2024年，全球平均气温首次比工业化前水平高出1.5摄氏度。这一阈值是2015年《巴黎协定》提出的理想上限，被视为气候变化对生态系统和人类脆弱群体影响显著放大的分界点。如今突破这一界限，说明仅靠减少排放已不足以应对危机。越来越多科学家、工程师和政策制定者开始达成共识：必须主动从大气中移除二氧化碳（CO2），以削减这一温室气体的累积影响。
国际能源署预测，要在2050年前实现净零排放，每年需要从大气中移除约十亿吨CO2。这一规模大致相当于当前全球整个航空业一年的排放量，而且这些排放不仅要被“抵消”，更要被真正从系统中移除。
正是这一庞大挑战，促成了RASEI研究团队的合作研究。团队成员包括RASEI研究员Wilson Smith教授和Bri-Mathias Hodge教授，他们在期刊《Joule》上发表了一份联合报告，聚焦如何在技术和经济层面实现大规模碳移除。
两条直接捕碳路径
目前，研究人员正在探索多种直接从环境中捕获CO2的技术。本次研究重点并列比较了其中两种：
- 直接空气捕获（DAC）
- 直接海洋捕获（DOC）
**直接空气捕获（DAC）**利用液体溶液从空气中吸收CO2，类似一个巨型“空气过滤器”。在两种技术中，DAC相对更成熟。全球目前在德克萨斯建设的最大DAC设施，设计年捕获能力约为50万吨CO2。
**直接海洋捕获（DOC）**则仍处于较早期阶段，但具备天然优势：估算显示，海洋每年吸收约30%的人类活动排放的CO2，因此海水中已经富含源自大气的溶解无机碳。通过直接从海水中提取碳，DOC可以避免处理巨量空气的难题。这一点也是许多研究者看好DOC、将其视为潜在CO2移除方案的重要原因之一。
无论是DAC还是DOC，都面临一个共同难题：捕获之后如何再生与处理。在再生环节，需要从溶液中释放出高浓度CO2，并回收可重复使用的捕获剂。
在大多数现有DAC系统中，这一步通常通过加热实现，需要将捕获物加热到约900摄氏度，常见做法是燃烧天然气提供热量。这种热再生方式能耗极高，同时自身也会产生CO2排放，在一定程度上抵消了碳捕获的减排效果。
为评估替代方案，RASEI团队模拟了一种电驱动再生技术——双极膜电渗析（BPMED），用其替代传统的热再生装置。BPMED通过电能改变捕获溶液的化学环境，在常温下释放CO2，而不依赖高温加热。研究的核心问题是：在与DAC和DOC结合时，这种电驱动方案在什么条件下具有经济可行性？
从物理过程到成本：搭建一整套模型
为了系统评估DAC和DOC两条路径，团队构建了一系列相互耦合的模型：
- 从CO2捕获与释放的基础物理和化学过程入手；
- 量化每一个步骤的能量需求；
- 最终延伸到完整的成本分析。
这种方法被称为技术经济分析（TEA），它将技术性能与经济指标直接关联起来，不仅判断技术是否可行，还评估在现实规模和实际条件下是否“划算”。
本研究的一大特点，是在不同环节之间建立了较深层次的联动。正如第一作者Hussain Almajed博士所强调，研究目标并不是简单判定“哪种技术更好”，而是揭示两种路径之间的关键权衡关系。
团队利用加州电网的实际数据，构建了不同电力供应情景，并在统一框架下运行DAC-BPMED和DOC-BPMED系统，进行并列比较。这种统一视角带来了一些此前未被充分注意的结果。
浓度差异塑造两种成本结构
比较结果显示，DAC和DOC之间最根本的差异来自CO2浓度：
- 空气中的CO2浓度约为海水中溶解无机碳的 1/120；
- 这意味着，要从空气中捕获同样数量的碳，需要处理的空气体积远大于海水体积。
但一旦CO2被液体溶液（通常是氢氧化物溶液）吸收，情况就发生了逆转：
- 典型DAC溶液中，每升可含有约0.5–1.0摩尔的溶解碳；
- 这一浓度大约是海水中溶解碳的160–320倍。
因此：
- DAC工厂在再生阶段需要处理的液体体积远小于DOC，要回收同样数量的CO2，液体流量更小；
- 但从如此高浓度溶液中释放CO2，需要在BPMED系统中施加更高电流密度，导致单位CO2的电能消耗较高。设备规模可以较小，但电费支出较大。
相反：
- DOC工厂由于海水中溶解碳浓度较低，为回收同样量的CO2，必须处理大量海水；
- 模型估算，DOC-BPMED所需的膜面积约为DAC-BPMED的20倍，意味着显著更高的前期资本投入；
- 不过，在处理稀释海水时，BPMED可以在较低电流密度下运行，每吨CO2的电能消耗反而更低。
这些差异在成本估算中体现得非常明显。以年捕获10万吨CO2、接入当前加州电网的工厂为例：
- DAC-BPMED的基线捕获成本约为 470美元/吨CO2；
- DOC-BPMED约为 1500美元/吨CO2，大约是前者的三倍。
