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从空气中直接吸收二氧化碳“冷却”地球

来源:新浪科技
发布时间:2021-03-17
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     想象一下现在是2050年。当你来到一片荒漠,穿过阳光炙烤的灌木丛,道路两旁只有几个早已废弃的抽油泵。然后,你看到一座闪闪发光的大型建筑从平坦的地面上拔地而起。这里的土地像一面巨大的镜子,太阳能板阵列如同银蓝色的波浪,向四面八方伸展。在远处,它们环绕着一堵巨大的灰色墙壁,有五层楼高,长度接近一公里。在墙的后面,你可以看到如化工厂般蜿蜒曲折的管道和台架。

  当你走近时,你会看到这堵墙正在移动,并且闪闪发光;事实上,它几乎就是由钢铁盒子里呼呼作响的风扇组成的,看起来就像一个巨大的空调机组,被放大到不可思议的比例。从某种意义上,也确实如此。这是一个“直接空气捕获”(direct air capture,简称DAC)工厂,在全世界,有成千上万个类似的工厂,它们的工作就是吸收空气中的二氧化碳,以此“冷却”地球,这里的工厂致力于捕获化石燃料的残留物——空气中的二氧化碳——并将其泵入被抽空的地下储库。

  如果我们要在2100年前实现《巴黎协定》所制定的将全球变暖幅度控制在1.5摄氏度的目标,那么到本世纪中叶,这样的景象可能就很有必要。

  不过,让我们暂时回到2021年。在加拿大不列颠哥伦比亚省的斯阔米什(Squamish),一个谷仓大小、覆盖着蓝色油布的设备,在雪山天际线的映衬下,正在进行最后的准备工作。这是Carbon Engineering公司的直接空气捕获工厂,将在9月份投入使用,开始每年从空气中清除1吨的二氧化碳。这只是一个开始,在美国德克萨斯州还有一个规模稍大的工厂正在建设中,不过在目前这个阶段,斯阔米什的工厂是DAC工厂的典型规模。

  “我们面临着气候变化问题,而这是由二氧化碳过量造成的,”Carbon Engineering公司首席执行官史蒂夫?奥尔德姆说,“有了DAC,你可以在任何地方、任何时间移除任何排放物。这是一个非常强大的工具。”

  大多数碳捕获侧重于从源头清洁排放物,即通过烟囱上的洗涤器和过滤器防止有害气体进入大气。然而,对于地球上数以十亿计的汽车而言,这是不切实际的,因为这些排放源很小且数量极多。源头清洁也不能解决空气中已经存在的二氧化碳。于是,直接空气捕获便有了用武之地。

  如果世界想要避免灾难性的气候变化,仅仅转向碳中和社会是不够的。政府间气候变化专门委员会(IPCC)警告称,如果要在2100年时将全球变暖限制在1.5摄氏度,就需要像DAC这样“大规模部署二氧化碳消除措施”的技术——这里的“大规模”是指每年数十亿吨或数十亿吨。特斯拉和SpaceX的首席执行官埃隆?马斯克最近承诺,将投资1亿美元开发碳捕捉技术,而微软、美国联合航空公司和埃克森美孚等公司也准备在该领域进行10亿美元级别的投资。

  目前的模型显示,到2050年,人类每年需要移除100亿吨二氧化碳;到本世纪末,这个数字需要翻一番,达到每年200亿吨。但现在,我们几乎没有移除任何二氧化碳,必须从零开始。

  Carbon Engineering公司位于斯阔米什的工厂被设计成不同技术的试验平台。与此同时,该公司正规划在美国西部的油田中建设一个更大的碳捕获工厂,每年将固定100万吨二氧化碳。在一个项目完成后,它就会成为可以复制的模型,只需要简单地复制那个工厂就行了。但未来的项目规模会令人难以置信,我们需要从大气中移除8000亿吨二氧化碳,这可不会在一夜之间发生。

  不切实际的想法?

