捕集1萬億噸二氧化碳

為了阻止全球升溫幅度超過1.5℃，世界各國需要在2100年之前從大氣中清除1500億～10000億噸二氧化碳，這是一項極其艱巨的任務。

理查德·康尼夫 （Richard Conniff）

不久前，人們認為只需減少溫室氣體排放，就能避免由全球氣候變暖引發(fā)的災難。如今看來，即使到2050年將全球年凈排放量削減為零也遠遠不夠。

德國墨卡托全球公共事務與氣候變化研究所的揚·C·明克斯（Jan C. Minx）在2018年開展的一項研究表明，為了實現(xiàn)改善氣候的目標，實現(xiàn)大規(guī)模的二氧化碳負排放已經(jīng)成為一項“生物物理”需求。早在2016年，為應對氣候變化，全球幾乎每個國家在簽署的《巴黎協(xié)議》（Paris Agreement）中都同意，將氣溫的升高幅度限制在1.5℃的范圍以內(nèi)（比極限值升高2℃的要求更嚴格一些）。明克斯和合作者在《環(huán)境研究快報》（Environmental Research Letters）上警告說，找出如何實現(xiàn)上述目標的方法，已經(jīng)成為了一項迫在眉睫的任務。大多數(shù)科學家認為，只有將氣溫上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)，才能維持我們熟悉的生活方式。如今全球平均氣溫已比工業(yè)化之前高出約1℃。而且，（最近數(shù)十年內(nèi)）氣溫每十年會升高0.2℃。在2018年10月的一份特別報告中，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）警告說，如果要實現(xiàn)上述目標，我們只有12年的時間來采取行動。

要將氣溫的升幅保持在1.5℃以下，需要制定具體的“碳預算”（carbon budget）。只有當我們向大氣中排放的二氧化碳總量低于此預算值時，氣溫才不會突破極限值。明克斯和合作者表示，目前，全球每年二氧化碳排放量為400億～500億噸，如果繼續(xù)以該趨勢發(fā)展，5年后大氣中的二氧化碳總量就足以使氣溫升幅突破1.5℃大關。因此，每當人類向大氣中排放一噸二氧化碳時，就必須從大氣中清除一噸二氧化碳。明克斯的研究團隊估計，全球各國需要在2100年之前從大氣中清除1500億～10000億噸二氧化碳，即每年大約清除20億～160億噸。如果這項措施從2050年開始，則在本世紀末每年需要清除的二氧化碳量將陡增。

明克斯和他的團隊指出，為了達到這個目標，我們必須在11年之后，也就是從2030年開始，每年修建數(shù)百座二氧化碳捕集裝置，包括從大氣中捕集二氧化碳的大型機械設備，或者修建利用木材發(fā)電的生物能源發(fā)電廠。這些生物能源發(fā)電廠使用輪流種植的樹木作為燃料，通過設備捕集排放出的二氧化碳，并將其注入地層深處進行永久封存。其他簡單的技術手段包括恢復被砍伐的森林、擴大已有森林的覆蓋范圍、改善農(nóng)田和牧場土壤質(zhì)量來增加二氧化碳的吸收量，以及將特定巖石粉碎后固定二氧化碳。

但是，大多數(shù)高科技碳捕集技術的研發(fā)目前仍處于起步階段，需要龐大的資金投入，同時伴隨著巨大的失敗風險和顯著的副作用，比如需要占用種植糧食的農(nóng)田、野生動物生存的棲息地等。

如今，開展大規(guī)模的碳捕集似乎是我們唯一的出路。2017年，美國華盛頓大學的數(shù)據(jù)學家安德里安·E·拉夫特利（Adrian E. Raftery）與合作者在《自然·氣候變化》（Nature Climate Change）上撰文稱，他們發(fā)現(xiàn)如果不采用碳捕集技術，按照目前（碳排放）的趨勢，到本世紀末全球氣溫將上升3.2℃，升溫幅度為2.0~4.9℃。隨后在發(fā)表于《美國科學院院刊》（PNAS）上的一項研究中，美國得州農(nóng)工大學（Texas A&M）的氣候科學家Yangyang Xu與一位同事把超過3℃的氣候變暖稱為“災難性的”，而超過5℃的氣候變暖將會“對大多數(shù)人的生存構成威脅”。

讓我們假設人類在本世紀內(nèi)必須完成共10000億噸的二氧化碳負排放量，那么在2050-2100年期間，平均每年的負排放量應為200億噸。接下來，我們要考慮的問題是，每一種捕集二氧化碳的方法能捕集多少二氧化碳？成本是多少？由于各種方法在某些資源（如土地）的使用上存在競爭關系，什么樣的組合策略是最優(yōu)選擇？我們能否說服各國政府，在大幅削減二氧化碳排放量的同時，還要完成負排放的目標？

