作者 | 劉強(qiáng) 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院

地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災(zāi)、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國(guó)際社會(huì)迫在眉睫的問(wèn)題。二氧化碳作為最主要的溫室氣體，被認(rèn)為是遏制氣候變暖的突破點(diǎn)。“碳中和”的概念應(yīng)運(yùn)而生。

碳中和是指國(guó)家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動(dòng)或個(gè)人，在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過(guò)植樹(shù)造林、節(jié)能減排等形式，自己抵消自己產(chǎn)生的排放量，實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消，達(dá)到相對(duì)“零排放”。

在眾多碳中和技術(shù)路徑中，有一個(gè)治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景，而格外引人注意，那便是碳捕捉。

排出去的二氧化碳，有可能捕捉回來(lái)嗎？科技巨頭們已經(jīng)開(kāi)始了行動(dòng)。

2021年1月21日，特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克宣布將捐贈(zèng)1億美元，用以獎(jiǎng)勵(lì)最佳碳捕捉技術(shù)。“碳捕捉”概念一時(shí)風(fēng)頭無(wú)兩。究竟是什么技術(shù)，讓頂級(jí)科技巨頭如此豪擲千金？這個(gè)以美金計(jì)價(jià)的小目標(biāo)，離我們普通人又有多遠(yuǎn)呢？

 

碳從何來(lái)，余額夠嗎？

要捕捉二氧化碳，找到其來(lái)源是第一步。

2013年，人類在夏威夷島上的環(huán)境監(jiān)測(cè)站測(cè)得大氣二氧化碳濃度超過(guò)了400ppm（濃度單位，百萬(wàn)分之一）的警戒線。二氧化碳濃度的持續(xù)上升成了科學(xué)家心頭揮之不去的陰霾。

過(guò)去幾年，這個(gè)兇手造成一系列災(zāi)難。2020年夏天南方洪災(zāi)、今年春天德克薩斯州極寒天氣等，都在不斷沖擊現(xiàn)代文明的承受底線。

眾所周知，以石油，煤炭和天然氣為代表的化石能源，是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，它們都是由古代生物的遺骸經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化形成。這些深藏地殼深處，花費(fèi)成千上萬(wàn)年完成轉(zhuǎn)化的富碳資源，在過(guò)去不到一百年的時(shí)間，被人類挖出，提煉，轉(zhuǎn)化，焚燒……驅(qū)動(dòng)人類文明走向物資繁盛，也成為二氧化碳的主要來(lái)源。

你可能很難想象，我們手里不到200克的手機(jī)，生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大約100千克的二氧化碳排放；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)每燃燒1升燃料，會(huì)向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳；生產(chǎn)一公斤牛肉，會(huì)產(chǎn)生將近300千克的碳排放；甚至每人每天通過(guò)呼吸，也會(huì)釋放大約1140克的二氧化碳。

這就是我們?nèi)粘Ｉ畹奶甲阚E。排放二氧化碳就如同呼吸一樣，無(wú)處不在。但是，這些讓我們生活更美好的化工技術(shù)，卻給我們的下一代帶來(lái)無(wú)盡隱患。

面對(duì)這一困境，各國(guó)在2015年12月12日的巴黎氣候變化大會(huì)上通過(guò)《巴黎協(xié)定》?！秴f(xié)定》約定，各國(guó)的長(zhǎng)期目標(biāo)，是將全球平均氣溫，較前工業(yè)化時(shí)期，上升幅度控制在2攝氏度以內(nèi)，并盡力將其限制在1.5攝氏度以內(nèi)。

以其目標(biāo)上限2攝氏度計(jì)算，全球碳排放允許的總量為1萬(wàn)億噸。這是第一次，人類清晰界定了環(huán)境承受的極限邊界。

經(jīng)過(guò)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（ICPP）測(cè)算，自19世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，全世界累積排放已超過(guò)6000億噸，超過(guò)該預(yù)算總額的60%。根據(jù)當(dāng)前的排放速度估算，若不采取強(qiáng)力干涉措施，全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡。

碳預(yù)算超支的前景，不單指向全球升溫2攝氏度導(dǎo)致的海平面上升，還將宣告人類對(duì)于氣候變化調(diào)控的徹底失敗。伴隨兩極冰川融化，后續(xù)升溫速度會(huì)愈加迅速，最終釀成一場(chǎng)攸關(guān)人類存亡的巨大災(zāi)難。

 

如不加控制，全球碳排放余額將在2045年耗盡。｜圖蟲(chóng)創(chuàng)意

對(duì)著天空撒網(wǎng)？我們是認(rèn)真的

面對(duì)窮追不舍的二氧化碳排放危機(jī)，各行各業(yè)都在積極應(yīng)對(duì)，科學(xué)界更是首當(dāng)其沖。

從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個(gè)努力方向：

一是減少輸入，即在最短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變我們的能源獲取方式，不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳；

