直接空氣捕捉 (DAC) 技術：現況、類型、挑戰與未來展望

前言

美國能源部將直接空氣補捉（Direct Air Capture, DAC）技術與產業資訊整理成一份完整的分析報告，內容涵蓋了技術分類與說明、特色、以及當前產業的分布狀況。用於理解 2025 年 DAC 技術發展現狀很有幫助，有需要的讀者可直接前往下載全文。

DAC的背景與目的

DAC 在氣候變遷緩解中的預期作用與功能：

• 降低大氣二氧化碳濃度：當 DAC 與長期碳儲存結合，且生命週期排放最小化時，它可以減少大氣中的二氧化碳濃度。
• 補償難以減量的排放源：DAC 可以用於補償難以在經濟上或技術上實現完全脫碳的排放源，進而在較低的整體經濟成本下實現淨零排放。
• 實現淨負排放與全球降溫：一旦實現全球淨負排放，DAC 可以進一步移除大氣中的二氧化碳，可能導致全球降溫。
• 生產低碳燃料和化學品：從空氣中捕獲的二氧化碳可以加工成含碳化學品和燃料，這些產品在燃燒或降解時釋放的是大氣碳而非化石碳，有助於減少這些產品的總體排放。
• 支持氣候目標：所有將全球暖化限制在《巴黎協定》規定的 1.5°C 目標的模式，並且要最大限度地減少氣候目標超出的情況，都預計將使用 CDR（包括 DAC）以及傳統的減量策略。許多來源指出，為了實現氣候目標，在 21 世紀全球累計需要移除數百億至數千億噸的二氧化碳。即使在積極減排的情景下，為實現和維持淨零和淨負排放，全球每年也可能需要運行數十億噸的 DAC 容量。

實現 DAC 預期作用的挑戰與要求：

儘管 DAC 預計扮演重要角色，但該技術目前仍處於相對早期的發展階段，其最終規模、定義和市場前景存在不確定性。為了實現必要的部署水平並最大限度地降低技術的經濟和環境成本，需要進行大量進一步的 DAC 研究與開發。

培育 DAC 技術的多元化全球組合非常重要，這有助於規避任何單一方法未能實現的風險，並提供更適合不同氣候、環境和能源條件的多種選擇。

DAC的類型

直接空氣捕捉 (DAC) 技術主要分為三種一般類別：

1. CO₂-Concentrating DAC (二氧化碳濃縮型 DAC)： 這類技術將二氧化碳從周圍空氣中分離出來，並產生一個濃度更高的二氧化碳流，用於後續的使用、轉化或儲存。 這是最常見且定義最明確的 DAC 形式。 通常使用在捕捉室外空氣中的 CO₂，但有些也針對室內空氣中因人員呼氣而導致高濃度 CO₂ 的情況。
2. Reactive DAC (反應型 DAC)： 這類技術涉及使用可再生捕獲介質，將二氧化碳從周圍空氣中分離，並在再生過程中同時將捕獲的 CO₂ 轉化為不同的化學產品，例如甲烷、甲醇和一氧化碳。 這些過程通常使用能夠同時捕獲和轉化 CO₂ 的雙功能材料。 使用可再生捕獲介質來生產碳酸鹽產品的公司也歸入此類。 可能需要氫氣或其他輸入物質來促進產品合成。
3. 1. 捕獲介質： 固體吸附劑是大多數 DAC 公司採用的捕獲介質。全球 DAC 公司中，約有三分之二 使用固體吸附劑作為其捕獲介質。這涵蓋了所有已識別的公司，除了少數數據不公開的公司。
   2. 再生方法： 從公開數據難以完全區分僅使用溫度或同時使用溫度和真空的方法，但溫度是所有單一方法中最常被使用的再生方法。緊隨其後的是結合使用溫度和真空的方法。絕大多數公司使用溫度、真空和電化學條件的組合來再生其捕獲介質。
3. Direct Storage DAC (直接儲存型 DAC)： 這類技術包含一系列過程，它們使用機械空氣接觸器和對二氧化碳具有選擇性的化學捕獲介質，但不直接再生其捕獲介質。 這些過程產生碳酸鹽或其他耐久性化合物，這些化合物可以出售或直接處置以進行長期儲存捕獲的 CO₂。 雖然生產有價值的產品可能與反應型 DAC 在定義上重疊，但直接儲存型 DAC 過程不使用可再生捕獲介質，因此通常需要持續添加其他啟用捕獲的原料。 這些原料通常呈鹼性，對於持續碳酸化是必要的。 由於這些原料若不在此過程中被使用，可能在更長的時間尺度上參與自然碳循環，因此這些系統也可能被視為增強礦化（enhanced mineralization）的一種形式。

