从大气中去除二氧化碳

《联合国气候变化框架公约》第二十六次缔约方大会(COP26)将于10月31日至11月12日在英国召开。在此前夕,“应对气候变化世界在行动”专栏应运而生,旨在给读者提供有关世界力争防止全球气候变暖、致力于地球的健康和全球上的所有生命的全景概貌。

今年9月8日,世界上最大的直接吸收二氧化碳工厂Orca在冰岛正式投入运行,标志着到2050年实现全球净零排放(net-zero)的目标取得突破。

Orca 工厂每年从空气中吸收4000吨二氧化碳,相当于约 790 辆汽车的年排放量,它的工作原理是直接从空气中分离二氧化碳,并将废气掩埋在地下。

该技术是当今世界正在研究和应用的许多去除温室气体(主要是二氧化碳——造成温室效应的主要原因)的方法之一,旨在实现全球净零排放的目标。

不可否认,向可再生能源转型、提高能源利用效率和打击破坏森林违反行为等减排战略扮演极为重要的角色。然而,仅靠它们还不足以实现上述雄心。


从大气中去除二氧化碳的必要性

根政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的消息,当今世界的平均温度比 1850 年的水平高1.1摄氏度。如果这种趋势继续下去,到本世纪末,我们星球的气温将上升2-3摄氏度。

温度上升的主要原因是大气中二氧化碳含量更高,这会导致大气吸收太阳的热量并阻止其反射回太空。自 1850 年以来,空气中二氧化碳的含量由 0.029% 增加到 0.041%(288 ppm 到 414 ppm)。

在过去的 50 年里,超过 1.2万亿吨二氧化碳被释放到地球大气中,仅 2018 年就释放 366 亿吨。 因此,全球平均温度仅在半个世纪内就上升了 0.8摄氏度是不可避免的结果。

2015年,世界各国共同签署了《巴黎气候变化协议》,其中提出将本世纪全球气温上升控制在2摄氏度以内,并全力以赴将其控制在1.5摄氏度以内的水平这一目标。该协议限制了可以释放到大气中的二氧化碳量。根政府间气候变化专门委员会的计算,如果最大排放量在 3000 亿吨左右,将有 50% 的机会将全球气温上升限制在 1.5摄氏度的水平。然而,如果二氧化碳排放量保持在当前水平,上述二氧化碳“预算”将仅在短短 7 年内用完。

政府间气候变化专门委员会的特别报告强调了到 2050 年实现净零排放的重要性,同时指出仅仅减少造成温室效应的气体排放量是不够的。为了防止全球变暖的最坏影响,须大幅扩大碳去除技术(负排放技术 - NET)。

减少尾气排放的规模、速度与除碳的作用之间有着重要关系。
贝索斯地球基金科学、数据与体系改变部负责人凯莉•莱文。

除碳,是通过种树等简单方法到制造大型吸碳机等复杂方法来把大气中的二氧化碳抽出来。这一除碳之所以必要的,是因为中国、印度以及其他新兴经济体在今后多年继续将化石燃料作为能源。与此同时,航空、炼钢等一些产业在未来几十年内仍旧依赖于化石燃料。

为了2050年之前实现净零排放,要通过除碳方式控制上述排放量。

应着手寻找具有负责任和可持续从大气中除碳的措施。
美国大学旗下除碳政策与法律学院院长西蒙•尼科尔森。

造林和在造林有助于从大气中除去二氧化碳。(图片来源:WRI)

设在冰岛的全球最大空中吸碳工厂。(图片来源:彭博)

造林和在造林有助于从大气中除去二氧化碳。(图片来源:WRI)

设在冰岛的全球最大空中吸碳工厂。(图片来源:彭博)

大自然已给地球布置了帮助人类应对气候变化的大型碳库。除了人工碳库以外,这些自然界中的碳库有效地把二氧化碳从大气中去除。

森林被视为自然界中的碳库。绿树在进行光合过程中要吸收大气中的二氧化碳。据2019年在《科学杂志》刊登的研究结果,栽培一万亿绿树可以储存2250亿吨二氧化碳,相当于人类实现工业革命以来排放到空气中的二氧化碳排放量三分之二。

作为支持美国除碳战略 的Carbon180组织——一个非营利组织的生态学家、首席科学家,简·泽利科娃女士认为,农业土地管理是正在实验中的自然安全地除碳方法。轮牧已减少土壤疏松,轮作的光合过程会增加二氧化碳吸收量,然后二氧化碳会保留在腐朽的树根细胞。美国国家科学院(NAS)发现,土壤中的碳数量可弥补美国年度净零排放量的10%,相当于6.32亿吨二氧化碳。

