IEA研究表明，在2050年净零排放情景中，到2030年直接空气捕集技术需要捕集超过8500万吨二氧化碳，到2050年捕集约9.8亿吨二氧化碳[1]。近年来，随着政府支持性政策、技术创新以及风险投资对直接空气捕集技术的投资，全球对直接空气捕集技术的研究和政策关注度也显著提升，直接空气捕集技术的科技出版物数量快速增加[2]。2024年2月，全球领先的市场研究与咨询公司Markets and Markets最新研究表明，到2030年直接空气捕集市场预计将从2023年的6200万美元增长到17.27亿美元，2023-2030年期间的复合年增长率为60.9%[3]。本文梳理和分析近年来直接空气捕集技术国际战略布局、技术研发和产业示范进展，以期为决策提供参考。
一、发达国家促进直接空气捕集的政策措施
直接空气捕集现处于产业发展的早期阶段，当前，美欧等国家不断通过项目研发资助和税收抵免措施推进直接空气捕集技术发展和产业化。
在促进技术研发方面，美国于2021年11月发布“负碳攻关”计划，旨在研发包括直接空气捕集技术在内的CO2移除技术，到2050年从大气中去除数十亿吨CO2，并使其更具成本效益和可扩展性，达到捕集和封存成本低于100美元/吨。2022年12月，美国能源部宣布提供 35 亿美元的资金，用于开发四个区域直接空气捕集中心，用以加速直接空气捕获技术的示范和部署[4]。英国《净零战略》提出将提供高达1亿英镑的新研发资金用以帮助在英国开发直接空气捕集和其他温室气体去除技术，并专门设立了“直接空气碳捕集和温室气体去除技术竞赛”计划，目前已投资6000万英镑用于第一阶段技术研发和第二阶段示范项目支持[5]。
在促进直接空气捕集技术市场部署与推广方面，2022年美国《通货膨胀减少法案》提高45Q对用于永久封存的直接空气捕集的税收抵免，最高可达180美元/吨，以刺激市场推广。2024年6月20日，加拿大议会通过C-59法案，提出从2022年到2030年，直接空气捕获项目的税收抵免率为60%，2031-2040年的税收抵免率为30%[6]。
二、直接空气捕集技术研发进展
目前直接空气捕集技术主要包括液体 DAC 技术、固体DAC技术以及其他创新技术（如电化学、低温和膜分离DAC技术）。
（1） 液体DAC技术
液体DAC技术主要包括碱性氢氧化物溶液DAC技术、胺溶液DAC技术等。碱性氢氧化物溶液DAC技术由于溶剂易获取、吸收动力学快、挥发性和毒性低等优点适用于大规模应用，但是该技术面临的主要挑战是能耗较大。与氢氧化物溶剂（再生温度900℃）相比，使用胺类溶剂的优点包括再生温度（110-150°C）较低、可用性好、成本低、结合力强，但是胺溶剂存在高挥发性、毒性、腐蚀性以及设备污垢等挑战[7]。目前研究人员正在研究各种环境友好型溶剂，如氨基酸盐溶液、离子液体等。2023年12月，怀俄明大学研究人员研发了使用赖氨酸作为吸附剂和N掺杂的3D石墨烯作为提高吸收/解吸效率的双功能催化剂，仅引入500 ppm的N-3DG催化剂就将工作效率（≥90%CO2吸收效率）增加了233%，其吸收能力增加了197%。在70℃条件下，该催化剂还显着加快了CO2解吸能力和速率约280%和338%，使吸附剂的再生利用可以通过低温余热。此外，通过50次循环试验证实了该系统的优异稳定性[8]。另外离子液体因其独特的特性和分子结构，具有良好的稳定性、超低的挥发性、可设计性和高的CO2溶解性/选择性，在CO2捕集和分离中表现出良好的性能。美国橡树岭国家实验室开发了各种类型的功能化离子液体，包括超碱/羟基官能化离子液体、超碱/咪唑类离子液体、碱度可调的超强碱型功能化离子液体、酚类离子液体、羧酸官能化离子液体等，通过调节控制功能化离子液体的碱度来调节CO2的化学吸附行为，从而实现高效空气中直接捕集CO2的工程化要求[9]。
（2） 固体DAC技术
固体DAC技术主要包括固体碱（土）金属DAC技术、固态胺吸附剂DAC技术、金属有机框架（MOFs材料DAC技术等。固体DAC技术采用模块化和可堆叠设计，初始部署成本较低，因此目前发展成熟并适应各种应用场景。此外，其碳捕获过程中消除了对水的需求，这使其适用于水资源短缺构成严重问题的干旱地区。MarketsandMarkets研究预测在2030年前，固体DAC技术将以最高的复合年增长率增长。但目前这些技术方法仍面临着不同挑战，如固体碱（土）金属DAC技术的再生能耗较高、固态胺吸附剂技术热稳定性有待进一步提高、MOFs材料捕集效果受环境中水含量影响较大等，研究人员为解决这些挑战开展了相关研究。2024年6月，瑞士Climeworks公司推出最新第3代直接空气捕集技术[10]，该技术改用新型结构吸附材料，增加了与二氧化碳之间的表面接触，将捕集和释放二氧化碳的时间缩短了至少两倍，因此捕集的二氧化碳量是旧式滤芯的两倍以上。与过去使用的材料相比，新型过滤材料的能源消耗减少一半，使用寿命延长三倍。该技术将于2026年应用于美国路易斯安那州百万吨级直接空气捕集Cypress大型项目。2024年6月5日，剑桥大学研究团队开发了一种新的“带电吸附材料”，通过类似于电池充电的过程，将离子积聚在低成本活性炭的孔隙中。该方法能够快速从环境空气中捕集二氧化碳，带点吸附剂能够在低温（90-100°C）下再生，显示出优异的性能和商业潜力[11]。
（3） 其他创新技术
除了上述液体和固体DAC技术外，研究人员还在研究的其他创新直接空气捕集技术，如电化学、膜分离和低温DAC技术。其中电化学DAC技术因其在室温和压力较温和的条件下具有潜在的较低能耗，而被认为是克服传统直接空气捕集技术高能量需求限制的可行选择。2023年1月，麻省理工学院研究人员在水溶液中使用中性红作为氧化还原活性材料和烟酰胺作为亲水增溶剂，实现低能耗的电化学直接空气捕集，将传统技术工艺需求热量从230~800千焦/每摩尔CO2最低降至65千焦/每摩尔CO2[12]。
三、直接空气捕集技术产业化进展