二是增加去路，即盡最大可能增加環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大氣中的二氧化碳濃度。

第一條路徑，目前可謂困難重重。因?yàn)槟茉词峭苿?dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如果立刻切斷富碳燃料作為能量供應(yīng)源，會(huì)給所在國(guó)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大沖擊。尤其是許多國(guó)家尚未完成最基礎(chǔ)的工業(yè)化建設(shè)，貿(mào)然轉(zhuǎn)換能源供應(yīng)格局，會(huì)直接給百姓生計(jì)乃至國(guó)家命運(yùn)帶來(lái)巨大傷害，這在道義上，現(xiàn)實(shí)操作上都不允許。

以中國(guó)為例，即使四十年的改革開(kāi)放給我國(guó)帶來(lái)了巨大的財(cái)富積累，以及令人吃驚的基建速度，我們能夠以一種稍微激進(jìn)的方式轉(zhuǎn)向水能、核能、風(fēng)能和太陽(yáng)能等清潔能源，這些能源也確實(shí)在迅速提高占比。然而即便在2020年，我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭仍占據(jù)約60%的份額。

因此，第二條路徑——提高環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力——成為技術(shù)研發(fā)的焦點(diǎn)。

花草樹(shù)木，不單單是美麗的人間風(fēng)景，也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用，仿佛是它們給予地球的美妙祝福：吸收二氧化碳和水，合成構(gòu)建植物軀干的有機(jī)物質(zhì)，并釋放氧氣。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，就是陸地上最大的“固碳倉(cāng)庫(kù)”。

然而，植物雖然能固碳，但時(shí)效性慢，難以在短時(shí)間內(nèi)遏制強(qiáng)勁的二氧化碳增加趨勢(shì)。人類自己闖下的禍終究還是要人類自己解決，工程干預(yù)進(jìn)行碳捕捉，便是這一理念下的產(chǎn)物。

 

 

人類群體中最智慧的大腦，對(duì)此給出了許多拍案叫絕的方案。

當(dāng)前碳捕捉技術(shù)的核心目的，是將人類活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳收集起來(lái)，加以儲(chǔ)存甚至利用，免其排放到大氣中。主要技術(shù)方向有三個(gè)，分別是：碳捕捉與儲(chǔ)存、碳捕捉與能源化利用、碳捕捉與資源化利用。

碳捕捉與儲(chǔ)存，即從人類工業(yè)生產(chǎn)、或單純的化石燃料燃燒的尾氣中，分離出二氧化碳，儲(chǔ)存起來(lái)使其不進(jìn)入大氣。該過(guò)程通過(guò)燃燒后技術(shù)，或采用低碳的燃燒前技術(shù)，直接從煙道氣流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后，再通過(guò)管道，將其注入一定深度的地下巖層中封存起來(lái)。

通常的封存地點(diǎn)是廢棄油田、氣田等。雖然有研究表明，采用高壓注水等途徑，可以加速使二氧化碳以碳酸鹽的形式和地殼巖塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定儲(chǔ)存。但這些碳，終究只是以“打盹”的形式，維持著微妙的平衡存在地殼之中。一些科學(xué)家擔(dān)心，頻繁的地殼活動(dòng)，終有一天會(huì)將這些氣體送回地面，其技術(shù)安全性還有待加強(qiáng)。

碳捕捉與能源化利用，則是將二氧化碳捕捉之后，再次用來(lái)獲取能量的一項(xiàng)技術(shù)路徑。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是把二氧化碳變成燃料。二氧化碳一直是燃料燃燒后的尾氣成分，甚至被用來(lái)滅火，“二氧化碳燃料”這個(gè)名詞組合，都讓人有些怪異的別扭。但科學(xué)家的腦洞永遠(yuǎn)是開(kāi)區(qū)間的。碳捕捉后進(jìn)行能量開(kāi)發(fā)，最先人們考慮的是，采用太陽(yáng)能，模擬植物光合作用，將二氧化碳固定成燃料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即便實(shí)現(xiàn)了這個(gè)反應(yīng)，也只能算是對(duì)高品位能源的儲(chǔ)能再釋放，有點(diǎn)得不償失。

直到熱機(jī)工作原理的新認(rèn)識(shí)出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)才開(kāi)始突飛猛進(jìn)。以往熱機(jī)工作都是通過(guò)燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。容易想到，加熱不是熱機(jī)工作的目的，而只是手段。如果我們的燃料原本就是極低溫的，回復(fù)到正常溫度，也會(huì)產(chǎn)生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

二氧化碳恰是這樣一種神奇物質(zhì)。常壓下，它以零下78.5℃超低溫、固態(tài)干冰的形式存在；到了約10個(gè)大氣壓的環(huán)境中，又會(huì)變成液體流動(dòng)，便于輸送。如果用干冰作為工作介質(zhì)，就可以吸收環(huán)境中的熱量，從而受熱氣化。如果這一過(guò)程被限制在一個(gè)封閉容器中，就可以得到數(shù)十個(gè)大氣壓的常溫二氧化碳?xì)怏w。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械做功。