除了自然方法以外,目前正在研究和利用技术来将二氧化碳从大气中抽出来。

从大气直接捕获碳的技术,是从空气中将二氧化碳抽出来并输送到过滤器的一个化学过程。过滤器加热之后,二氧化碳可以吸收并输入到土壤中。国际能源署(IEA)称,目前在世界上运营的15个空中吸碳工厂每年可吸收9000多吨二氧化碳。

另一种方法是生物能源与碳捕获和储存(BECCS)。在此方法之下,植物(生物质)将被种植,然后燃烧以产生热量或生物燃料。 在燃烧过程中,碳排放被捕获并储存在地下。 此外,还有一些碳去除方法,例如是使用生物炭、二氧化碳矿化和基于海洋的方法(增加海洋的碳储存能力)。

从大气中去除二氧化碳的一些方法。(图片来源:The Conversation)

从大气中去除二氧化碳的一些方法。(图片来源:The Conversation)

各国去炭化的努力

作为东道主的英国正在减少大气中二氧化碳的排放量中迈出强劲的步伐,争取到2050年实现净零排放,以及防止气候危机。

今年五月,英国研究与创新基金会提供赞助的一个价值3000万英镑的项目正式问世,旨在尝试各种方法在面积100公顷的土地上有效而可行地具体化上述的努力。这是世界上最大的实验之一。

据此,该项目将在英国各地实施,使用树木、泥炭、碎石和木炭从空气中捕获二氧化碳。

在英国西北部坎布里亚郡卡莱尔种植树木以抵消二氧化碳排放。(图片来源:The Guardian)

在英国西北部坎布里亚郡卡莱尔种植树木以抵消二氧化碳排放。(图片来源:The Guardian)

在英格兰北部的奔宁山谷和威尔士西部退化的泥炭地,将进行湿气再生和树木绿化,而岩石碎片在土壤中破碎时吸收二氧化碳,将在德文郡、赫特福德郡和威尔士中部的农场进行实验。特殊的木炭类型,也称为生物炭,将被埋在污水处理场、老旧矿山和铁路路堤上。

英国各地进行大规模使用树木捕获二氧化碳的试验。同时,最终实验将以商业规模测量柳树和芒草等能源作物碳去除的潜力。这些树木将被燃烧以获取能量,排放出来的二氧化碳将被捕获并储存在地下。

根据政府间气候变化专门委员会科学家所作出的结论,从现在到 2050 年,如果不削减二氧化碳排放量和除去数十亿吨二氧化碳,就无法实现世界正在争取的将全球温度升高控制在 1.5摄氏度的目标。英国政府的官方气候顾问估计,要在本世纪中叶实现净零排放,英国每年需要去除的二氧化碳量约为 1 亿吨。

一家直接从空气中大规模捕获二氧化碳的的工厂的透视图。 (图片来源:Insider)

一家直接从空气中大规模捕获二氧化碳的的工厂的透视图。 (图片来源:Insider)

除碳是必要的,因为很难于2050年实现航空、农业和水泥等行业净零排放。新的试验是英国政府价值1.1亿英镑的计划的一部分,其中也包括应用技术来直接从空气中提取二氧化碳的试验。


作为全球第二大二氧化碳排放国,美国在努力从大气中去除二氧化碳工作中取得重要进展。8月17日,美国能源部(DOE)公布向新方法探索和开发捕获和储存空气中碳的9个项目提供2400万美元的资助款项。

美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆(Jennifer M. Granholm)表示:“致力于从空气中直接捕获和储存碳是我们抗击气候危机的必走之路。美国能源部对各所大学和实验室研究捕获和储存碳技术的投资款项有助于将美国成为该领域的领先者,提供高收入的就业机会,同时让我们的无碳未来成为现实”。

克莱姆工业(Climeworks)公司在瑞士的捕获和储存碳工厂。(图片来源:Climeworks)

克莱姆工业(Climeworks)公司在瑞士的捕获和储存碳工厂。(图片来源:Climeworks)

研究结果指出,控制碳排放量是不够的,从空气中直接捕获碳的创新方式是应对气候危机的必要措施。

据此,美国向2所国家级实验室及包括北卡罗来纳州A&T 州立大学在内的7所大学提供2400万美元的援助款项,用于开展从空气中直接捕获碳的新材料、化工及流程的项目以及有关捕获、孤立或重复利用碳的计算和实验相结合的研究项目。


