碳捕捉

劉強(qiáng)

今年全國兩會后，“碳中和”成為被頻頻提及的熱詞。碳中和，是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個(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，通過植樹造林、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“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。那么，排出去的二氧化碳，怎么能捕捉回來呢？

全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡

2013年，人類在夏威夷島上的環(huán)境監(jiān)測站測得大氣二氧化碳濃度超過了400ppm（百萬分之一，濃度單位）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。

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際社會迫在眉睫的問題。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)?！疤贾泻汀钡母拍顟?yīng)運(yùn)而生。

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)成千上萬年完成轉(zhuǎn)化的富碳資源，在過去不到100年的時(shí)間，被人類挖出、提煉、轉(zhuǎn)化、焚燒……驅(qū)動人類文明走向物資繁盛，也成為二氧化碳的主要來源。

你可能很難想象，我們手里不到200克的手機(jī)，其生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大約100千克的二氧化碳排放;汽車發(fā)動機(jī)每燃燒1升燃料，會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳;生產(chǎn)1千克牛肉，會產(chǎn)生將近300千克的碳排放。

面對這一困境，各國在2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過《巴黎協(xié)定》。《巴黎協(xié)定》約定，各國的長期目標(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℃以內(nèi)，并盡力將其限制在1.5℃以內(nèi)。

以其目標(biāo)上限2℃計(jì)算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是人類第一次清晰界定了環(huán)境承受的極限邊界。

經(jīng)過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀(jì)工業(yè)革命以來，全世界累計(jì)排放已超過6000億噸，超過該預(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℃導(dǎo)致的海平面上升，還將宣告人類對于氣候變化調(diào)控的徹底失敗。伴隨兩極冰川融化，后續(xù)升溫速度會愈加迅速，最終釀成一場攸關(guān)人類存亡的巨大災(zāi)難。

除了種樹固碳還要用高科技干預(yù)

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，減少人類活動產(chǎn)生的二氧化碳;二是增加去路，即盡最大可能提高環(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“固碳倉庫”。

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。通過工程干預(yù)進(jìn)行碳捕捉，這一思路便應(yīng)運(yùn)而生。

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

碳捕捉與儲存把二氧化碳封存在地下

碳捕捉與儲存，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，儲存起來使其不進(jìn)入大氣。該過程通過燃燒后技術(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，再通過管道將其注入一定深度的地下巖層中封存起來。

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于地殼之中。一些科學(xué)家擔(dān)心，頻繁的地殼活動，終有一天會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二氧化碳也能做燃料

這是將二氧化碳捕捉之后，再次用來獲取能量的一項(xiàng)技術(shù)路徑。簡單說，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，甚至被用來滅火，“二氧化碳燃料”這個(gè)名詞組合，難免讓人感覺有些怪異。但科學(xué)家真的讓這種奇思妙想變成了現(xiàn)實(shí)。碳捕捉后進(jìn)行能量開發(fā)，最先人們考慮的是，采用太陽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)，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有點(diǎn)得不償失。

直到熱機(jī)工作原理的新認(rèn)識出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)才開始突飛猛進(jìn)。以往熱機(jī)工作都是通過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅(qū)動熱機(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，恢復(fù)到正常溫度，也會產(chǎn)生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅(qū)動熱機(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，又會變成液體流動，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，完全可以推動氣動機(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，人類對驅(qū)動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，從而保持一種人類活動與大氣狀態(tài)之間的奇妙平衡。

碳捕捉與資源化利用代替石油做化工原料

這是另一個(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，就是都源自地球上的動植物數(shù)億年前收集的二氧化碳。理論上，以今天人類對物質(zhì)的認(rèn)識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用于制備當(dāng)前從石油中衍生得到的化學(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。

碳捕捉技術(shù)，不僅正視了這個(gè)問題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以重視。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。

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。科學(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“冷靜地球”的賽跑

焚燒，可以說是人類延續(xù)最久的“超級技能”。幾千年來，焚燒的介質(zhì)從木頭、油蠟、煤炭，一直到今天門類齊全的石化天然氣，文明的火把相傳至今。過去千百年，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，人類對二氧化碳排放“大戶”——化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等進(jìn)行環(huán)境評價(jià)的時(shí)候，仍然主要關(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，卻似乎無能為力。

而碳捕捉技術(shù)，不僅正視了這個(gè)問題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以重視。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。

◎ 來源|北京日報(bào)