碳捕获技术的真相

本周，世界各国领导人齐聚格拉斯哥，出席 2021 年联合国气候变化大会 COP26，气候变化成为每个人关注的焦点。

业界有很多讨论，讨论碳储存、碳捕获、碳转化和碳封存等反碳技术是否能够对去除当今排放最丰富的温室气体二氧化碳产生巨大影响。

以下是关于这些术语的含义、当前的技术状态以及它们在实践中的情况的简要介绍。

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碳捕获

碳捕获最常见的是指从各种来源去除二氧化碳的过程，例如使用煤炭、石油或天然气等化石燃料的发电厂的烟囱，以及制造和生产设施。

捕获也指直接从大气中去除二氧化碳，称为二氧化碳去除（CDR）或直接空气捕获（DAC）。

然而，发电厂或工业设施烟囱排出的烟气中含有的碳含量要高得多，二氧化碳含量约为 10% 至 15%。而一般大气中的二氧化碳浓度约为 400 至 450 ppm（百万分率），即约 0.04%。

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“我们担心大气中的二氧化碳，从影响辐射强迫和气候变暖的角度来看，这种二氧化碳非常严重。但从捕获的角度来看，二氧化碳非常稀薄，”加州理工学院应用物理和材料科学教授哈里·阿特沃特 (Harry Atwater) 表示。“因此，人们必须开发巧妙的方法来捕获二氧化碳，然后将二氧化碳浓缩为纯净的二氧化碳流。”

例如，瑞士公司 Climeworks 是碳捕获领域的领先公司之一。欧洲各地有十多个直接空气捕获设施，这些设施使用类似风扇的机器从空气中过滤掉二氧化碳，然后加热捕获的分子并将其泵入地下。

另一家公司，如 Carbon Engineering，喷洒氢氧化钾等基本化学物质来结合并吸收空气中的二氧化碳（酸性）。

“目前正在研究多种直接捕获空气的技术。还有从海洋中捕获二氧化碳的技术，”阿特沃特说，比如他正在研究的 ARPA-E 项目，该项目获得了能源部的资助。

多份国家科学院的报告指出，积极清除大气中二氧化碳的技术需要被认真考虑作为应对气候变化的众多解决方案之一。

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哥伦比亚大学地球与环境科学教授彼得·凯勒曼说：“人们已经开展了大量研究，试图将二氧化碳从其他气体中分离出来。当然，一旦获得了二氧化碳，就必须将其储存在某个地方。”

碳封存和储存

从凯勒曼的角度来看，储存和封存“几乎是同义词”，只不过封存是指通过地质储存等方法“基本上永久”地储存二氧化碳。凯勒曼说，例如，北海的挪威 Sleipner 项目将高密度二氧化碳流体在压力下储存在海床下的孔隙中。

然而，地下碳封存有一个重大缺陷——阿特沃特指出，该技术的主要市场是提高化石燃料的回收率，企业希望将加压二氧化碳泵入现有的石油和天然气储层中以获取更多的产品。

例如，强化水力压裂行业的某些人可以主张他们是净碳负的，因为他们在技术上是从空气中吸收二氧化碳并将其注入地下。“但当然，他们所做的也是加强甲烷（一种温室气体）的回收，然后是二氧化碳，”他说。因此，一个重要的问题是，一家公司采用的整个过程是净碳负的、正的还是中性的。

冰岛正在使用 Climeworks 和 CarbFix 的综合技术，不仅可以捕获二氧化碳并将其泵入地下，还可以将其永久地以固体形式储存。这些含碳矿物大多是“碳酸盐”，如方解石和菱镁矿，可以将二氧化碳储存数千年。

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“如果有有利的地层，可以将封存的二氧化碳转化为固体形式，那么这将使其在地质上更加稳定，我们可以说它被安全地封存了，而不必担心它会再次被排放出来，”阿特沃特说。“CarbFix 设法了解了注入的二氧化碳在矿物地层中形成稳定碳酸盐的反应。”

