碳捕集与利用技术（CCUt）为减少化学工业排放提供了有前景的途径，但大规模部署仍受技术成熟度、经济可行性、产品生命周期和供应链整合等复杂决策因素的阻碍。尽管技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）已被广泛应用于新兴CCUt的评价，但很少在早期开发阶段考虑不可量化的部署障碍，如政策不确定性、监管协调性和供应链成熟度。本研究通过提出一个将TEA、LCA和结构化定性风险评估相结合的集成决策框架，以填补这一空白，支持在高不确定性条件下对基于CCU的乙烯生产路径进行早期筛选和比较。该框架通过英国背景下利用工业烟气中高纯度和低纯度CO₂流的电催化乙烯生产案例研究进行了验证。结果表明，CCU衍生乙烯可在多个生命周期影响类别中显著降低产品碳足迹（PCF），其结果受原料质量、分配选择、能源价格和政策策略的强烈影响。包括生物源在内的高品位CO₂改善了经济和环境结果，在乐观假设下实现净零排放和约2.39 ± 0.34 USD kg⁻¹的平准化成本。尽管比高品位CO₂贵约14%，但后燃烧流与CO−CO₂利用相结合可产生净负碳足迹。在各种情景下，总排放可抵消57−110%，具体取决于供应链配置（如原料等级、管理效益的分配方法以及CO₂供应商和用户之间的负担分担）。工艺改进应优先关注能源效率、生产率、副产品回收和减少现场排放。要将这些性能范围转化为实际部署，税收激励、溢价定价和与排放相关的费用成为实现经济可行性的有效政策杠杆，其结果对不同市场条件敏感。通过将定量性能指标与定性部署风险相结合，所提出的框架实现了CCUt的透明比较。监管框架（如认证和原料质量）的不确定性、规模化数据质量、副产品回收的废物管理实践以及供应链层面的促进因素被确定为工业部署的关键挑战。
**研究背景与问题提出**
乙烯（C₂H₄）作为全球化学工业的基础原料，是聚合物、溶剂和合成纤维的重要前体，2022年全球装机容量约为225.5百万吨每年。然而，乙烯生产仍是碳密集型过程，其产品碳足迹（PCF）对于乙烷路线约为0.4−1.6 kg CO₂e kg⁻¹，对于石脑油路线约为1.8−2.0 kg CO₂e kg⁻¹。在当前可持续发展目标和净零承诺的背景下，脱化石燃料化乙烯生产成为优先事项。电催化二氧化碳还原（ER）技术利用烟气中的CO₂和CO生产乙烯，作为一种有前景的碳捕集与利用技术（CCUt）应运而生。尽管催化剂和设备设计方面已取得显著进展，实现了约50−100%的法拉第效率（FE）、约0.6−5.0 V的应用电位以及约0.4−1.0 A cm⁻²的电流密度，但大多数报道的性能指标来源于实验室或中试规模研究，当前系统仍处于低技术成熟度（TRL < 3）阶段，向工业部署的直接外推仍存在不确定性。
从部署角度看，结果强烈受原料质量、系统配置和能源背景的影响。高品位CO₂（如生物源发酵废气）已被建议用于早期测试，而低品位CO₂和后燃烧烟气中的混合CO−CO₂流（如高炉煤气BFG）因杂质、可变组成以及捕集/调节要求而探索较少。膜电极组件（MEA）系统在工业应用中通常提供更紧凑的结构和潜在的成本优势。已报道的乙烯生产成本差异很大（约1300−8000 USD t⁻¹），主要受电价（约0.07 USD kWh⁻¹）、能源效率和CO₂市场价格驱动。这些依赖性凸显了区域能源系统、供应链整合和政策框架在确定部署可行性方面的重要性。
现有评估尽管广泛使用TEA和LCA，但很少整合技术成熟度和治理考虑因素。缺乏透明的早期阶段框架将定量性能与定性部署风险联系起来，以支持高不确定性下的决策制定，使得实际部署问题未能解决。在此背景下，研究人员以乙烯生产为典型案例，开发并实施了一个结构化的决策框架，用于CCUt的早期部署。
**研究开展与核心结论**
该框架将过程合成/模拟、LCA、TEA和面向部署的风险评估相结合，以捕捉传统定量指标未解决的不确定性。研究聚焦于英国背景，利用来自工业烟气的高纯度和低纯度CO₂流进行电催化乙烯生产，具体包括：CO₂的直接电还原（CO₂-ER）、从高炉煤气捕集CO₂后的电还原（BFG-CO₂-ER）、BFG预氧化并回收热电后的CO₂电还原（BFG-CO₂-ER-HRSG），以及CO和CO₂共电解路线（BFG-CO−CO₂-ER）。