除政府资助外，私人投资也是直接空气技术发展的重要支柱。2021年，马斯克宣布XPRIZE碳去除奖赛（1亿美元）用于支持包括直接空气捕集技术在内的碳去除技术。2023年3月，腾讯联合产业、投资和生态合作伙伴，启动“碳寻计划”（2800万美元），首期聚焦碳捕集、利用和封存以及基于技术的碳去除解决方案。此外，全球多个直接空气捕集公司正在进行融资以促进技术发展。2022年4月，Climeworks公司获得了6.5亿美元的融资。2023年11月，西方石油公司宣布全球最大的资产管理公司贝莱德将向Stratos直接空气捕集工厂投资5.5亿美元[13]，目前亚马逊、空客、全日空 （ANA）、多伦多道明银行、微软、托克等多家国际公司从该公司购买碳去除信用额度。2024年3月，美国领先的直接空气捕集（DAC）公司CarbonCapture宣布成功完成8000万美元的A轮融资，将用于CarbonCapture模块化直接空气捕集系统的早期安装[14]。
据直接空气捕集联盟（DACC）和AlliedOffsets公司统计[15]，2024年是DAC发展的重要一年，全球最大的万吨级DAC工厂在冰岛投入运营[16]。预计到2024年底，将有53个DAC工厂（联合试点和商业设施）投入运营，总产能为58 ktCO2/年，较2023年增长7.8倍。到2030年，目前已有93家DAC工厂宣布将投入运营，总产能达到6.4-11.4 MtCO2/年。虽然目前大部分工厂的规模较小，但已有全球领先的几家企业宣布计划扩大其规模，如瑞士Climeworks公司计划2030年达到百万吨碳去除能力，到2050年达到亿吨碳去除能力，美国1PointFive公司计划到2030年实现5530万吨规模，美国CarbonCapture公司计划到2030年实现500万吨规模[17]。若要实现碳中和目标，未来需要部署更大规模的DAC工厂，到2030年达到百万级别，到2050年达到十亿吨级。
四、结语
由于大气中的 CO2比发电厂、水泥厂等点源烟道气中的 CO2稀释得多，这导致 DAC能源需求和成本较高。据不同研究估算，目前直接空气捕集技术的成本在每吨400到1000美元之间[18]。国际能源署研究指出通过技术创新，捕集成本可能降至每吨二氧化碳100美元以下。实现该目标需要通过政府和行业进一步的加强技术创新研发、制定有利于DAC发展的政策环境来实现。
首先，政府和行业需要继续为直接空气捕集技术研发、示范和部署提供资金支持，并制定有利的融资框架（税收优惠、政府采购、碳价格等），促进大型直接空气捕集工厂的实施推广。其中在未来技术创新方面，一方面需要继续改进现有技术：针对液体DAC技术，开发能够使用低碳能源（可再生能源、核能）且再生温度较低的新型溶剂；针对固体DAC技术，开发具有更高的CO2吸收、更低解吸热、更长寿命、更高CO2 选择性的新型吸附剂。结合多尺度建模和优化算法，可以帮助筛选活性和支撑材料，并有助于在分子水平上深入理解吸附机制。另一方面，开发电化学、电摆吸附 (ESA)、双极膜电渗析（BPMED）、低温DAC等新型替代技术。
此外，为直接空气捕集技术制定基于生命周期评估 (LCA) 的公认方法和核算框架，对于支持将其纳入受监管的碳市场和国家清单以及作为评估直接空气捕集技术补贴计划效益的工具非常重要。但目前《IPCC国家温室气体清单指南》并不包括直接空气捕集的核算方法，这意味着与直接空气捕集相关的碳去除技术不能计入《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）下的国际减排目标。欧洲、美国和加拿大已开始努力开发碳清除认证，并通过创新使命碳去除使命和《联合国气候变化框架公约》第 6.4 条监督机构等倡议进行[19]。因此需要制定统一的生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA）方法，并开发稳健且透明的认证方法。
参考文献：
[1] IEA. Direct Air Capture A key technology for net zero. https://iea.blob.core.windows.net/assets/78633715-15c0-44e1-81df-41123c556d57/DirectAirCapture_Akeytechnologyfornetzero.pdf
[2] University of Oxford. The State of Carbon Dioxide Removal: A Global, Independent Scientific Assessment of Carbon Dioxide Removal (2nd Edition). https://static1.squarespace.com/static/633458017a1ae214f3772c76
/t/665ed1e2b9d34b2bf8e17c63/1717490167773/The-State-of-Carbon-Dioxide-Removal-2Edition.pdf
[3] MarketsandMarkets. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/direct-air-capture-market-239519839.html
[4] DOE. Regional Direct Air Capture Hubs. https://www.energy.gov/oced/DACHubs
[5] Department for Business, Energy & Industrial Strategy of UK. Projects developing innovative carbon removal tech benefit from over £54 million government funding. https://www.gov.uk/government/news/projects-developing-innovative-carbon-removal-tech-benefit-from-over-54-million-government-funding
