碳捕获可以抑制全球变暖——其工作原理如下

仅剩 11 年左右的时间来大幅削减我们的排放量并避免气候变化的最严重影响，官员们提出了宏伟的目标。加利福尼亚州、夏威夷州和新墨西哥州都计划在 2045 年前转向无碳能源。内华达州希望在 2050 年跟进。在联邦层面，国会仍在讨论一项绿色新政，即在短短 10 年内将美国能源完全转向可再生能源。

这些计划中提出的许多行动都是熟悉的：扩大风能和太阳能发电，建设更多公共交通，恢复自然景观以将碳储存在树木、植物和土壤中。但随后又有人谈论“碳捕获和储存”，即 CCS，这是一种不定形的、听起来很未来的技术。一些气候专家认为，如果没有这一工具，实现将气温升高控制在 1.5ºC 以下的目标基本上是不可能的。但它到底是什么呢？

工作原理

基本思路很简单。CCS 不会允许发电厂、水泥厂或其他重工业向大气排放大量二氧化碳，而是在排放之前提取这些碳并将其封存于地球。但将这些技术付诸实践要稍微复杂一些。

燃烧前碳捕获技术在化石燃料燃烧前将碳从化石燃料中分离出来，从而实现更清洁的能源生产。对于天然气，化学反应将碳从甲烷分子中分离出来，产生清洁燃烧的氢气。对于煤炭，首先必须将其转化为一种称为合成气的气体，然后才能过滤掉碳。

采用燃烧后 CCS 的工厂会像平常一样燃烧化石燃料，但会额外增加一个步骤，在二氧化碳飘散到大气中之前将其提取出来。执行这个额外步骤的方法有很多种。最常见的方法是让废气通过水性胺（一种与碳结合的液体化学物质）。之后，工厂操作员可以加热这些胺以释放二氧化碳，然后加压并通过管道排出。

伦敦帝国理工学院清洁化石燃料和生物能源研究小组的尼尔·麦克道尔 (Niall Mac Dowell) 表示，后燃烧的优势在于其适应性强。“我们可以利用全球所有装置，并在现有装置上添加 CCS。”但后燃烧成本高昂，因为废气中的碳很稀，很难将其从其他燃烧副产物中过滤掉。氧化燃烧试图解决这个问题。该过程在燃烧前将氮气从空气中分离出来，因此只是燃料和氧气在燃烧。这可以浓缩产生的二氧化碳，使其更容易提取。

还有许多新兴的碳捕获技术值得考虑。斯坦福大学普雷科特能源研究所联合主任萨莉·本森表示，最令人兴奋的技术之一是阿拉姆循环。它基本上将燃烧产生的二氧化碳回收成可以驱动涡轮机的高压流体，将废物转化为电能。目前，德克萨斯州的一家小型示范发电厂正在使用这种技术，预计很快能够在炎热的夏日为 5,000 户家庭供电。运营该发电厂的公司 NetPower 估计，考虑到目前可用的税收抵免，未来商业规模的发电厂可以以每兆瓦时 20 美元的价格出售电力；现在，美国人平均每兆瓦时支付 130 美元。“你循环了大量的二氧化碳，然后你只需取出少量二氧化碳进行储存，”本森说。“这会带来非常高的效率，而且它是一个完全零排放的发电厂。”

最后一步是储存温室气体。不管怎样，碳需要加压并通过管道输送出去进行储存。一种有希望的储存选择是深层地下盐水库，即充满盐水的多孔岩石区域。这些地点可以将二氧化碳困在岩石的孔隙中。通过将开采的煤炭、石油、天然气中的碳放回地下，这有点像反向开采化石燃料。

但实际上提取已经释放到大气中的碳又是另一回事。这在理论上是可行的，但这一过程——直接碳捕获——在现实世界中尚未实现。2018 年的一项研究发现，拟议的直接空气捕获系统可以从空气中去除二氧化碳并将其回收成燃料，成本为每吨 94 至 232 美元，但这可能比仅仅使用可再生能源避免排放一吨碳更昂贵。与氧气和氮气相比，大气中的二氧化碳相对分散，因此直接从空气中提取二氧化碳需要大量能源。