  “直接空气捕获”的科学原理很简单,目前已有若干方法可以做到这一点。Carbon Engineering公司的系统是利用风扇,将二氧化碳含量为0.04%的空气经过滤器吸入氢氧化钾溶液中。氢氧化钾是一种腐蚀性化学物质,俗称苛性钾,可用于制造肥皂及其他含钾的化学物质。氢氧化钾从空气中吸收二氧化碳后,溶液通过管道输送到另一个反应室,与氢氧化钙(建筑用石灰)混合。这些石灰会吸收溶解的二氧化碳,形成小片的石灰石。将这些石灰石薄片筛掉之后,剩余物质被输送至第三个反应室——称为分解炉——进行加热,直到分解释放出可被被捕获并储存的纯二氧化碳。在每个阶段,剩余的化学残留物都会在过程中被回收,形成一个封闭的、不断重复的反应,不产生任何废料。

  在全球碳排放持续上升的背景下,如果没有这样的干预措施,想要实现1.5摄氏度的气候目标将极为困难。阿杰伊·甘比尔是帝国理工学院格兰瑟姆气候变化研究所的高级研究员,也是2019年一篇关于DAC如何缓解气候的论文作者之一,他说:“如果没有直接空气捕获,就可能发生各种各样难以预料的情况,我们将很难实现巴黎协定的目标。”

  IPCC确实提出了一些不依赖于直接空气捕获的气候稳定模型,但这些模型对于能源效率提高和人类行为改变意愿的假设太不切实际了。我们已经过了需要减排的阶段,未来将越来越依赖DAC。

  直接空气捕获远非从大气中提取碳的唯一方式。我们也可以通过改变土地使用方式来自然除碳,比如恢复泥炭地,或者种植森林——这也是最普遍的做法。但些过程都十分缓慢,而且需要大量宝贵的土地。据估计,如果新种植森林的面积与美国相当,那么在这一过程中,食品价格将推高5倍。就树木而言,它们对碳的去除效果是有限的,因为树木最终会死亡并释放出所储存的碳,除非可以在一个封闭的系统中进行砍伐和燃烧。

  如果不依靠植物,而是使用诸如DAC这样的技术来去除二氧化碳,面临的挑战同样巨大。甘比尔在论文进行了计算,发现如果要追上目前全球二氧化碳排放——每年360亿吨——的步伐,就需要建造3万个大规模的DAC工厂,是今天世界上运行的燃煤电厂三倍还多。每个DAC工厂的建设成本将高达5亿美元,总成本可高达15万亿美元。

  每一个这样的碳捕获设施都需要配备大量的溶剂来吸收二氧化碳。在一座足够大的DAC工厂中,如果捕获100亿吨二氧化碳,将需要大约400万吨氢氧化钾,这相当于全世界氢氧化钾年供应量的1.5倍。

  当数以千计的DAC工厂建成之后,其运行也需要大量的电力。如果这是一个每年吸收100亿吨二氧化碳的全球性产业,那么将消耗100艾焦(10^18焦耳)的能量,约占全球总能源的六分之一。这些能量中的大部分都用于将分解炉加热到大约800摄氏度,而这对单一电源而言要求太高了,因此每个DAC工厂都需要配备燃气炉,以及现成的天然气来源。

  成本问题

  从空气中捕获1吨二氧化碳的成本估计值相差很大,从每吨100美元到1000美元不等。多数估计数据过于悲观,希望寄托于在相关的工业过程广泛应用之后能降低成本。

  一个更大的问题是寻找投资。从商业角度来说,拯救世界其实是一件很难推销的事情,这似乎很令人难以置信。不过,直接空气捕获确实带来了一项有价值的商品:数千吨压缩二氧化碳。这些二氧化碳可与氢结合,制造合成碳中性燃料,可以出售或在分解反应室的燃气炉中燃烧(在那里排放的气体将被捕获并再次循环)。

  令人意想不到的是,压缩二氧化碳的最大客户之一竟然是化石燃料行业。当油井枯竭时,可用气体注入或化学品注入的方式,将剩余的石油从地下挤压出来,这一过程被称为“强化采油技术”。二氧化碳是一个很受欢迎的选项,并且还有一个额外的好处,那就是可以将碳锁在地下,完成碳捕获和储存的最后一步。西方石油公司(Occidental Petroleum)已经与Carbon Engineering公司合作,准备在德克萨斯州建设一个全尺寸的DAC工厂,每年为强化采油提供约5000万吨二氧化碳。每一吨用于该技术的二氧化碳都可以抵免225美元的税收优惠。

