前瞻经济学人 紧跟行业趋势,免遭市场淘汰

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脑洞大开:为减缓气候变暖,科学家开始捕捉二氧化碳

十点科学

作者|刘强  来源|十点科学(ID:Science_10)

为了应对气候变化灾难,科学家将网撒向了天空。他们想出了一系列碳捕捉技术方案。子孙后代有救了?

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排出的二氧化碳,真的可能捉回来吗?|EMILY SCHERER / GETTY IMAGES

作者 | 刘强 浙江大学环境与资源学院

地球温度正在上升,极端天气、森林火灾、冰架垮塌等新闻层出不穷。遏制气候变暖成为国际社会迫在眉睫的问题。二氧化碳作为最主要的温室气体,被认为是遏制气候变暖的突破点。“碳中和”的概念应运而生。

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人,在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,自己抵消自己产生的排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。

在众多碳中和技术路径中,有一个治理思路,因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景,而格外引人注意,那便是碳捕捉。

排出去的二氧化碳,有可能捕捉回来吗?科技巨头们已经开始了行动。

2021年1月21日,特斯拉创始人埃隆·马斯克宣布将捐赠1亿美元,用以奖励最佳碳捕捉技术。“碳捕捉”概念一时风头无两。究竟是什么技术,让顶级科技巨头如此豪掷千金?这个以美金计价的小目标,离我们普通人又有多远呢?

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1亿美元奖励最佳碳捕捉技术,敢不敢来玩儿?| XPRIZE 官网

碳从何来,余额够吗?

要捕捉二氧化碳,找到其来源是第一步。

2013年,人类在夏威夷岛上的环境监测站测得大气二氧化碳浓度超过了400ppm(浓度单位,百万分之一)的警戒线。二氧化碳浓度的持续上升成了科学家心头挥之不去的阴霾。

过去几年,这个凶手造成一系列灾难。2020年夏天南方洪灾、今年春天德克萨斯州极寒天气等,都在不断冲击现代文明的承受底线。

众所周知,以石油,煤炭和天然气为代表的化石能源,是现代工业的基础,它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成。这些深藏地壳深处,花费成千上万年完成转化的富碳资源,在过去不到一百年的时间,被人类挖出,提炼,转化,焚烧……驱动人类文明走向物资繁盛,也成为二氧化碳的主要来源。

你可能很难想象,我们手里不到200克的手机,生产过程会产生大约100千克的二氧化碳排放;汽车发动机每燃烧1升燃料,会向大气层释放约2.5千克的二氧化碳;生产一公斤牛肉,会产生将近300千克的碳排放;甚至每人每天通过呼吸,也会释放大约1140克的二氧化碳。

这就是我们日常生活的碳足迹。排放二氧化碳就如同呼吸一样,无处不在。但是,这些让我们生活更美好的化工技术,却给我们的下一代带来无尽隐患。

面对这一困境,各国在2015年12月12日的巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》。《协定》约定,各国的长期目标,是将全球平均气温,较前工业化时期,上升幅度控制在2摄氏度以内,并尽力将其限制在1.5摄氏度以内。

以其目标上限2摄氏度计算,全球碳排放允许的总量为1万亿吨。这是第一次,人类清晰界定了环境承受的极限边界。

经过政府间气候变化专门委员会(ICPP)测算,自19世纪工业革命以来,全世界累积排放已超过6000亿吨,超过该预算总额的60%。根据当前的排放速度估算,若不采取强力干涉措施,全球碳预算总额将在2045年耗尽。

碳预算超支的前景,不单指向全球升温2摄氏度导致的海平面上升,还将宣告人类对于气候变化调控的彻底失败。伴随两极冰川融化,后续升温速度会愈加迅速,最终酿成一场攸关人类存亡的巨大灾难。

如不加控制,全球碳排放余额将在2045年耗尽。

对着天空撒网?我们是认真的

面对穷追不舍的二氧化碳排放危机,各行各业都在积极应对,科学界更是首当其冲。

从逻辑上讲,减少大气中的二氧化碳有两个努力方向:

一是减少输入,即在最短时间内转变我们的能源获取方式,不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料,减少人类活动产生的二氧化碳;

二是增加去路,即尽最大可能增加环境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大气中的二氧化碳浓度。

第一条路径,目前可谓困难重重。因为能源是推动经济增长的基础,在现有技术条件下,如果立刻切断富碳燃料作为能量供应源,会给所在国经济带来极大冲击。尤其是许多国家尚未完成最基础的工业化建设,贸然转换能源供应格局,会直接给百姓生计乃至国家命运带来巨大伤害,这在道义上,现实操作上都不允许。

以中国为例,即使四十年的改革开放给我国带来了巨大的财富积累,以及令人吃惊的基建速度,我们能够以一种稍微激进的方式转向水能、核能、风能和太阳能等清洁能源,这些能源也确实在迅速提高占比。然而即便在2020年,我国能源消费结构中,煤炭仍占据约60%的份额。

因此,第二条路径——提高环境和人工二氧化碳的固定能力——成为技术研发的焦点。

花草树木,不单单是美丽的人间风景,也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用,仿佛是它们给予地球的美妙祝福:吸收二氧化碳和水,合成构建植物躯干的有机物质,并释放氧气。森林作为陆地生态系统的主体,就是陆地上最大的“固碳仓库”。

然而,植物虽然能固碳,但时效性慢,难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势。人类自己闯下的祸终究还是要人类自己解决,工程干预进行碳捕捉,便是这一理念下的产物。

我们嚷嚷着要征服自然,自然却以自己的方式回以祝福,也给以嘲讽。

人类群体中最智慧的大脑,对此给出了许多拍案叫绝的方案。

当前碳捕捉技术的核心目的,是将人类活动产生的二氧化碳收集起来,加以储存甚至利用,免其排放到大气中。主要技术方向有三个,分别是:碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用。

碳捕捉与储存,即从人类工业生产、或单纯的化石燃料燃烧的尾气中,分离出二氧化碳,储存起来使其不进入大气。该过程通过燃烧后技术,或采用低碳的燃烧前技术,直接从烟道气流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后,再通过管道,将其注入一定深度的地下岩层中封存起来。

通常的封存地点是废弃油田、气田等。虽然有研究表明,采用高压注水等途径,可以加速使二氧化碳以碳酸盐的形式和地壳岩块结合,实现稳定储存。但这些碳,终究只是以“打盹”的形式,维持着微妙的平衡存在地壳之中。一些科学家担心,频繁的地壳活动,终有一天会将这些气体送回地面,其技术安全性还有待加强。

碳捕捉与能源化利用,则是将二氧化碳捕捉之后,再次用来获取能量的一项技术路径。简单说,就是把二氧化碳变成燃料。二氧化碳一直是燃料燃烧后的尾气成分,甚至被用来灭火,“二氧化碳燃料”这个名词组合,都让人有些怪异的别扭。但科学家的脑洞永远是开区间的。碳捕捉后进行能量开发,最先人们考虑的是,采用太阳能,模拟植物光合作用,将二氧化碳固定成燃料。结果发现,即便实现了这个反应,也只能算是对高品位能源的储能再释放,有点得不偿失。

直到热机工作原理的新认识出现,相关技术才开始突飞猛进。以往热机工作都是通过燃料燃烧,加热腔室,获取密闭空间的气体膨胀,从而驱动热机运转。容易想到,加热不是热机工作的目的,而只是手段。如果我们的燃料原本就是极低温的,回复到正常温度,也会产生巨大膨压,即便不燃烧,也能驱动热机运转。

二氧化碳恰是这样一种神奇物质。常压下,它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在;到了约10个大气压的环境中,又会变成液体流动,便于输送。如果用干冰作为工作介质,就可以吸收环境中的热量,从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中,就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上,这种高压、常温气体,完全可以推动气动机械做功。