從空氣中捕集二氧化碳

在冰島，雷克雅未克市（Reykjavik，Iceland）郊外的丘陵地帶，有一處由卵石和苔蘚構成的堅硬熔巖區(qū)。在那里，有一臺大小相當于單車位車庫的機器，通過化學過濾器將空氣中的二氧化碳提取出來。這臺機器利用周圍一家地熱發(fā)電廠的余熱作為動力，將提取出的二氧化碳泵入七百多米深的地層中，使其與玄武巖發(fā)生反應，變成固體礦物。據(jù)瑞士新創(chuàng)公司Climeworks稱，這是全球首個直接從空氣中捕集二氧化碳并進行儲存的設備，每年可封存50噸二氧化碳。

直接從空氣中捕集并儲存二氧化碳可能是實現(xiàn)負排放最直接的途徑：利用大量的風扇從空中捕捉二氧化碳并將其埋存。根據(jù)科學家推測，到本世紀末時，這項技術每年可清除100億至150億噸二氧化碳；也有一些專家認為可能達到350億或400億噸。面對如此誘人的前景，許多氣候科學家擔心這可能會引發(fā)道德風險：人們可能寄希望于在未來通過技術拯救溫室效應，從而罔顧當前的化石燃料減排計劃。

更理智的結論來源于更透徹、詳細的論證。2018年，發(fā)表在《環(huán)境研究快報》上的另一項研究中，墨卡托全球公共事務與氣候變化研究所的薩賓·福斯（Sabine Fuss）和同事們圍繞成本、副作用、環(huán)境可持續(xù)性和其他因素，對七種主要的碳捕集技術的潛力進行了預估。福斯和合作者認為，到2050年，空氣直接捕集技術每年清除二氧化碳的潛力只有5億~50億噸——到本世紀末的清除總量僅為250億~2500億噸，且每噸二氧化碳的清除成本高達100~300美元。要知道，目前每輛汽車每年通常就會排放4.6噸二氧化碳。

世界資源研究所（World Resources Institute）糧食、森林與水項目部的詹姆斯·S·馬利根（James S. Mulligan）坦言，“從空氣中捕集二氧化碳的策略的確不是‘靈丹妙藥。它不是萬全之策，而是權宜之計，但我們需要它?！币恍┭芯咳藛T聲稱，可以將捕集成本控制在每噸100美元以下。如果碳捕集技術的成本下降速度與太陽能電池一樣——早在20世紀50年代，太陽能設備就開始給衛(wèi)星供電，但在時隔六十多年之后的今天，太陽能才實現(xiàn)真正的商業(yè)化普及，那在明克斯看來，“這可能就來不及了。”

此外，直接從空氣中捕集二氧化碳還會消耗大量能源。美國伍斯特理工學院（WPI）化學工程系的詹妮弗·科克斯（Jennifer Wilcox）表示，“每年捕集100萬噸二氧化碳，就需要一座300~500兆瓦規(guī)模的發(fā)電廠來供電?！比绻捎萌济弘姀S供電，那它所產(chǎn)生的二氧化碳排放量將超過捕集量。而如果電力來自太陽能或風力發(fā)電場，將占用約5200~7700平方千米用于農(nóng)業(yè)或自然保護的土地。而與每年200億噸的目標相比，100萬噸的碳捕集量幾乎不值一提。

從現(xiàn)在開始建造這樣的工廠，或許可以積累經(jīng)驗和知識，對于在本世紀內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；透咝У奶疾都S至關重要。但是，“現(xiàn)在就想建造出每年可從空氣中直接捕集2000萬噸二氧化碳的捕集系統(tǒng)，基本上是在浪費錢?！泵绹鴦趥愃埂だＤ枃覍嶒炇夷茉错椖坎康氖紫茖W家羅杰·安尼斯（Roger Aines）這樣說道，“而且，這會消耗大量的太陽能和風能，如果你有那么多的太陽能和風能，最好的辦法是將其接入電網(wǎng)，然后關閉一座燃煤電廠?！蹦壳?，減少碳排放仍然是最佳選擇。

資金難題

根據(jù)福斯在研究中提供的各種碳捕集技術的潛力，我們在2100年前最少可捕集1500億，最多10000億噸以上的二氧化碳。從樂觀的估計來看，問題似乎解決了。不幸的是，各種技術之間存在競爭與沖突，我們不能簡單地將它們可能捕集的二氧化碳數(shù)量加起來。福斯指出，我們需要做的是對各種技術進行優(yōu)化組合，合理利用有利的競爭關系。例如，在實施風化增強技術的土地上，還可同時種植燃料植物，為BECCS技術提供支持。

一些科學家認為，所有這些技術還需要在研發(fā)上進行大規(guī)模投資。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的安尼斯坦言：“這將是一場漫長而艱難的戰(zhàn)斗。”但由于過去的一些類似投資慘遭失敗，而且害怕變成“挑選贏家”（picking winner），各國政府一直不愿意為負排放技術埋單。例如，美國能源部在 “清潔煤”發(fā)電的碳捕集項目上投入了巨額資金，但幾乎未見成效。美國南方公司（Southern Company）在耗費75億美元后，于2017年放棄了在密西西比州肯珀縣修建清潔煤電廠的新一輪嘗試，改建了天然氣電廠。