  将空气中的二氧化碳最终储存于油田的地下,或许再合适不过,但讽刺的是,为了实现这一目的,唯一的融资方式竟是获取更多的石油。西方石油公司和其他一些公司希望,通过将二氧化碳泵入地下的方式,大幅减少石油对碳排放的影响;这是典型的强化回收作业,在储存1吨二氧化碳的同时,新采掘的石油又释放了1.5吨二氧化碳。因此,尽管这个过程减少了与石油相关的碳排放,但并不能真正地实现收支平衡。

  压缩二氧化碳还有一些其他的用途,可能会使其更具有商业可行性。另一家从事直接空气捕获的公司Climeworks目前运行着14个规模较小的装置,每年储存900吨二氧化碳,卖给温室以促进蔬菜的生长。目前,该公司正在研究一个长期的解决方案:在冰岛建设的一座能将捕获的二氧化碳与水混合的工厂,并将混合物泵入地下500至600米深处,使二氧化碳气体与周围的玄武岩发生反应,最终成为石头的一部分。为了筹集资金,该公司向各大企业和民众提供购买碳补偿的能力,起价仅为每月7欧元。这能否说服世界其他国家购买呢?

  “DAC总是要花钱的,除非有人付钱给你,否则就没有经济激励。”克里斯?古道尔在《我们现在需要做什么:为零碳的未来》(What We Need To Do Now: For A Zero Carbon Future)一书中写道,“Climeworks公司可以向善良的人出售信用,与微软和Stripe公司签订合同,每年从大气中提取几百吨(二氧化碳),但这需要扩大到100万倍的规模,这需要有人为此买单。”

  电动汽车获得了大量补贴,太阳能发电场也得到了低廉的融资,但你看不到DAC得到这样的待遇,人们对减排的关注度如此之高,但对其他问题的关注却没有达到同样程度,比如大气中二氧化碳的含量。DAC面临的最大障碍是,制定政策时并没有将其考虑在内。

  DAC将走上与其他气候技术类似的道路,并变得更加廉价。研究者正在完善成本曲线,展示了技术会如何快速地降低成本。在风能和太阳能方面,也克服了类似的障碍。最重要的是尽可能多地部署这些设施。政府对该技术商业化的支持是很重要的,因为它是第一个客户,也是一个非常有钱的客户。

  也有研究者主张征收全球碳税,如果不购买碳补偿的话,碳税会使排放碳的成本变得更高。但这在政治上仍是一个难以被人接受的选项。没有人愿意支付更高的税收,特别是许多人认为高能量生活方式的外部效应——不断增加的野火、干旱、洪水和海平面上升——都是别人的负担。

  我们还需要在社会上就这些技术的成本进行更广泛的讨论。气候变化,以及自然灾害的发生或加剧都会使人类付出巨大的代价。我们也许需要摒弃DAC应该廉价的想法。

  风险和回报

  即使有关方面同意建造3万个工业规模的DAC工厂,并找到运营这些工厂所需的化学材料,以及支付所有费用的资金,人类也不一定会脱离困境。事实上,由于所谓的“缓解威慑”(mitigation deterrence)现象,我们最终可能会比以前更糟糕。

  如果你认为DAC将在中长期的未来出现,那么在短时期内,过量的排放就不会有所减少,如果DAC工厂的规模无法扩大,比如很难生产足够的吸附剂,或者吸附剂很快就会降解;这项技术可能会变得更加棘手,成本比预期的更加高昂,那么在某种意义上,如果短期内没有采取有效措施的话,地球的温度就注定会上升得更快。

  DAC的批评者指出,该技术的吸引力很大程度上在于一种只存在于假想中的承诺,允许我们继续过着富碳的生活。但对于一些难以减碳的行业(比如航空业),通过补偿来为DAC提供资金可能是最可行的选择。如果从空气中移除碳比停止飞行代价更低、更容易做到的话,DAC或许就能在碳排放控制中真正发挥作用。

  但这并不是一种非此即彼的情况,我们需要在近期迅速减少排放,但与此同时,也要坚决发展DAC,以确定其能否在未来为我们服务,DAC是平衡碳预算的关键工具,我们今天还无法移除的碳,可以在未来再进行移除。

  寻求扩大DAC规模的同时,最重要的根本因素是证明大规模DAC是“可行的,也是负担得起并可用的”。如果Carbon Engineering公司最终取得成功,地球气候的未来可能就将看到希望。

知识点问答
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由文可知到()年,人类每年需要移除100亿吨二氧化碳。
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