從空氣中直接吸收二氧化碳“冷卻”地球

想象一下現(xiàn)在是2050年。當(dāng)你來到一片荒漠，穿過陽光炙烤的灌木叢，道路兩旁只有幾個(gè)早已廢棄的抽油泵。然后，你看到一座閃閃發(fā)光的大型建筑從平坦的地面上拔地而起。這里的土地像一面巨大的鏡子，太陽能板陣列如同銀藍(lán)色的波浪，向四面八方伸展。在遠(yuǎn)處，它們環(huán)繞著一堵巨大的灰色墻壁，有五層樓高，長(zhǎng)度接近1公里。在墻的后面，你可以看到如化工廠般蜿蜒曲折的管道和臺(tái)架。

當(dāng)你走近時(shí)，你會(huì)看到這堵墻正在移動(dòng)，并且閃閃發(fā)光;事實(shí)上，它幾乎就是由鋼鐵盒子里呼呼作響的風(fēng)扇組成的，看起來就像一個(gè)巨大的空調(diào)機(jī)組，被放大到不可思議的比例。從某種意義上，也確實(shí)如此。這是一個(gè)“直接空氣捕獲”（direct air capture，簡(jiǎn)稱DAC）工廠，在全世界，有成千上萬個(gè)類似的工廠，它們的工作就是吸收空氣中的二氧化碳，以此“冷卻”地球，這里的工廠致力于捕獲化石燃料的殘留物——空氣中的二氧化碳——并將其泵入被抽空的地下儲(chǔ)庫。

如果我們要在2100年前實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》所制定的將全球變暖幅度控制在1.5℃的目標(biāo)，那么到21世紀(jì)中葉，這樣的景象可能就很有必要。

不過，讓我們暫時(shí)回到2021年。在加拿大不列顛哥倫比亞省的斯闊米什（Squamish），一個(gè)谷倉大小、覆蓋著藍(lán)色油布的設(shè)備，在雪山天際線的映襯下，正在進(jìn)行最后的準(zhǔn)備工作。這是Carbon Engineering公司的直接空氣捕獲工廠，將在9月份投入使用，開始每年從空氣中清除1噸的二氧化碳。這只是一個(gè)開始，在美國(guó)德克薩斯州還有一個(gè)規(guī)模稍大的工廠正在建設(shè)中，不過在目前這個(gè)階段，斯闊米什的工廠是DAC工廠的典型規(guī)模。

“我們面臨著氣候變化問題，而這是由二氧化碳過量造成的，”Carbon Engineering公司首席執(zhí)行官史蒂夫·奧爾德姆說，“有了DAC，你可以在任何地方、任何時(shí)間移除任何排放物。這是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具。”

大多數(shù)碳捕獲側(cè)重于從源頭清潔排放物，即通過煙囪上的洗滌器和過濾器防止有害氣體進(jìn)入大氣。然而，對(duì)于地球上數(shù)以十億計(jì)的汽車而言，這是不切實(shí)際的，因?yàn)檫@些排放源很小且數(shù)量極多。源頭清潔也不能解決空氣中已經(jīng)存在的二氧化碳。于是，直接空氣捕獲便有了用武之地。

如果世界想要避免災(zāi)難性的氣候變化，僅僅轉(zhuǎn)向碳中和社會(huì)是不夠的。政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）警告稱，如果要在2100年時(shí)將全球變暖限制在1.5℃，就需要像DAC這樣“大規(guī)模部署二氧化碳消除措施”的技術(shù)——這里的“大規(guī)模”是指每年數(shù)十億噸。特斯拉和SpaceX的首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克最近承諾，將投資1億美元開發(fā)碳捕捉技術(shù)，而微軟、美國(guó)聯(lián)合航空公司和?？松梨诘裙疽矞?zhǔn)備在該領(lǐng)域進(jìn)行10億美元級(jí)別的投資。

目前的模型顯示，到2050年，人類每年需要移除100億噸二氧化碳;到21世紀(jì)末，這個(gè)數(shù)字需要翻一番，達(dá)到每年200億噸。但現(xiàn)在，我們幾乎沒有移除任何二氧化碳，必須從零開始。