既然碳排放相當于向大氣中傾倒垃圾，那么可以通過征收二氧化碳排放稅的方式，避免大家陷入“挑選贏家”的窘境。這樣可以創(chuàng)造一種市場促進機制，既督促了現(xiàn)在的減排措施，又可以讓世界各國陸續(xù)對之前的碳排放進行補償。目前，英國已實施一項主要針對化石燃料發(fā)電廠的稅法，以大約25美元每噸碳的價格征收碳排放稅。在2015~2016年間，英國的煤炭排放量削減了一半。然而，大多數(shù)政府都認為這項稅法對于依賴化石燃料的經(jīng)濟體制過于不利，故而對其避而不談。

除少數(shù)情況外，絕大部分企業(yè)也不愿投資二氧化碳捕集技術，因為到目前為止，他們并未看到這項技術的市場前景。對于企業(yè)來說，氣候治理是一項公益事業(yè)，無法從中獲利。不過，情況可能正在發(fā)生變化。2018年初，美國國會批準了一系列出乎意料的稅收激勵方案。一項名為45Q的法案大幅提高了企業(yè)未來12年可以申請的稅收抵免額度。企業(yè)可通過進行二氧化碳的捕獲和封存或者以各種方式使用捕捉后的二氧化碳，從而獲得每噸二氧化碳高達50美元的稅收抵免。

其中，二氧化碳最具爭議的用途是“提高原油采收率”。石油公司將購買的二氧化碳通過管道注入枯竭的油井中，從而把傳統(tǒng)方法無法開采的石油從油井中替換出來。這一解決方案聽上去有點奧威爾式（Orwellian）的諷刺意味，因為這意味著促進了更多的化石燃料的生產(chǎn)。一些環(huán)保人士認為，45Q法案只不過是另一個經(jīng)過偽裝的化石燃料補貼政策，并對其進行了抨擊。不過，在石油開采中使用天然氣或乙醇精煉廠排出的二氧化碳，并將其封存于地下，似乎的確可以減少目前的碳排放量。凈化空氣任務組織（Clean Air Task Force）的庫爾特·瓦爾策（Kurt Waltzer）也是一位環(huán)保主義者，他認為，將二氧化碳捕集從一種排放技術轉(zhuǎn)化為一種能源技術，是實現(xiàn)其商業(yè)化推廣的第一步。而使捕獲的二氧化碳從待處理的廢物變?yōu)橐环N可以買賣的產(chǎn)品，可能是最終實現(xiàn)二氧化碳負排放的關鍵。

必須開始行動了

碳捕集技術、稅收和市場的組合與協(xié)作，能讓我們在2100年完成清除1萬億噸二氧化碳的目標嗎？2018年酷熱的夏季可能是一個轉(zhuǎn)折點。這個夏天，美國西部就像著了火一般。四大洲的人們都遭遇了極端的熱浪侵襲。僅在一周內(nèi)，日本就有數(shù)千名中暑患者被送往醫(yī)院。氣候科學家們放棄了之前謹慎的措辭，在《美國科學院院刊》上警告說，進一步的氣候變暖有可能將地球變成一個“溫室地球……很可能會失控，危及很多人的安全”。德國波茨坦氣候影響研究所名譽退休所長、資深作家漢斯·約阿希姆·舍恩胡貝爾（Hans Joachim Schellnhuber）告訴記者，如果這些情況仍不能引起重視，隨后的連鎖效應可能會導致地球環(huán)境再也無法滿足全球75億人的生存需求，而僅能養(yǎng)活10億人。

盡管大量證據(jù)表明，氣候變化的形勢已經(jīng)非常嚴峻，而且未來將會更加嚴峻。但事到如今，美國仍有一些政府官員認為氣候變化似乎并非事實。而令人不安的是，即使對科學家自己來說，二氧化碳負排放技術中也有很多事情似乎是不確定的。美國弗吉尼亞大學生態(tài)學家斯蒂芬妮·羅伊（Stephanie Roe）在談到土壤固定碳技術時說：“每個人都在討論土壤類型、地理位置、降雨和氣溫情況會如何影響負排放技術的效果?！?/p>

研究人員還在討論，哪一種技術有可能規(guī)?；瑥亩瓿擅磕陻?shù)十億噸的碳捕集量，更別奢望所有技術都能如此了。美國明尼阿波利斯州大平原研究所（Great Plains Institute）的布倫丹·喬丹（Brendan Jordan）表示：“我們可能花了太多的時間來討論這些技術能實現(xiàn)多大規(guī)模的負排放。我擔心這會使我們停滯不前，而這樣帶來的后果我們卻承受不起。”換言之，盡管存在不確定性，我們?nèi)孕枰⒖讨珠_始實施負排放技術。我們正與氣候變化玩著“搶椅子游戲”，當音樂停止時，可能有65億人沒有位子坐下。與這種情況相比，負排放技術的不確定性就顯得微不足道了。

（Scientific American中文版《環(huán)球科學》授權南方周末發(fā)表，林然翻譯，本文有刪節(jié)）