我们现在使用

本森说，目前，全世界有 18 个碳捕获和储存项目，每年总共储存 3150 万吨二氧化碳。但与我们去年排放的 371 亿公吨相比，这并不算多。

美国工厂每年捕获 6500 万吨二氧化碳。但其中 60 吨被用于“提高石油采收率”，这有点违背了初衷。二氧化碳是一种很好的溶剂，可以让企业有效地从地下油气池中刮取最后的石油和天然气。因此，虽然二氧化碳至少得到了回收，但大部分二氧化碳被用于继续开采化石燃料。

这并不意味着我们不能改变方向，大幅增加地下永久封存的二氧化碳数量。“碳捕获的核心技术要素非常成熟，已经使用了很长时间，”麦克道尔说。“问题是，就目前情况而言，并没有真正的要求或鼓励封存二氧化碳。”

CCS 设备的安装和维护成本很高，因此目前化石燃料公司几乎没有动力使用它。照常营业要便宜得多。政客们可以通过税收、激励措施或法规的形式推动化石燃料行业。要么污染成本高，要么有办法通过捕获碳来赚钱，这样公司才有理由进行 CCS。事实上，去年联邦预算的修订包括碳储存的税收抵免，这项措施被称为 45Q。本森说，将二氧化碳输送到盐水层中的公司每储存一吨碳可获得高达 50 美元的税收抵免。“我们预计，现在有了这项税收激励措施，我们将看到更多这样的项目。”

碳捕获的未来

碳捕获技术应用缓慢似乎是一个坏兆头。许多技术已经存在了几十年，但几乎没有被使用，一些专家认为这表明它们不是一种经济有效的减排方式。与此同时，环保主义者认为，碳捕获基本上是在给化石燃料开采造成的环境破坏打创可贴——既然有证据表明可再生能源可以扩大规模并以可承受的成本提供大部分能源，为什么不转向完全避免使用化石燃料的能源系统呢？

“[CCS] 最大的机会是帮助解决难以消除的排放问题，”本森说。水泥、化肥和其他行业严重依赖化石燃料，目前没有任何简单的方法将这些过程电气化。重型卡车也是如此，因为给大型卡车的电池充电需要很长时间。本森说，我们可以用从天然气中分离出来的氢气为卡车提供燃料。

一些专家认为，如果不进行碳捕获，我们的经济几乎不可能迅速脱碳，他们指出，IPCC 使用的综合评估模型可以评估不同能源组合的情景，并了解我们实现排放目标的可能性。根据这些分析，“证据表明，取消 CCS 的成本特别高昂，”麦克道尔说。“如果没有 CCS 技术，我们很可能无法实现 [排放] 目标。”

但其他人认为，这些模型不公平地惩罚了可再生能源，认为它们比实际情况更昂贵、更难实施。正如《自然能源》杂志最近的一项研究指出，“评估模型可能有自己的偏见，使它们无法有效考虑与当前能源组合截然不同的能源组合，暗中认可 CCS 只是当前系统的延伸，增加了成本。”

同一项研究还比较了运行碳捕获能源工厂和可再生能源所需的能源。研究发现，在工厂的整个生命周期内，投资可再生能源获得的能源回报比投资碳捕获工厂获得的能源回报更高。投入相同数量的能源，风能和太阳能获得的回报比使用 CCS 的化石燃料发电厂获得的回报更多。“考虑到其净能源劣势，我们认为 CCS 发电的发展是能源系统的一个利基和补充贡献者，而不是关键的技术选择，”该研究总结道。

尽管如此，IPCC 模型和《自然能源》研究都是广泛的大规模评估。一个地方需要快速减少碳排放的理想能源组合可能会因许多因素而异，包括可再生能源的太阳能和风能的可用性。正因为如此，一个好的前进道路可能是一个包容性的、广泛的“清洁能源标准”，本森说。她说，目前，许多政策在措辞上都强调“可再生能源”，但转向“清洁能源”可能会增加一些关键的灵活性。“那么，在可再生能源是最佳选择的地方，你就使用可再生能源，但在 CCS 有意义的地方，你也可以这样做，”本森说。“[不同地区] 都会竞争成本最低、最快的脱碳方式。”