一环，其中直接空气捕获（DAC）与合适的下游储存相结合，被视为大规模减缓气候变化的重要途径。当前，多种 DAC 方法正在被研究，然而，最先进的基于固体吸附剂或碳酸盐化学的方法都面临着能耗高、捕获成本高、水消耗大以及系统可操作性和稳定性等问题。例如，现有技术的能耗在 2000 - 5300 kWh / 吨捕获的 CO2不等，这使得大规模应用受到限制。因此，开发更高效、低能耗的碳捕获技术成为科学界和工业界共同追求的目标。
在这样的背景下，研究人员开展了关于混合直接空气捕获（HDAC）系统的研究。该研究由多个机构的研究人员共同参与，其成果发表在《Carbon Capture Science 》上。这一研究对推动碳捕获技术发展、助力实现全球气候目标具有重要意义。
研究方法
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过系统设计与构建，将大气水提取（AWE）和水分变压吸附（MSA）技术集成到 HDAC 系统中。其次，进行性能建模，利用 Iowa Environmental Mesonet 提供的 2012 - 2022 年的天气数据（温度和湿度），结合 H2O 和 CO2等温线、竞争吸附参数及其温度依赖性，估算不同地点和技术成熟度下的能源消耗。最后，运用生命周期评估（LCA）方法，依据 ISO 14040:2006 和 ISO 14044:2006 标准，评估 HDAC 系统在不同部署场景下的环境影响。
研究结果
3.1 生命周期影响评估结果与解读
研究发现，在所有场景中，电力来源的选择对碳负担影响最大。例如，使用电网电力时碳负担最高，而使用可再生能源（如风能、太阳能）和核能时碳负担较低。以加州和路易斯安那州的部署场景为例，在标准和拉伸（Stretch）两种技术性能假设下，电网电力对应的碳负担分别可达 33.2% - 64.0%，而核能仅为 3.5% - 4.8%。
当使用低碳强度电力时，工厂建设、吸附剂生产和报废处理等非电力相关组件的影响变得更加显著。工厂建设中，钢铁和铝的生产对环境影响较大，如 600 吨钢在工厂寿命期内用于捕获 60,000 吨 CO2，每捕获 1 吨 CO2需 10 kg 钢，其碳足迹因生产方式和回收含量而异。通过采购主要为回收材料可显著降低这些材料的碳强度。
在更广泛的生命周期影响分析中，研究评估了除全球变暖影响之外的其他类别。结果显示，不同电力来源在各影响类别中的表现不同，存在环境权衡。例如，核能在全球变暖方面表现优于风能和太阳能，但在其他影响类别（如生态毒性、致癌性和非致癌性）中表现较差，这些影响主要与核燃料的上游排放有关。
3.2 研究局限性
研究也存在一定局限性。由于 HDAC 技术仍在发展中，随着技术向更大规模部署和更高技术成熟度发展，资本工厂的材料分析可进一步细化。此外，本研究采用广泛的情景分析方法，虽有助于识别潜在热点，但在精度上有所欠缺，未来可通过考虑特定地点和相关供应链来提高精度。
研究结论与讨论
本研究对 HDAC 技术在不同地点、技术性能和电力供应选项下的多个潜在部署场景进行了全面分析。结果表明，所有场景在全球变暖潜力方面都有积极影响，碳负担主要取决于电源的碳强度，范围在 3.5% - 64.0% 之间。这一研究强调了在碳捕获过程中，能源消耗和材料选择的重要性。在高度脱碳的电力情景下，HDAC 工厂制造相关的影响在结果中相对更加显著，使用低碳强度材料（如高回收含量的钢铁和铝）可降低这些影响。
总体而言，HDAC 技术为碳捕获提供了新的解决方案，尤其在使用可再生和核能作为能源时，能有效降低碳负担。然而，在技术发展和大规模应用过程中，仍需关注材料选择、能源效率提升以及环境权衡等问题。未来的研究可进一步优化技术性能，完善生命周期评估，将 HDAC 模型与技术经济模型相结合，为该技术的实际应用提供更坚实的理论和实践基础，推动全球碳捕获和气候缓解目标的实现。