阿特沃特说，简单地将多余的碳埋入地下比将二氧化碳封存成具有经济价值的可销售产品更不合理。幸运的是，许多公司和科学家都选择了这条路。阿特沃特说，许多研究人员考虑将固体碳嵌入钢铁和水泥等建筑材料中，而建筑材料已经是一个排放严重的行业。“如果我们真的能把过去所有建筑材料合成过程中排放的二氧化碳转化为我们可以使用的材料，比如碳纤维复合材料和其他更无害的碳储存形式，那会怎样呢？”他补充道。“那将是一种无限期的储存形式。”

与固体碳储存相比，还有另一种不太明确的碳储存形式：作为燃料。

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化石燃料，如汽油（一种液态碳氢化合物），与氧气结合，在我们的汽车中发生燃烧反应，生成二氧化碳和水。许多科学家一直在尝试反向进行该反应的方法，将二氧化碳和水转化为燃料和氧气。

阿特沃特和加州理工学院是美国能源部赞助的液体阳光联盟的成员，该联盟的目标是研究如何利用太阳能来推动燃料形成反应的逆向过程。这种方法的一大优势是能够为航空、航运和钢铁生产等难以脱碳的行业重复使用燃料。

“它可以是飞机燃料，你可以回收再利用在飞机上。它可以实现零碳排放，因为你可以将二氧化碳转化为燃料与燃料燃烧转化为二氧化碳相平衡，”阿特沃特说。“这将是生产可再生飞机燃料的一种方式，这也是很多航空公司感兴趣的。”

这个想法已经在顺利进行中。一家位于湾区的名为 Twelve（以元素周期表中碳的原子质量命名）的公司正在研究将二氧化碳转化回燃料。一家名为 Atmosfair 的德国公司也在通过将风力涡轮机产生的氢气与捕获的二氧化碳相结合来制造合成的二氧化碳中性航空燃料（其首家客户是汉莎航空）。

碳的成本

在接下来的几年里，专家们必须权衡清除大气中二氧化碳的一些选择的利弊。

即使是植树造林和创造天然生物质来储存碳等传统方法，实施和维持起来也具有挑战性。“发展中国家的重新造林在政治和道德上存在问题，因为砍伐树木的人有理由这样做，而且可能拥有土地，”凯勒曼说。“植树造林和生物燃料生产存在问题，因为它们与粮食生产争夺可耕地。”

此外，凯勒曼解释说，新森林只能在森林或海洋中的海藻森林生长期间吸收大量的碳。“一旦它们达到‘稳定状态’（例如成熟的森林），生长所吸收的二氧化碳的速度不会比活植物呼吸和‘死亡’生物质分解所排放的二氧化碳的速度大很多。”

为了维持森林作为碳汇的庞大功能，必须不断砍伐植物并防止其腐烂。

与此同时，碳捕获和封存技术面临的一大问题是价格问题。“如果你只是要封存碳，就需要发达工业社会的公民和领导人同意向自己征税，以承担封存碳的成本，”阿特沃特说。“目前全球还没有达成一致的每吨碳价格，这就是问题之一。”

虽然碳信用市场正在整个企业界兴起，但目前，储存方法的需求和容量之间存在差距。“我们根本没有足够的技术来满足需求。我们处在一个奇怪的时刻，”阿特沃特说。“碳信用的需求量高达数十亿吨，而容量只有数千吨。”

大多数反碳技术都处于起步阶段。也没有大规模的基础设施支持它们的增长和扩张。“碳负技术，除非你直接将捕获的二氧化碳泵入地下，否则它们必须创造新产品，如燃料、特种化学品和材料，”阿特沃特说。“燃料、水泥和钢铁等产品才是大市场。这些都是我们以千兆吨规模生产的东西。”

这些技术有时会引起争议——因为许多人认为捕获和储存可以让化石燃料公司摆脱巨大的碳足迹。阿特沃特说：“要使大气中的碳含量低于当前水平并回到工业化前的水平，我们需要尽可能地脱碳和电气化。”但对于“几乎不可能脱碳”的行业来说，储存提供了一个充分利用这些排放的机会。