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蒸汽机(热机的一种)可以通过燃料燃烧,将内能转化为机械能。干冰也可以通过常温气化,将内能转化为机械能。|摄图网

根据这一理念,低温热机迅速诞生。这几乎是蒸汽机革命之后,人类对驱动能源做的最有意思的一次尝试。碳捕捉完成后形成的干冰物质,作为驱动热机运转的燃料,气化后释放到空气中,之后再次被捕捉回来,从而保持一种人类活动与大气状态之间的奇妙平衡。

碳捕捉与资源化利用,则是另一个绝妙的固碳方案,即,把二氧化碳作为工业生产的原料使用。我们当前绝大多数的人造材料、合成制品,都是石油化工的产物,换句话说,都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。理论上,以今天人类对物质的认识和改造水平,完全可以将捕捉到的二氧化碳,用于制备当前从石油衍生得到的化学品和材料。其关键在于,在这天马行空的改造中,怎样有效控制成本。

二氧化碳是一种极其稳定的分子,作为原料参与化工合成,需要吸收大量能量。这也意味着其转化成本非常高昂。科学家们必须先找到一条低耗能的转化路径。事实上,截至当前,基于二氧化碳的产品开发技术,已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支。对于其资源化利用的明天,我们尽可拭目以待。

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很多化学品和日用品,都是来自石油的衍生品。我们可以直接用二氧化碳代替石油使用。|XPrize

负碳而行,一场“冷静地球”的赛跑

2015年,政府间气候变化专门委员会(ICPP)发布了一份《1.5摄氏度特别报告书》,清晰描绘了地球升温1.5摄氏度后的场景:全球气候将不可逆地加速升温,一个越来越热的地球将是人类的噩梦。

让地球“冷静”下来,已经无需多言。

二氧化碳作为公认的元凶,已是过街老鼠。可是,人类过去以焚烧作为动力的生产模式,究竟有何问题?

焚烧,可以说是人类延续最久的“超级技能”。几千年来,焚烧的介质从木头,油蜡,煤炭,一直到今天门类齐全的石化天然气,文明的火把相传至今。过去千百年,获取这份燃烧的热量,便是焚烧的全部意义。逃逸到大气中的二氧化碳,似乎是一件极其寻常的事情。

即便是到今天,我们对二氧化碳排放“大户”,化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等,进行环境评价的时候,仍然只会关注,其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉尘等特殊化合物,作为排放主要成分的二氧化碳,却从未被认真对待。

而碳捕捉技术,不仅正视了这个问题,还第一次将二氧化碳作为一种资源加以注视。以人类文明发展的眼光看,比起焚烧产生的那点热量所带来的经济效益,二氧化碳巨大的潜在利用价值,才是真正的宝藏。

随着碳捕捉技术成熟,回收成本渐低,利用捕捉的二氧化碳进行工业生产,将变得十分寻常。那些耸立的大烟囱里,涌出的大量二氧化碳,将不仅是对环境的危害,也是一种巨大的资源浪费。

我们固然会降低碳排,以应对气候变暖的公共危机。就如,各国政府积极发声,先后推出符合本国国情的减排乃至碳中和的时间表;各大企业巨头也纷纷响应,以宁德时代为代表的几大新能源巨头以惊人的速度崛起;苹果、小米等手机巨头,计划未来十年内,所有业务、生产供应链及产品生命周期将净碳排放量降至零,并砍掉新产品的充电器,以促进实现碳中和。

哥本哈根有望在2025年成为世界上第一个实现碳中和的城市。

同时,我们也对碳捕捉及其开发利用技术充满期待。树立正确的低碳观念,推进相关产业发展,相信我们会在气候失控的悬崖前,勒住奔腾的碳排野马,从根本上解决当前的碳排难题。

编者按:本文转载自微信公众号:十点科学(ID:Science_10),作者: 刘强


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