[6] Government of Canada. Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) Investment Tax Credit (ITC). https://www.canada.ca/en/revenue-agency/services/tax/businesses/topics/corporations/business-tax-credits/clean-economy-itc/carbon-capture-itc/claiming-credit-ccus-itc/calculate.html
[7] Houssam Bouaboula, Jamal Chaouki,Youssef Belmabkhout,et,al. Comparative review of Direct air capture technologies: From technical, commercial, economic, and environmental aspects. Chemical Engineering Journal. Volume 484, 15 March 2024, 149411
[8] Lei Wang, Yanyang Gao,Jianmin Luo,et.al. Highly efficient catalytic direct air capture of CO using amphoyeric amino acid sorbent with acid‐base bi‐functional 3D graphene catalyst2. Chemical Engineering Journal.Volume 477, 1 December 2023, 147120
[9] Zhenzhen Yang, Sheng Dai. Challenges in engineering the structure of ionic liquids towards direct air capture of CO2 . Green Chemical Engineering.Volume 2, Issue 4, December 2021, Pages 342-345
[10] Climeworks. Next generation tech powers Climeworks’ megaton leap. https://climeworks.com/press-release/next-gen-tech-powers-climeworks-megaton-leap
[11]Li, H., Zick, M.E., Trisukhon, T. et al. Capturing carbon dioxide from air with charged-sorbents. Nature 630, 654–659 (2024).
[12] Seo, H., Hatton, T.A. Electrochemical direct air capture of CO2 using neutral red as reversible redox-active material. Nat Commun 14, 313 (2023).
[13] 1pointfive. Occidental and BlackRock Form Joint Venture to Develop STRATOS, the World’s Largest Direct Air Capture Plant. https://www.1pointfive.com/news/occidental-and-blackrock-form-joint-venture-to-develop-stratos
[14] CarbonCapture Inc. Direct air capture company CarbonCapture Inc. closes $80 million Series A financing . https://www.prnewswire.com/news-releases/direct-air-capture-company-carboncapture-inc-closes-80-million-series-a-financing-302086698.html?tc=eml_cleartime
[15] Direct Air Capture Coalitio. Direct Air Capture Coalition and AlliedOffsets Unveil Global DAC Deployment Map.https://daccoalition.org/direct-air-capture-coalition-and-alliedoffsets-unveil-global-dac-deployment-map/
[16] Climeworks. Climeworks switches on world’s largest direct air capture plant. https://climeworks.com/press-release/climeworks-switches-on-worlds-largest-direct-air-capture-plant-mammoth
[17] IEA.Direct Air Capture. https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/direct-air-capture
[18] Mines Paris.The CDR Series Direct Air (DAC).2023. https://assets-global.website-files.com/62b9fb2aad2275b3dcfe568b/63c80a675fdaa77e82d309b0_Report%20-%20The%20CDR%20Series%20-%20Direct%20Air%20Capture.pdf
[19] IEA.Direct Air Capture. https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/direct-air-capture
