生物炭可提升利用二氧化碳和可再生能源通过费托合成法生产电燃料的效率

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Biochar Enhances Fischer–Tropsch Electrofuels from CO2 and Renewable Energy

　　电燃料生产中采用逆博杜亚德反应替代逆水煤气变换（RWGS），通过生物质气化制备生物炭，减少电解氢需求并降低碳足迹。生命周期评估和 techno-economic 分析显示，Boudouard路径在工业热生产和碳捕获封存扩展系统中分别使成本降低10%-11%和6%，全球变暖影响减少10%-11%，但可能伴随资源消耗负担转移。

　　随着全球对减少碳排放和实现净零目标的关注度不断提高，交通运输领域作为主要的碳排放源之一，面临着巨大的减排压力。根据相关研究，交通运输部门贡献了超过三分之一的终端使用行业碳排放，而2022年的数据显示，该部门的能源消耗中，超过95%来自化石燃料。为了在2050年实现净零排放，交通运输领域的碳排放需要在2030年前减少约25%。鉴于长途运输（如航运和航空）难以完全电气化，低排放合成燃料成为一种重要的替代方案。其中，电燃料（Electrofuels，也称为e-fuels）因其可作为传统化石燃料的替代品，能够利用现有基础设施和发动机，从而降低脱碳成本，正逐渐受到关注。

电燃料的生产通常依赖于二氧化碳（CO?）作为主要的碳源，以及通过水电解获得的氢气（H?）。这种生产方式在理论上能够实现碳中和，因为捕获的CO?可以被重新利用，而水电解产生的H?则来自可再生能源。然而，目前电燃料的高成本仍然是其大规模应用的主要障碍。据研究显示，水电解产生的H?成本占绿色化学品（如甲醇、氨和乙烯）生产成本的主导地位，而这种高成本通常由电解器的资本支出和电力需求驱动。例如，Atsonios等人发现，水电解H?在甲醇生产成本中占比高达20%，而D’Angelo等人则指出，绿色H?在绿色氨生产成本中占比达68–92%。这些研究都表明，H?的成本是绿色燃料经济可行性的关键因素。

为了降低电燃料的生产成本，本文提出了一种新的合成路径，即利用逆布杜瓦德反应（Reverse Boudouard Reaction）将二氧化碳转化为一氧化碳（CO），从而减少对水电解H?的依赖。传统的电燃料生产中，CO通常通过逆水煤气变换反应（Reverse Water–Gas Shift, RWGS）从CO?和H?中生成，而这一过程需要大量H?作为反应物。相比之下，逆布杜瓦德反应直接利用固态碳（如生物炭）与CO?反应生成CO，无需额外的H?输入。这一过程不仅可以减少H?的使用量，还能通过生物炭的来源和处理方式优化整个系统的碳足迹和经济性。

生物炭是一种由生物质在350°C以上高温下，在有限氧化剂浓度条件下热解所得的碳质固体材料。它不仅能够作为碳源用于合成CO，还可以在其他领域发挥重要作用，如土壤改良、碳封存、水处理吸附、厌氧消化、焦油去除、催化和电化学等。然而，当生物炭被用于电燃料生产时，其原本的其他应用可能会受到影响，因此需要在系统扩展的框架下评估其替代或使用对整体环境和经济的影响。本文通过系统扩展方法，考虑了生物炭在工业高温加热（Industrial Heating, IH）和直接空气碳捕集与封存（Direct Air Carbon Capture and Storage, DACCS）两种不同场景下的应用情况，并据此构建了四种不同的情景：RWGS_IH、B_IH、RWGS_CDR和B_CDR。

在环境评估方面，本文采用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，结合ReCiPe 2016框架，分析了四种情景下的全球变暖影响（GWI）和对人类健康、生态系统质量和资源稀缺性的潜在损害。结果显示，使用逆布杜瓦德反应的Boudouard情景在两种系统扩展下均表现出更低的碳足迹和环境影响。例如，在IH扩展系统中，B_IH情景的碳足迹比RWGS_IH情景减少了11%，而在CDR扩展系统中，B_CDR情景的碳足迹减少幅度为10%。这些减少主要得益于对H?和DAC CO?需求的降低，以及生物炭作为替代资源的应用。

然而，系统扩展的选择也会影响整体的环境影响分布。在CDR扩展系统中，虽然Boudouard情景能够显著降低对人类健康和生态系统的损害（分别减少28%和12%），但会增加对资源稀缺性的负担，导致资源稀缺性影响上升6%。这种负担转移现象提示我们在评估电燃料生产路径时，必须综合考虑不同系统边界对环境影响的潜在影响。因此，选择合适的系统扩展方案对于全面评估技术的环境和经济权衡至关重要。

在经济评估方面，本文通过技术经济分析（Techno-Economic Assessment, TEA）对四种情景进行了比较。结果显示，Boudouard情景的生产成本比RWGS情景有所降低，降幅在IH扩展系统中为10%，在CDR扩展系统中为6%。这些成本的降低主要归因于对H?和DAC CO?需求的减少，而这些原料的成本是绿色燃料生产的主要经济驱动因素。然而，即便如此，Boudouard情景的生产成本仍然高于传统化石燃料。因此，进一步降低H?和DAC CO?的成本，或采用更经济的替代方案，对于提升电燃料的市场竞争力至关重要。

此外，本文还对不确定性进行了分析，采用蒙特卡洛模拟方法，对四种情景的环境和经济影响进行了2000次抽样。结果显示，无论在IH还是CDR扩展系统中，Boudouard情景的环境和经济影响均表现出较高的稳定性，即在大多数抽样情况下，其对人类健康、生态系统质量和资源稀缺性的负面影响均低于RWGS情景。然而，在CDR扩展系统中，由于DACCS的高成本，环境和经济上的收益可能会受到一定限制。因此，如何在不同的系统扩展方案中找到最佳平衡点，是未来研究和应用中需要重点关注的问题。

从实际应用的角度来看，尽管逆布杜瓦德反应在理论上能够显著降低电燃料的生产成本和碳足迹，但其实施仍面临一系列挑战。首先，该反应需要在高温下进行，这可能增加能源消耗，并对设备材料和安全措施提出更高要求。其次，生物炭的生产与获取可能受到其来源和可用性的影响，尤其是在大规模应用时，生物炭的供应和处理成本可能会成为瓶颈。此外，生物炭衍生的合成气（syngas）通常含有杂质，如焦油和颗粒物，这需要额外的清洁处理步骤，以确保其满足后续催化过程的要求，从而增加生产复杂性和成本。

综上所述，本文通过系统扩展方法，评估了将逆布杜瓦德反应与费托合成（Fischer–Tropsch, FT）相结合的电燃料生产路径的经济和环境性能。研究结果表明，该路径在降低H?需求、减少碳足迹和改善环境影响方面具有显著优势，但其应用仍需在实际中克服一系列技术、经济和资源限制。因此，未来的研究应进一步探索如何优化生物炭的生产、利用和处理过程，以提升电燃料的经济性和环境效益。同时，系统扩展方案的选择应更加灵活和全面，以确保能够准确评估不同技术路径的综合影响，从而为政策制定和产业应用提供科学依据。