环境评估方面，电解显示出强大的环境潜力，实现了碳中性或负的PCF，相对于石化基线可减少高达100%的排放。LCA在十个影响类别中显示，淡水富营养化潜力（FWP）、海洋富营养化潜力（MEP）、陆地富营养化潜力（TEP）、臭氧消耗潜力（ODP）、电离辐射潜力（IRP）、土地利用潜力（LUP）和水资源利用潜力（WUP）均有所降低，其中BFG-CO₂-ER-HRSG情景效益最大，其次是CO₂-ER。在理想条件下，CO₂-ER和BFG-CO₂-ER-HRSG实现了碳中性至负的PCF，范围为−3.80至0.403 kg CO₂ eq. kg⁻¹乙烯。碳抵消程度从约4%到100%不等，最低的PCF出现在CO氧化与热电联产相结合时（BFG-CO₂-ER-HRSG）。尽管早期研究报告了−3.08 kg CO₂ eq. kg⁻¹乙烯，但因排除了副产物中捕集的CO₂，当前结果显示为−0.80 kg CO₂ eq. kg⁻¹。使用纯CO₂改善了性能，而CO和CO₂共电解（BFG-CO−CO₂-ER）效率较低，因其能量需求约为碱性电解的两倍且热交换有限。在所有情景中，热交换效率低下和CO排放仍是主要挑战，CO贡献了高达总排放的80%。
经济分析方面，仅在理想操作条件下使用高品位CO₂（*CO₂-ER）实现了盈利条件。在当前TRL下，所有情景因运营支出（OpEx）和总资本投资（TCI）增加而仍无法盈利。电解电力需求主导了OpEx（所有情景中>90%）。在BFG路线中，CO和CO₂共电解（BFG-CO₂-CO-ER）因资本支出需求较低而最具经济可行性。氧化BFG并整合热回收蒸汽发生器（HRSG）提供了运营支出优势——因减少现场CO处理而提高安全性，因更好的热交换和电力生产而降低电力需求——但这些节省被热电联产（CHP）设施更高的资本支出所抵消。
市场与供应链影响方面，研究人员通过调整能源价格反映英国、美国和亚太市场，比较了理想条件下的盈利能力。区域分析表明，对于纯CO₂原料，CCU投资在美国最为有利。英国能源价格需要下降约67%才能达到盈利性，而亚太价格需要比当前平均水平低约20%。对于CO₂丰富原料（98 wt%），除CO₂信贷（CO₂-c）外的所有政策措施都改善了毛利率和内部收益率（IRR）。对于低品位流如BFG（约22 wt% CO₂），需要组合措施才能实现正利润，如p-w和p-w-t。尽管CO₂捕集大幅增加了成本，但在BFG-p,w和BFG-t,p,w中这些成本被抵消。将CO₂作为商品增加了进一步成本并降低了IRR，强调了对CO₂等级和市场应用进行监管明确化的必要性。两个政策杠杆显示出最强效果：（1）基于CO₂含量对工业烟气处理收费（w），（2）清洁能源生产的税收激励（t）。
买方-供应商分配情景显著影响乙烯的PCF。当CO₂作为商品的效益在供应商和CCU工厂之间共享时，乙烯的PCF降低了约40−73%。将所有效益分配给CO₂来源（污染者付费）抵消了高达73%的PCF，接近碳中性。相反，将工业烟气归类为废物并将所有CCU效益分配给产品可实现负PCF，抵消高达1.05倍的基线排放。
**主要技术方法**
研究人员采用的核心技术方法包括：（1）过程合成与模拟——使用SuperPro Design软件对碱性电解制乙烯系统进行质量-能量衡算（M&EIpromat）和流程建模，建立四种情景的工艺流程；（2）生命周期评估——基于Ecoinvent数据库英国区域数据，采用归因型截断分配方法，运用环境足迹因子（EF v3.0）计算中点影响，并基于PEFCR（v6.3-2）规则调整循环足迹公式（CFF）处理不同品位CO₂的分配问题，使用Brightway2软件进行生命周期影响评估（LCIA）；（3）技术经济评估——计算净现值（NPV）、收入、OpEx和TCI，项目寿命30年，默认IRR设定为2%，催化剂运营成本以10%应急费用保守计入；（4）结构化风险评估——采用基于问卷的多准则决策分析模型，涵盖数据质量、工艺设计、供应链设计、废物/副产品管理、经济性、产品生命周期和监管七个维度，对技术、经济和环境可行性进行评分与比较。