造成这一差距的主要原因，并不是能耗，而是DOC方案中额外设备带来的高额资本成本。
作者也强调，这些成本估算存在较大不确定性，未来会随着技术成熟和规模化部署而变化。但总体趋势清晰：在当前设备成本和电驱动再生技术水平下，DAC-BPMED在经济性上明显优于DOC-BPMED。
被忽视的副产品：一条潜在盈利路径
模型中一个颇具启发性的发现，来自BPMED过程产生的副产品。
在BPMED中，电能将盐溶液分离为酸性流和碱性流：
- 酸性流用于释放CO2；
- 碱性流则生成氢氧化钠（NaOH）。
氢氧化钠是用途极广的基础化工原料，广泛应用于造纸、水处理和化学合成等行业，市场价格大约为每吨450美元。
在DOC模型中，由于处理的海水量巨大，系统产生的NaOH远超自身需求。模型显示，将多余的NaOH对外销售，可以显著摊薄整体CO2捕获成本。在假设2050年电网高度脱碳的情景下，NaOH销售收入甚至有可能完全抵消CO2捕获成本，在最乐观的情况下还能实现净收益。
不过，作者也坦言这一结果的局限性：即便考虑未来需求增长，全球NaOH市场规模仍不足以消化大规模碳捕获所带来的全部产量，因此难以在全球大气CO2浓度层面产生决定性影响。
Almajed博士指出：“我们的简要市场分析显示，即使DOC-BPMED在2050年供应了全球NaOH需求的20%，也只能抵消不到当前全球能源相关排放的0.1%。”
尽管如此，这一发现具有重要的原则性启示：
将碳捕获过程与有价值产品（无论是碳基产品还是副产品）的生产相结合，可能是改善整体经济性的关键路径之一。
类似的商业模式已经在实践中出现。例如，位于科罗拉多州博尔德的Travertine Tech公司，就在捕获CO2的同时生产并销售磷酸、石膏和水泥材料，以提高项目的经济可行性。
电力来源：决定减排成败的瓶颈
由于BPMED再生过程完全依赖电力，电力从何而来成为影响成本和减排效果的核心因素。如果碳捕获设施使用化石燃料发电，且自身排放大量CO2，那么整体上可能得不偿失。
为此，团队模拟了四种电力供应情景：
- 当前加州电网；
- 预计到2050年实现约95%脱碳的加州电网；
- 专用离网风电；
- 专用离网光伏发电。
模型结果显示，无论在当前还是2050年预测情景下，接入电网的方案在成本上都优于两种离网可再生能源方案。
作者认为，关键原因在于电网供电的可靠性和连续性：
- 接入电网的工厂可以接近全天候运行，将资本成本分摊到更多运行小时上；
- 专用风电或光伏系统受间歇性发电限制，装置利用率较低，导致每吨CO2的平均成本上升。
Almajed博士也指出，这部分模型仍有拓展空间：“我们目前只分别单独考虑了太阳能和风能，没有对离网系统进行包括储能和电池在内的整体优化。”
尽管如此，模型已经给出清晰的政策信号：
要让DAC、DOC-BPMED等技术真正实现大气CO2净减少并具备经济可行性，前提是电网本身要大幅脱碳。
换言之，这些碳捕获技术并不是独立存在的“孤岛”，它们的减排效果和成本高度依赖所连接的能源系统。电网脱碳不是附属议题，而是部署大规模碳移除技术的基础条件。
展望：从模型到现实的改进方向
尽管这项TEA研究提供了许多有价值的洞见，作者也明确指出，任何模型都不可能完美，尤其是在技术仍处于早期阶段时。
Bri-Mathias Hodge教授强调：“在技术发展初期，模型分析更重要的是提供定性认识，而不是追求精确的数字。模型本身还有很多可以改进的地方，但它已经帮助我们识别出最值得优先优化的环节。”
未来的改进方向包括：
- 更细致的膜材料性能建模；
- 随着技术成熟和规模化部署，获取更准确的设备成本数据；
- 更全面地优化碳捕获设施与储能系统、混合电源系统的协同设计。
这些问题在很大程度上是可控的，RASEI团队已经在部分方向上展开后续研究。
本研究的另一项重要贡献，是通过全系统视角，从基础技术一直延伸到宏观经济层面，帮助识别真正的关键瓶颈。例如，敏感性分析显示：
- 如果能够提高进入DOC工厂的海水中溶解碳浓度，整体成本有望降低 40%–50%。
对于一项刚刚开始部署、未来需要快速放大的技术而言，尽早锁定能显著提升效率的突破口，将带来巨大的能源和成本节约潜力。
Almajed博士表示：“这项研究产生了许多我们在项目初期没有预料到的洞见。”
从大气中移除足以显著影响全球排放的CO2，是一个横跨化学、工程、经济学和能源政策的复杂问题。单一分析无法解决所有难题，但可以帮助我们更清晰地理解系统结构，并为集中资源攻克关键环节提供路线图。
在碳捕获真正实现大规模净化大气之前，弄清楚瓶颈在哪里、由什么决定，是迈向解决方案的起点。当前的研究表明：再生方式与电力来源，很可能是决定碳捕获技术成败的那道关键关口。