Carbon Engineering公司位于斯闊米什的工廠被設(shè)計(jì)成不同技術(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)。與此同時(shí)，該公司正規(guī)劃在美國(guó)西部的油田中建設(shè)一個(gè)更大的碳捕獲工廠，每年將固定100萬噸二氧化碳。在一個(gè)項(xiàng)目完成后，它就會(huì)成為可以復(fù)制的模型，只需要簡(jiǎn)單地復(fù)制那個(gè)工廠就行了。但未來的項(xiàng)目規(guī)模會(huì)令人難以置信，我們需要從大氣中移除8000億噸二氧化碳，這可不會(huì)在一夜之間發(fā)生。

不切實(shí)際的想法？

“直接空氣捕獲”的科學(xué)原理很簡(jiǎn)單，目前已有若干方法可以做到這一點(diǎn)。Carbon Engineering公司的系統(tǒng)是利用風(fēng)扇，將二氧化碳含量為0.04%的空氣經(jīng)過濾器吸入氫氧化鉀溶液中。氫氧化鉀是一種腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，俗稱苛性鉀，可用于制造肥皂及其他含鉀的化學(xué)物質(zhì)。氫氧化鉀從空氣中吸收二氧化碳后，溶液通過管道輸送到另一個(gè)反應(yīng)室，與氫氧化鈣（建筑用石灰）混合。這些石灰會(huì)吸收溶解的二氧化碳，形成小片的石灰石。將這些石灰石薄片篩掉之后，剩余物質(zhì)被輸送至第三個(gè)反應(yīng)室——分解爐——進(jìn)行加熱，直到分解釋放出可被捕獲并儲(chǔ)存的純二氧化碳。在每個(gè)階段，剩余的化學(xué)殘留物都會(huì)在過程中被回收，形成一個(gè)封閉的、不斷重復(fù)的反應(yīng)，不產(chǎn)生任何廢料。

在全球碳排放持續(xù)上升的背景下，如果沒有這樣的干預(yù)措施，想要實(shí)現(xiàn)1.5℃的氣候目標(biāo)將極為困難。阿杰伊·甘比爾是帝國(guó)理工學(xué)院格蘭瑟姆氣候變化研究所的高級(jí)研究員，也是2019年一篇關(guān)于DAC如何緩解氣候的論文作者之一，他說：“如果沒有直接空氣捕獲，就可能發(fā)生各種各樣難以預(yù)料的情況，我們將很難實(shí)現(xiàn)巴黎協(xié)定的目標(biāo)?！?/p>

IPCC確實(shí)提出了一些不依賴于直接空氣捕獲的氣候穩(wěn)定模型，但這些模型對(duì)于能源效率提高和人類行為改變意愿的假設(shè)太不切實(shí)際了。我們已經(jīng)過了需要減排的階段，未來將越來越依賴DAC。

直接空氣捕獲遠(yuǎn)非從大氣中提取碳的唯一方式。我們也可以通過改變土地使用方式來自然除碳，比如恢復(fù)泥炭地，或者種植森林——這也是最普遍的做法。但這些過程都十分緩慢，而且需要大量寶貴的土地。據(jù)估計(jì)，如果新種植森林的面積與美國(guó)相當(dāng)，那么在這一過程中，食品價(jià)格將推高5倍。就樹木而言，它們對(duì)碳的去除效果是有限的，因?yàn)闃淠咀罱K會(huì)死亡并釋放出所儲(chǔ)存的碳，除非可以在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中進(jìn)行砍伐和燃燒。

如果不依靠植物，而是使用諸如DAC這樣的技術(shù)來去除二氧化碳，面臨的挑戰(zhàn)同樣巨大。甘比爾在論文中進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如果要追上目前全球二氧化碳排放——每年360億噸——的步伐，就需要建造3萬個(gè)大規(guī)模的DAC工廠，是今天世界上運(yùn)行的燃煤電廠的3倍還多。每個(gè)DAC工廠的建設(shè)成本將高達(dá)5億美元，總成本可高達(dá)15萬億美元。