 

根據(jù)這一理念，低溫?zé)釞C(jī)迅速誕生。這幾乎是蒸汽機(jī)革命之后，人類對(duì)驅(qū)動(dòng)能源做的最有意思的一次嘗試。碳捕捉完成后形成的干冰物質(zhì)，作為驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料，氣化后釋放到空氣中，之后再次被捕捉回來(lái)，從而保持一種人類活動(dòng)與大氣狀態(tài)之間的奇妙平衡。

碳捕捉與資源化利用，則是另一個(gè)絕妙的固碳方案，即，把二氧化碳作為工業(yè)生產(chǎn)的原料使用。我們當(dāng)前絕大多數(shù)的人造材料、合成制品，都是石油化工的產(chǎn)物，換句話說(shuō)，都源自地球上的動(dòng)植物數(shù)億年前收集的二氧化碳。理論上，以今天人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用于制備當(dāng)前從石油衍生得到的化學(xué)品和材料。其關(guān)鍵在于，在這天馬行空的改造中，怎樣有效控制成本。

二氧化碳是一種極其穩(wěn)定的分子，作為原料參與化工合成，需要吸收大量能量。這也意味著其轉(zhuǎn)化成本非常高昂?？茖W(xué)家們必須先找到一條低耗能的轉(zhuǎn)化路徑。事實(shí)上，截至當(dāng)前，基于二氧化碳的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，已經(jīng)衍生出諸如建筑材料、化學(xué)品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。對(duì)于其資源化利用的明天，我們盡可拭目以待。

 

負(fù)碳而行，一場(chǎng)“冷靜地球”的賽跑

2015年，政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（ICPP）發(fā)布了一份《1.5攝氏度特別報(bào)告書(shū)》，清晰描繪了地球升溫1.5攝氏度后的場(chǎng)景：全球氣候?qū)⒉豢赡娴丶铀偕郎?，一個(gè)越來(lái)越熱的地球?qū)⑹侨祟惖呢瑝?mèng)。

讓地球“冷靜”下來(lái)，已經(jīng)無(wú)需多言。

二氧化碳作為公認(rèn)的元兇，已是過(guò)街老鼠?？墒?，人類過(guò)去以焚燒作為動(dòng)力的生產(chǎn)模式，究竟有何問(wèn)題？

焚燒，可以說(shuō)是人類延續(xù)最久的“超級(jí)技能”。幾千年來(lái)，焚燒的介質(zhì)從木頭，油蠟，煤炭，一直到今天門(mén)類齊全的石化天然氣，文明的火把相傳至今。過(guò)去千百年，獲取這份燃燒的熱量，便是焚燒的全部意義。逃逸到大氣中的二氧化碳，似乎是一件極其尋常的事情。

即便是到今天，我們對(duì)二氧化碳排放“大戶”，化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等，進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)的時(shí)候，仍然只會(huì)關(guān)注，其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉塵等特殊化合物，作為排放主要成分的二氧化碳，卻從未被認(rèn)真對(duì)待。

而碳捕捉技術(shù)，不僅正視了這個(gè)問(wèn)題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以注視。以人類文明發(fā)展的眼光看，比起焚燒產(chǎn)生的那點(diǎn)熱量所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，二氧化碳巨大的潛在利用價(jià)值，才是真正的寶藏。

隨著碳捕捉技術(shù)成熟，回收成本漸低，利用捕捉的二氧化碳進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，將變得十分尋常。那些聳立的大煙囪里，涌出的大量二氧化碳，將不僅是對(duì)環(huán)境的危害，也是一種巨大的資源浪費(fèi)。

我們固然會(huì)降低碳排，以應(yīng)對(duì)氣候變暖的公共危機(jī)。就如，各國(guó)政府積極發(fā)聲，先后推出符合本國(guó)國(guó)情的減排乃至碳中和的時(shí)間表；各大企業(yè)巨頭也紛紛響應(yīng)，以寧德時(shí)代為代表的幾大新能源巨頭以驚人的速度崛起；蘋(píng)果、小米等手機(jī)巨頭，計(jì)劃未來(lái)十年內(nèi)，所有業(yè)務(wù)、生產(chǎn)供應(yīng)鏈及產(chǎn)品生命周期將凈碳排放量降至零，并砍掉新產(chǎn)品的充電器，以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和。

 

同時(shí)，我們也對(duì)碳捕捉及其開(kāi)發(fā)利用技術(shù)充滿期待。樹(shù)立正確的低碳觀念，推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，相信我們會(huì)在氣候失控的懸崖前，勒住奔騰的碳排野馬，從根本上解決當(dāng)前的碳排難題。