DAC公司地理分布

DAC 技術的地理分佈呈現出一定的集中趨勢。

• 主要集中地區：超過半數的全球 DAC 公司總部設在北美。報告指出，這可能與美國和加拿大有利於 DAC 的政策環境以及兩國豐富的潛在部署資源有關。
• 次要集中地區：另一個 DAC 公司群體分佈在西歐。這可能也與歐盟相對有利的碳移除政策環境有關。
• 全球分佈：雖然有集中，但存在例外情況，DAC 公司遍佈除南極洲以外的所有大陸。總部設有 DAC 公司的國家數量較多的包括美國 (74家)、英國 (9家)、加拿大 (7家)、德國 (6家)、荷蘭 (5家)、日本 (4家)、法國 (4家)、澳洲 (3家)、中國 (3家) 和愛爾蘭 (3家)。
• 地理多樣性的重要性：不同的 DAC 技術在不同的氣候條件下表現不同，並且與不同的低碳能源或最終儲存/轉化選項的兼容性也不同。DAC 系統固有的多樣性天然適合在全球範圍內部署。在不同氣候和地理環境中進行試驗，可能對於制定經濟、環境和社會效益最佳的 DAC 部署策略是必要的。開發適用於不同氣候條件的 DAC 技術，對於讓更多國家利用 DAC 來實現氣候目標可能也是必需的。

美國能源部的策略

1. 利用經驗：DOE 的化石能源與碳管理辦公室 (FECM) 和國家能源技術實驗室 (NETL) 憑藉數十年在點源碳捕捉與封存技術研究和開發方面的經驗，來指導 DAC 的新倡議。
2. 提供大量資金和計畫： DOE 透過其碳管理辦公室內的二氧化碳移除計畫，執行其基礎撥款和《兩黨基礎設施法》(Bipartisan Infrastructure Law) 的資金。 這其中包括 35 億美元用於區域直接空氣捕獲中心計畫。 還包括 1.15 億美元用於 CDR 獎金競賽。 這些資金用於支持廣泛的 DAC 研究、開發和示範工作。
3. NETL DAC 中心：國家能源技術實驗室 (NETL) 的 DAC 中心是 DOE DAC 策略的另一個關鍵部分。該中心提供實驗室規模原型、較大模組和組件以及小型試點規模系統的測試和開發，以加速 DAC 技術開發者的進展。
4. 涵蓋全面的研發活動：DOE 的 DAC 工作跨足多個技術準備度等級 (TRLs)，具體包括：材料發現與測試、整合式實驗台規模組件開發與測試、工程研究、試點工廠運營、較大規模示範、生命週期和技術經濟評估、系統和流程建模、商業化規劃、以及測量、監測、報告和驗證 (MMRV) 的開發。
5. 採取全面且負責的方法：CDR 計畫致力於採取全面且科學的方法，以負責任的方式在 2050 年前在美國實現大規模二氧化碳移除，同時促進社區利益和創造優質就業機會。
6. 促進發展：進一步符合研究和公司現狀的 RD&D 支持，可以持續促使 DAC 更加穩健和負責任地發展。

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