每一個(gè)這樣的碳捕獲設(shè)施都需要配備大量的溶劑來吸收二氧化碳。在一座足夠大的DAC工廠中，如果捕獲100億噸二氧化碳，將需要大約400萬噸氫氧化鉀，這相當(dāng)于全世界氫氧化鉀年供應(yīng)量的1.5倍。

當(dāng)數(shù)以千計(jì)的DAC工廠建成之后，其運(yùn)行也需要大量的電力。如果這是一個(gè)每年吸收100億噸二氧化碳的全球性產(chǎn)業(yè)，那么將消耗100艾焦的能量，約占全球總能源的1/6。這些能量中的大部分都用于將分解爐加熱到大約800℃，而這對(duì)單一電源而言要求太高了，因此每個(gè)DAC工廠都需要配備燃?xì)鉅t，以及現(xiàn)成的天然氣來源。

成本問題

從空氣中捕獲1噸二氧化碳的成本估計(jì)值相差很大，從每噸100美元到1000美元不等。多數(shù)估計(jì)數(shù)據(jù)過于悲觀，希望寄托于在相關(guān)的工業(yè)過程廣泛應(yīng)用之后能降低成本。

一個(gè)更大的問題是尋找投資。從商業(yè)角度來說，拯救世界其實(shí)是一件很難推銷的事情，這似乎很令人難以置信。不過，直接空氣捕獲確實(shí)帶來了一項(xiàng)有價(jià)值的商品：數(shù)千噸壓縮二氧化碳。這些二氧化碳可與氫結(jié)合，制造合成碳中性燃料，可以出售或在分解反應(yīng)室的燃?xì)鉅t中燃燒（在那里排放的氣體將被捕獲并再次循環(huán)）。

令人意想不到的是，壓縮二氧化碳的最大客戶之一竟然是化石燃料行業(yè)。當(dāng)油井枯竭時(shí)，可用氣體注入或化學(xué)品注入的方式，將剩余的石油從地下擠壓出來，這一過程被稱為“強(qiáng)化采油技術(shù)”。二氧化碳是一個(gè)很受歡迎的選項(xiàng)，并且還有一個(gè)額外的好處，那就是可以將碳鎖在地下，完成碳捕獲和儲(chǔ)存的最后一步。西方石油公司（Occidental Petroleum）已經(jīng)與Carbon Engineering公司合作，準(zhǔn)備在德克薩斯州建設(shè)一個(gè)全尺寸的DAC工廠，每年為強(qiáng)化采油提供約5000萬噸二氧化碳。每一噸用于該技術(shù)的二氧化碳都可以抵免225美元的稅收優(yōu)惠。

將空氣中的二氧化碳最終儲(chǔ)存于油田的地下，或許再合適不過，但諷刺的是，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，唯一的融資方式竟是獲取更多的石油。西方石油公司和其他一些公司希望，通過將二氧化碳泵入地下的方式，大幅減少石油對(duì)碳排放的影響;這是典型的強(qiáng)化回收作業(yè)，在儲(chǔ)存1噸二氧化碳的同時(shí)，新采掘的石油又釋放了1.5噸二氧化碳。因此，盡管這個(gè)過程減少了與石油相關(guān)的碳排放，但并不能真正地實(shí)現(xiàn)收支平衡。

壓縮二氧化碳還有一些其他的用途，可能會(huì)使其更具有商業(yè)可行性。另一家從事直接空氣捕獲的公司Climeworks目前運(yùn)行著14個(gè)規(guī)模較小的裝置，每年儲(chǔ)存900噸二氧化碳，賣給溫室以促進(jìn)蔬菜的生長(zhǎng)。目前，該公司正在研究一個(gè)長(zhǎng)期的解決方案：在冰島建設(shè)一座能將捕獲的二氧化碳與水混合的工廠，并將混合物泵入地下500～600米深處，使二氧化碳?xì)怏w與周圍的玄武巖發(fā)生反應(yīng)，最終成為石頭的一部分。為了籌集資金，該公司向各大企業(yè)和民眾提供購買碳補(bǔ)償?shù)哪芰?，起價(jià)僅為每月7歐元。這能否說服世界其他國(guó)家購買呢？