**研究结果详述**
**环境表现（S1和S2）**：电解在多个生命周期影响类别中实现了减排，BFG-CO₂-ER-HRSG和CO₂-ER表现最优。有机副产物（酸和醇）可进一步增值用于生物表面活性剂生产。显著的水消耗即使在回收条件下仍存在，提示碳抵消与废物处理/副产品回收的潜在机会。WUP、FWP和MEP负担低于预期，而PMP（颗粒物形成潜力）和ACP（酸化潜力）增加，尤其在当前TRL条件下。理想设置下，CO₂-ER和BFG-CO₂-ER-HRSG实现碳中性至负PCF。热交换限制和CO−CO₂捕集效率低下是高PCF的主要原因，仅将效益分配给乙烯限制了可实现的CCU信贷。
**经济性（S1和S3）**：仅*CO₂-ER情景在理想操作下盈利。当前TRL下所有情景均因OpEx和TCI增加而无法盈利。电力需求主导OpEx。BFG-CO−CO₂-ER因较低CapEx而最具经济可行性，但HRSG的较高CapEx抵消了其OpEx优势。氧气损失在共电解中影响减小，但气体压缩的增加使HRSG情景无法盈利。
**市场与供应链影响（S4）**：政策策略起决定性作用。能源价格区域差异创造投资机会。CO₂作为废物处理的监管分类可改善盈利性和环境结果。清晰的CO₂质量认证和分配框架对价值传递至关重要。
**治理：监管指导（S5）**：每项原料选择涉及可用性、成本和环境影响的 distinct trade-offs。实现净零排放和碳中性/负PCF需要战略政策框架。潜在治理策略包括：（1）绿色溢价乙烯的强制掺混要求；（2）环境税收激励降低能源成本5−20%；（3）烟气CO₂作为商品或废物的明确分类。
**技术成熟度：风险评估（S6）**：大规模CCUt的经济和环境预测受数据质量限制。共电解性能外推可能存在偏差，CO的双重角色（原料和中间体）使反应复杂化。需要针对后燃烧气体直接电解的实证研究，特别是杂质对催化剂寿命、稳定性和选择性的影响。催化剂补充成本以固定应急费用处理，避免了经济可行性的高估。未来工作应纳入显式降解模型。图6的风险评估显示，高品位CO₂原料（CO₂-ER）表现最强，其次是后燃烧路线。供应链脆弱性、监管不确定性、有限数据质量、不充分的废物管理途径以及当前TRL下的经济可行性限制仍是主要障碍。
**风险管理（S7）**：风险评估应作为风险管理行动的指导，支持决策者确定工业部署前急需干预以缓解风险的领域。乙烯案例研究表明，环境绩效良好的CCUt路径仍受监管和市场风险限制，包括CO₂质量标准、工业烟气利用的供应链清晰度以及支持当前TRL下盈亏平衡的政策干预。短期行动应优先关注监管明确性和有针对性的研究，以提高数据稳健性和生命周期建模。
**研究结论**
本研究开发了一个与净零承诺一致的CCUt比较决策框架，为低碳化学品提供了广泛的投资视角。以电催化利用工业烟气中高纯度和低纯度CO₂生产乙烯为案例研究，情景分析和定性风险评估为利益相关者和政策制定者提供了结构化方法，强调了技术参数、环境性能、经济可行性和供应链设计的重要性。
环境负担在多个生命周期类别中得到缓解（PCF、FWP、MEP、TEP、ODP、IRP、LUP、WUP），强化了完整LCA对准确评估的重要性。供应链双方之间的效益和负担分配显著影响乙烯的PCF。将CO₂作为商品可抵消40−73%的影响，根据分配方案接近碳中性。将工业烟气作为废物并将所有CCU效益分配给产品可实现碳负足迹。当BFG与CO氧化和热-电回收相结合时，环境抵消最大，凸显了明确政策和认证框架以跟踪环境绩效的必要性。
政策与治理考虑直接关联于TEA/LCA定量结果的风险评估中，突出了哪些监管或市场工具最能有效支持潜在工业条件下CCU基乙烯的部署。治理策略必须考虑买方-供应商动态，通过排放交易、税收激励和废物处理费用支持低碳化学品市场。其中，能源采购税收减免和CO₂丰富烟气处理费用的降风险效果优于溢价定价。虽然高品位原料可能通过单一策略达到盈利性，但后燃烧路径需要组合政策措施。未来工作应优先关注风险管理，如后燃烧气体电解性能的验证和以治理为导向的成本建模。概率多准则决策模型也将增强稳健性和框架向不同技术和产品性能比较的迁移性。
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