负排放区域供热创新路径：小堆核电耦合直接空气碳捕集与封存技术研究

本研究针对实现碳中和供热与大气碳移除的双重挑战，创新性地提出将小型模块化核反应堆（SMR）与直接空气碳捕集与封存（DACCS）技术整合于区域供热（DH）系统的解决方案。通过Backbone能源系统建模框架，研究人员评估了在芬兰赫尔辛基案例系统中，SMR与DACCS的协同运行潜力。结果表明，在CO2价格超过150-200 €/t时，该系统可实现70-90%的设备利用率，并使区域供热系统达到碳负排放。此项研究为高纬度地区实现负排放供热提供了关键技术路径与政策参考。

随着全球气候变化问题日益严峻，实现《巴黎协定》将温升控制在1.5-2°C以内的目标，不仅需要快速淘汰化石燃料，更迫切需要从大气中永久移除二氧化碳（CO₂），即实现负排放。区域供热（District Heating, DH）作为北欧等寒冷地区重要的能源消费部门，其脱碳进程面临巨大挑战。当前供热仍大量依赖生物质或化石燃料燃烧，即便电力部门成功脱碳，供热部门因其本地化特性，难以直接利用远距离输送的清洁电力。与此同时，直接空气碳捕集（Direct Air Capture, DAC）技术虽前景广阔，但其大规模部署受限于巨大的热能需求，而碳中性的热源选择（如地热、可持续生物质等）往往受地理位置和资源量限制。在此背景下，将小型模块化核反应堆（Small Modular Reactors, SMRs）产生的碳中性热能同时用于区域供热和驱动DAC过程，构成一个集清洁供热与负排放于一体的能源系统，成为极具潜力的解决方案。

为了深入探究这一创新概念的可行性，来自芬兰VTT技术研究中心的Heidi Kirppu、Miika Rämä、Esa Pursiheimo、Kati Koponen和Tomi J. Lindroos等研究人员，在《Carbon Neutral Technologies》上发表了一项题为“负排放区域供热——直接空气碳捕集与封存结合小型模块化核反应堆”的研究。该研究以北欧大型城市赫尔辛基的区域供热系统为案例，首次系统评估了整合SMR供热与DACCS（Direct Air Carbon Capture and Storage）技术的能源系统性能、经济性及碳负排放潜力。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，基于开源的Backbone能源系统建模框架，构建了包含电力网、热网、能源转换单元和传输线路的精细化模型。其次，设定了未来（2035年）情景，关键参数包括SMR容量（300 MW或500 MW）、大规模储热（TES, 0或90 GWh）、DAC模块数量（100至900个，单个模块年捕集500吨CO₂）以及CO₂价格（100, 150, 180, 200 €/t）。第三，考虑了室外温度对固体吸附剂DAC（S-DAC）过程能耗的影响，将温度依赖性能耗曲线纳入模型。第四，采用了三种具有代表性的历史年份（2017年、2023年、2024年）数据作为基础，以反映不同的室外温度、电力价格、燃料价格和热需求特性。最后，通过经济指标（如内部收益率IRR、投资回收期）评估了DACCS投资的经济可行性。

3.1. 技术经济建模结果

3.1.1. 利用率

研究结果显示，DAC模块的利用率（即容量因子）对CO₂价格高度敏感。当CO₂价格超过150 €/t时，DAC利用率迅速上升至60%以上；当价格达到180 €/t时，利用率可达80-100%；在200 €/t的价格下，多数情景中利用率超过90%。SMR的利用率则在61%至89%之间波动，受电力价格波动（如2024年存在大量负电价时段）和系统配置影响。

3.1.2. 模拟的区域供热生产与CO₂捕集

模型模拟了全年的区域供热生产和DAC的热能消耗。DAC过程的热能消耗占系统总产热量的0%至9%。在CO₂价格较高的情景下，DAC装置主要在供热需求较低的温暖季节运行，有效利用了SMR的闲置产能，年捕集CO₂量在0至450千吨之间。

3.1.3. CO₂排放与碳负性

在不考虑生物源CO₂排放的情况下，当CO₂价格超过150 €/t且DAC模块数量至少为400个时，系统在所有情景下均可实现碳负排放。若计入生物源排放，则仅在DAC容量达到900个模块且CO₂价格为180或200 €/t时，系统才能达到碳负状态。这表明通过合理配置DACCS容量，可以补偿区域供热系统的剩余排放。

3.2. 经济结果

3.2.1. 模拟的DAC利润与系统成本

DAC的利润随CO₂价格和DAC容量的增加而增加。不同情景年份（反映不同能源市场条件）对利润有显著影响。

3.2.2. 经济指标

DACCS的可变捕集成本（包含能源成本和可变运维成本）在115-126 €/tCO₂之间（使用较低吸附剂成本假设）或152-163 €/tCO₂之间（使用较高吸附剂成本假设）。考虑到投资成本，DACCS实现经济可行性（净现值NPV≥0）的CO_{2盈亏平衡价格在209-223 €/tCO2（低吸附剂成本）或246-260 €/tCO2（高吸附剂成本）之间。在当前欧盟排放交易体系（EU ETS）碳价水平下，需要61-73 €/t（碳价150 €/t时）、29-40 €/t（碳价180 €/t时）或9-20 €/t（碳价200 €/t时）的补贴来弥补差距。}

3.3. 敏感性分析

敏感性分析表明，CO₂价格是影响DACCS可行性的最关键因素。DAC的投资成本和吸附剂运营成本（OPEX）也存在较大不确定性，对内部收益率（IRR）和投资回收期有显著影响。室外温度、电力价格等外部条件的年际变化也会导致设备利用率和经济效益的波动。

在讨论部分，作者强调了该研究的现实意义与挑战。将SMR与DACCS整合于区域供热系统，能够有效利用SMR在夏季的低负荷产能，提升资产利用率，并为实现城市级碳负排放提供了可行路径。然而，DACCS的大规模推广仍面临诸多挑战：首先，当前碳市场价格远未达到使其经济可行的水平，需要政策支持（如补贴或碳信用机制）来弥补成本差距。其次，二氧化碳的运输与永久封存成本高昂且具有地域依赖性，芬兰缺乏合适的地质封存场地，需将CO₂运输至挪威等地，增加了成本与复杂性。未来，矿物碳化等新型封存技术的发展可能提供更多选择。此外，公众对核能及工程技术类碳移除方案的接受度、技术本身的学习曲线和成本下降速度、以及材料（如吸附剂）的可持续供应等都是需要关注的问题。

作者特别指出，负排放技术（NET）绝不能替代或延缓当前迫切需要的深度减排行动，它们的作用在于处理难以避免的残余排放以及实现净负排放，以平衡历史累积排放或应对气候目标的“ overshoot”（ overshoot 情景）。政策制定需要确保碳移除（CDR）活动的质量，符合量化、额外性、长期储存和可持续性（QU.A.L.ITY）标准。

综上所述，这项研究证实了将小型模块化核反应堆与直接空气碳捕集与封存技术协同整合于区域供热系统，在技术上是可行的，并且在高碳价或适当补贴的政策环境下具备经济吸引力，能够助力城市能源系统迈向碳负排放。该研究为寒冷地区实现能源系统深度脱碳和负排放提供了一条创新的技术路径，对未来的能源政策制定、技术研发方向以及碳市场设计具有重要的参考价值。未来的研究应侧重于DAC过程与供热系统更紧密的协同优化、吸附剂材料的性能提升与成本降低，以及探索更多样化的本地化CO₂封存方案。