“DAC總是要花錢的，除非有人付錢給你，否則就沒有經(jīng)濟(jì)激勵(lì)?！笨死锼埂す诺罓栐跁袑懙?，“Climeworks公司可以向善良的人出售信用，與微軟和Stripe公司簽訂合同，每年從大氣中提取幾百噸（二氧化碳），但這需要擴(kuò)大到100萬倍的規(guī)模，這需要有人為此買單?！?/p>

電動(dòng)汽車獲得了大量補(bǔ)貼，太陽能發(fā)電場(chǎng)也得到了低廉的融資，但你看不到DAC得到這樣的待遇，人們對(duì)減排的關(guān)注度如此之高，但對(duì)其他問題的關(guān)注卻沒有達(dá)到同樣程度，比如大氣中二氧化碳的含量。DAC面臨的最大障礙是，制定政策時(shí)并沒有將其考慮在內(nèi)。

DAC將走上與其他氣候技術(shù)類似的道路，并變得更加廉價(jià)。研究者正在完善成本曲線，展示了技術(shù)會(huì)如何快速地降低成本。在風(fēng)能和太陽能方面，也克服了類似的障礙。最重要的是盡可能多地部署這些設(shè)施。政府對(duì)該技術(shù)商業(yè)化的支持是很重要的，因?yàn)樗堑谝粋€(gè)客戶，也是一個(gè)非常有錢的客戶。

也有研究者主張征收全球碳稅，如果不購買碳補(bǔ)償?shù)脑?，碳稅?huì)使排放碳的成本變得更高。但這在政治上仍是一個(gè)難以被人接受的選項(xiàng)。沒有人愿意支付更高的稅收，特別是許多人認(rèn)為高能量生活方式的外部效應(yīng)——不斷增加的野火、干旱、洪水和海平面上升——都是別人的負(fù)擔(dān)。

我們還需要在社會(huì)上就這些技術(shù)的成本進(jìn)行更廣泛的討論。氣候變化以及自然災(zāi)害的發(fā)生或加劇都會(huì)使人類付出巨大的代價(jià)。我們也許需要摒棄DAC應(yīng)該廉價(jià)的想法。

風(fēng)險(xiǎn)和回報(bào)

即使有關(guān)方面同意建造3萬個(gè)工業(yè)規(guī)模的DAC工廠，并找到運(yùn)營(yíng)這些工廠所需的化學(xué)材料，以及支付所有費(fèi)用的資金，人類也不一定會(huì)脫離困境。事實(shí)上，由于所謂的“緩解威懾”（mitigation deterrence）現(xiàn)象，我們最終可能會(huì)比以前更糟糕。

如果你認(rèn)為DAC將在中長(zhǎng)期的未來出現(xiàn)，那么在短時(shí)期內(nèi)，過量的排放就不會(huì)有所減少，如果DAC工廠的規(guī)模無法擴(kuò)大，比如很難生產(chǎn)足夠的吸附劑，或者吸附劑很快就會(huì)降解;這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)變得更加棘手，成本比預(yù)期的更加高昂，那么在某種意義上，如果短期內(nèi)沒有采取有效措施的話，地球的溫度就注定會(huì)上升得更快。

DAC的批評(píng)者指出，該技術(shù)的吸引力很大程度上在于一種只存在于假想中的承諾，允許我們繼續(xù)過著富碳的生活。但對(duì)于一些難以減碳的行業(yè)（比如航空業(yè)），通過補(bǔ)償來為DAC提供資金可能是最可行的選擇。如果從空氣中移除碳比停止飛行代價(jià)更低、更容易做到的話，DAC或許就能在碳排放控制中真正發(fā)揮作用。

但這并不是一種非此即彼的情況，我們需要在近期迅速減少排放，但與此同時(shí)，也要堅(jiān)決發(fā)展DAC，以確定其能否在未來為我們服務(wù)，DAC是平衡碳預(yù)算的關(guān)鍵工具，我們今天還無法移除的碳，可以在未來再進(jìn)行移除。

尋求擴(kuò)大DAC規(guī)模的同時(shí)，最重要的根本因素是證明大規(guī)模DAC是“可行的，也是負(fù)擔(dān)得起并可用的”。如果Carbon Engineering公司最終取得成功，地球氣候的未來可能就將看到希望。