日本碳中和目标下碳捕集利用与封存供应链网络的综合优化研究

为应对气候变化挑战，研究人员开发了首个整合电力系统、CO2捕集（CCUS）、氢能生产和燃料合成的国家尺度优化模型，应用于日本2050碳中和情景。该研究首次揭示了燃料进口限制与可再生能源扩张的定量关系，发现当碳中性燃料进口量低于3000 PJ/年时，全国电力需求将激增3倍，需重点开发北海道等风光资源富集区。研究为政策制定者设计弹性CCUS网络提供了关键决策工具。

　　

在全球气候危机日益严峻的背景下，日本作为资源匮乏的岛国，面临着独特的碳中和挑战。尽管国际能源署(IEA)数据显示当前全球碳捕集与封存(CCS)能力仅能实现COP28减排目标的3%，但日本政府仍将碳捕集利用与封存(CCUS)技术视为2050年实现碳中和(CN)的关键路径。然而，现有研究多聚焦单一技术环节，缺乏对电力、氢能、CO₂和燃料流动的协同优化，特别是在国家尺度上整合直接空气捕集(DAC)和化学吸收法(MEA)的系统研究更为匮乏。

针对这一科学难题，东京科学大学的Jundai Koketsu团队在《Journal of Cleaner Production》发表了创新性研究。他们构建了首个整合电力生产、CO₂捕集存储、氢能制备和燃料合成的国家尺度优化模型，通过线性规划方法，耦合47个日本行政区数据，量化分析了不同燃料进口和CO₂封存容量情景下的最优供应链配置。研究采用日本环境省可再生能源潜力系统(REPOS)数据评估区域发电潜力，整合经济产业省的成本参数，并创新性地将Morimoto等人开发的合成燃料工艺模拟数据纳入优化框架。

研究结果部分，"数值案例研究A"显示：在无进口限制情景下，日本全国通过进口碳中性燃料和北海道(节点1)的DAC设施即可实现碳中和，年捕集300万吨CO₂需消耗全国10%的供热需求。而"数值案例研究B"则揭示了关键转折点：当碳中性燃料年进口量低于2500 PJ时，国内合成燃料生产急剧增加，电力需求呈非线性增长。特别值得注意的是，在完全禁止进口的情景下，北海道因丰富的风光资源成为核心枢纽，需额外建设800 TWh可再生能源装机，是全国现有电力消费的1.6倍。

在"电网约束附加研究"中，团队发现当系统要求30%以上电力来自稳定电源时，核能与水电将完全替代火电+CCS方案，这一反直觉现象揭示了当前火电碳捕集技术在能效方面的固有缺陷。研究还识别出两个典型的合成燃料生产区位模式：在适度自给阶段(进口量1500-3000 PJ)，生产集中于工业聚集区如爱知县(节点40)；而在深度脱碳阶段，则转向可再生能源富集区。

这项研究的突破性发现为日本碳中和路径规划提供了重要启示：首先，维持3000 PJ以上的碳中性燃料进口能力可显著降低系统成本；其次，北海道的战略地位凸显，需提前规划超大规风光电基地；最后，电网灵活性将成为制约CCUS网络规模扩大的关键瓶颈。该研究建立的建模框架不仅适用于日本，也为其他岛屿经济体的碳中和系统设计提供了方法论参考，特别是在多能流协同优化和空间资源配置方面具有普适性价值。未来研究可进一步纳入土地利用约束和国际碳定价机制，使模型更具政策指导意义。