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

　　作者 | 劉強 浙江大學環(huán)境與資源學院

　　地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災、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，被認為是遏制氣候變暖的突破點?！疤贾泻汀钡母拍顟\而生。

　　碳中和是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人，在一定時間內(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，實現(xiàn)正負抵消，達到相對“零排放”。

　　在眾多碳中和技術(shù)路徑中，有一個治理思路，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，有可能捕捉回來嗎？科技巨頭們已經(jīng)開始了行動。

　　2021年1月21日，特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克宣布將捐贈1億美元，用以獎勵最佳碳捕捉技術(shù)。“碳捕捉”概念一時風頭無兩。究竟是什么技術(shù)，讓頂級科技巨頭如此豪擲千金？這個以美金計價的小目標，離我們普通人又有多遠呢？

　　1億美元獎勵最佳碳捕捉技術(shù)，敢不敢來玩兒？| XPRIZE 官網(wǎng)

　　碳從何來，余額夠嗎？

　　要捕捉二氧化碳，找到其來源是第一步。

　　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（濃度單位，百萬分之一）的警戒線。二氧化碳濃度的持續(xù)上升成了科學家心頭揮之不去的陰霾。

　　過去幾年，這個兇手造成一系列災難。2020年夏天南方洪災、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)歷一系列復雜變化形成。這些深藏地殼深處，花費成千上萬年完成轉(zhuǎn)化的富碳資源，在過去不到一百年的時間，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，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)一公斤牛肉，會產(chǎn)生將近300千克的碳排放；甚至每人每天通過呼吸，也會釋放大約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無盡隱患。

　　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》?！秴f(xié)定》約定，各國的長期目標，是將全球平均氣溫，較前工業(yè)化時期，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)。

　　以其目標上限2攝氏度計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是第一次，人類清晰界定了環(huán)境承受的極限邊界。

　　經(jīng)過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀工業(yè)革命以來，全世界累積排放已超過6000億噸，超過該預算總額的60%。根據(jù)當前的排放速度估算，若不采取強力干涉措施，全球碳預算總額將在2045年耗盡。

　　碳預算超支的前景，不單指向全球升溫2攝氏度導致的海平面上升，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)人類存亡的巨大災難。

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

　　對著天空撒網(wǎng)？我們是認真的

　　面對窮追不舍的二氧化碳排放危機，各行各業(yè)都在積極應對，科學界更是首當其沖。

　　從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向：

　　一是減少輸入，即在最短時間內(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。因為能源是推動經(jīng)濟增長的基礎(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源，會給所在國經(jīng)濟帶來極大沖擊。尤其是許多國家尚未完成最基礎(chǔ)的工業(yè)化建設，貿(mào)然轉(zhuǎn)換能源供應格局，會直接給百姓生計乃至國家命運帶來巨大傷害，這在道義上，現(xiàn)實操作上都不允許。

　　以中國為例，即使四十年的改革開放給我國帶來了巨大的財富積累，以及令人吃驚的基建速度，我們能夠以一種稍微激進的方式轉(zhuǎn)向水能、核能、風能和太陽能等清潔能源，這些能源也確實在迅速提高占比。然而即便在2020年，我國能源消費結(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。

　　花草樹木，不單單是美麗的人間風景，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，但時效性慢，難以在短時間內(nèi)遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。人類自己闖下的禍終究還是要人類自己解決，工程干預進行碳捕捉，便是這一理念下的產(chǎn)物。

　　我們?nèi)氯轮鞣匀?，自然卻以自己的方式回以祝福，也給以嘲諷。｜圖蟲創(chuàng)意

　　人類群體中最智慧的大腦，對此給出了許多拍案叫絕的方案。

　　當前碳捕捉技術(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，免其排放到大氣中。主要技術(shù)方向有三個，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，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地殼之中。一些科學家擔心，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。

　　碳捕捉與能源化利用，則是將二氧化碳捕捉之后，再次用來獲取能量的一項技術(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”這個名詞組合，都讓人有些怪異的別扭。但科學家的腦洞永遠是開區(qū)間的。碳捕捉后進行能量開發(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)，即便實現(xiàn)了這個反應，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有點得不償失。

　　直到熱機工作原理的新認識出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)才開始突飛猛進。以往熱機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)動熱機運轉(zhuǎn)。容易想到，加熱不是熱機工作的目的，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)動熱機運轉(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封閉容器中，就可以得到數(shù)十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動氣動機械做功。

　　蒸汽機（熱機的一種）可以通過燃料燃燒，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。干冰也可以通過常溫氣化，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能。|圖蟲創(chuàng)意

　　根據(jù)這一理念，低溫熱機迅速誕生。這幾乎是蒸汽機革命之后，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)動熱機運轉(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，則是另一個絕妙的固碳方案，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，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)的認識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用于制備當前從石油衍生得到的化學品和材料。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家們必須先找到一條低耗能的轉(zhuǎn)化路徑。事實上，截至當前，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。

　　很多化學品和日用品，都是來自石油的衍生品。我們可以直接用二氧化碳代替石油使用。｜XPrize

　　負碳而行，一場“冷靜地球”的賽跑

　　2015年，政府間氣候變化專門委員會（ICPP）發(fā)布了一份《1.5攝氏度特別報告書》，清晰描繪了地球升溫1.5攝氏度后的場景：全球氣候?qū)⒉豢赡娴丶铀偕郎?，一個越來越熱的地球?qū)⑹侨祟惖呢瑝簟?/p>

　　讓地球“冷靜”下來，已經(jīng)無需多言。

　　二氧化碳作為公認的元兇，已是過街老鼠?？墒?，人類過去以焚燒作為動力的生產(chǎn)模式，究竟有何問題？

　　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，我們對二氧化碳排放“大戶”，化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等，進行環(huán)境評價的時候，仍然只會關(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，卻從未被認真對待。

　　而碳捕捉技術(shù)，不僅正視了這個問題，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)生的那點熱量所帶來的經(jīng)濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，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，將不僅是對環(huán)境的危害，也是一種巨大的資源浪費。

　　我們固然會降低碳排，以應對氣候變暖的公共危機。就如，各國政府積極發(fā)聲，先后推出符合本國國情的減排乃至碳中和的時間表；各大企業(yè)巨頭也紛紛響應，以寧德時代為代表的幾大新能源巨頭以驚人的速度崛起；蘋果、小米等手機巨頭，計劃未來十年內(nèi)，所有業(yè)務、生產(chǎn)供應鏈及產(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，以促進實現(xiàn)碳中和。

　　哥本哈根有望在2025年成為世界上第一個實現(xiàn)碳中和的城市。｜來自網(wǎng)絡

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