2020年9月,挪威公布向一项命名为“长船”(Longship)的全球首个碳捕获与储存(CCS)项目提供18亿美元的援助款项。

据此,上述款项将用于开展设在挪威南部一家水泥工厂(由德国海德堡水泥厂负责运行)及设在奥斯陆的垃圾焚烧厂(由芬兰富腾能源公司负责运行)的碳捕获单位。据富腾,该项目将助力去除相当于每年6万辆汽车排放的二氧化碳量。

上述两个碳捕获单位提出捕获40万吨排放碳的目标。

该项目将有助于从大气中捕获碳。(图片来源:Getty Images)

该项目将有助于从大气中捕获碳。(图片来源:Getty Images)

“Longship”也包括石油和天然气巨头挪威国家石油公司(Equinor)、壳牌(Shell)和道达尔(Total)的联营北极光(Northern Lights)项目。北极光项目负责以船将液态二氧化碳从碳捕获厂运送到挪威西部海岸上的一个储存单位临时储存。然后,这些碳将通过管道运送到设在北海海底储碳罐。

挪威首相埃尔娜·索尔伯格(Erna Solberg)表示,这就是挪威政府在努力抗击气候变化中的“重要里程碑“。”该项目将有助于减少排放,促进新技术发展和提供更多的就业机会”。


努力除碳不仅受到各国政府的关注,而且日益吸引企业界和投资商的关注及携手共进。

iPhone 制造商苹果最近宣布一项2 亿美元的碳清除基金,其目标是清除大气中的碳并支持造林项目。 恢复基金(Restore Fund)由苹果公司与保护国际基金会(Conservation International)和高盛(Goldman Sachs)共同发起,旨在每年从大气中清除至少 100 万吨二氧化碳,相当于超过20万辆乘用车使用的燃料量,该基金证明了从环境投资中获利的可能性。

该项目的目标是减少大气中的碳排放并盈利。

该项目的目标是减少大气中的碳排放并盈利。

XPRIZE碳去除大赛于4月22日正式启动,奖金总额达 1亿美元,由特斯拉CEO埃隆·马斯克先生和马斯克基金会(Musk Foundation)资助。

这项全球大赛为期四年,旨在通过征集全球创新者开发的解决方案,以实现直接从大气或海洋中提取二氧化碳,并能够持久封存,最终实现负碳目标。要想在大赛中胜出,参赛团队必须拿出严谨而有效的解决方案比例模型,除碳量至少达1000吨二氧化碳/年,并且必须向评审小组证明,其解决方案能够实现经济规模,达到十亿吨级别。

参与的团队可以开发和介绍基于自然或技术的方法,只要他们展示了实现负碳目标、长期二氧化碳封存的能力,并提供以低成本去除十亿吨二氧化碳的可持续路线图。

恢复自然栖息地将有助于减缓气候变化。(图:联合国)

农地管理是另一种正在测试风险较低的自然碳去除方法。 (图:世界资源研究所)

恢复自然栖息地将有助于减缓气候变化。(图:联合国)

农地管理是另一种正在测试风险较低的自然碳去除方法。 (图:世界资源研究所)

世界资源研究所 (WRI) 的分析表明,建设二氧化碳去除能力的最具成本效益和风险最低的战略包括开发和并行开展多种氧化碳去除方法。

每种二氧化碳去除方法都有许多承诺和挑战,但二氧化碳的捕获和储存必须成为全球气候变化战略的一部分,以防止全球变暖达到危险水平。

现在是开始投资一系列碳去除方法的时候并为使它们成为未来几十年所需的大规模可行选择提供便利条件。
世界资源研究所强调

从大气中去除二氧化碳的重要性是无可争议的。 然而,据瑞士能源系统分析实验室的科学家克里斯蒂安·鲍尔(Christian Bauer)称,二氧化碳捕集技术只是整体脱碳战略(即减少二氧化碳排放)的补充,不能取代它。牛津大学的卡梅伦·赫本教授也肯定这一观点,强调尽快减少化石燃料燃烧的排放仍是解决全球变暖问题的关键因素。

清除二氧化碳从来都不是减少排放的替代品。
牛津大学卡梅伦•赫本教授

出版日:2021年10月31日
总策划:长山
项目主管: 红云
内容:文钻、潘英
编译:慧明、胡君、杜有兴、耀玉、玄眉
信息资料来源:Vox、德国之声、The Conversation、路透社、卫报、世界资源研究所、Energy.gov