把排放空中的二氧化碳“捉”回去

「本文來源：深圳特區報」

11月1日，聯合國氣候變化框架公約締約方大會第二十六次會議（COP26）即將在英國蘇格蘭的格拉斯哥召開。這場有關全球氣候危機的談判，被普遍認為是推動世界走上“實現其氣候目標正軌的最後機會”。碳排放作為氣候變化的重要原因之一，將是這次會議的重要議題，參會各國領導人將圍繞減少空氣中二氧化碳排放量進行討論。

就在會議召開的50天前，全球規模最大的碳捕集工廠“奧卡”在冰島開始運營。其主要工作為從空氣中捕集二氧化碳，經提取後與水混合，最終被泵入地下約1000米深處進行封存。按照設計，這座工廠每年可從空氣中捕集4000噸二氧化碳，相當於大約800輛燃油小汽車一年的排放量。

碳捕集（又稱碳捕捉），被公認為最具潛力的二氧化碳等溫室氣體減量技術之一，被科學家視為減緩全球變暖的關鍵，而近年來全球變暖造成了世界各地頻發的熱浪、山火、洪水以及海平面上升。因此在對待二氧化碳排放的問題上，人們開始探索除自然光合作用外的其他固碳手段。

自1972年第一個大型碳捕集、封存（CCS）專案在美國得克薩斯州沙隆裡奇油田開始運營以來，人類對於碳捕集技術的探索，已經經歷了近50年的歷程。在碳達峰、碳中和的大背景下，碳捕集技術已經成為世界關注的新焦點。

背景

全球碳預算總額或在2045年耗盡

今年8月，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，未來20年，全球溫升將達到或超過1。5℃。然而，僅僅2011-2020年全球地表溫度比工業革命時期上升了1。09℃，其中約1。07℃的增溫是人類活動造成的，而二氧化碳等溫室氣體排放則被認為是地球溫度快速升高的主要元兇。

資料顯示，在工業革命之前，地球大氣中的二氧化碳濃度約為百萬分之280，而2021年，地球碳濃度則超過了百萬分之420，高於200萬年以來的任何時候。如果想要地球保持正常溫度的話，需要把這個數字保持在百萬分之350以下。顯然，地球上的二氧化碳濃度嚴重超標了。

因此，1970年以來的50年是過去2000年裡最暖的50年，1901-2018年全球平均海平面上升了0。2米，上升速度比過去3000年任何一個世紀都快，這樣一系列刺眼的資料便也顯得不再意外。

面對這樣的局面，世界各國先後簽訂了《京都議定書》以及《巴黎協定》。其中，2015年12月12日簽署的《巴黎協定》約定，各國的長期目標是將全球平均氣溫，較前工業化時期上升幅度控制在2℃以內，並盡力將其限制在1。5℃以內。如果以目標上限2℃計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。據IPCC測算，自19世紀工業革命以來，全世界累積排放已超過6000億噸，超過該預算總額的60%。根據當前的排放速度估算，若不採取強力干涉措施，全球碳預算總額將在2045年耗盡。

因此，控制大氣中二氧化碳濃度，便成了遏制地球升溫的關鍵。

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，即減少甚至不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動產生的二氧化碳；二是增加去路，提高環境和人工二氧化碳的固定能力。其中植物光合作用固碳曾被視為重要手段，但其時效慢，難以在短時間內遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。因此，透過技術工程干預進行碳捕集的思路便應運而生。

現狀

每年“捕捉”4000萬噸二氧化碳

當前碳捕集技術的核心目的，是將人類活動產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。主要技術方向有三個，分別是：碳捕集與儲存、碳捕集與能源化利用、碳捕集與資源化利用。

根據全球碳捕集與封存研究院的統計，目前世界上的碳捕集、利用與封存（CCUS）專案超過400個，有65個商業碳捕集與封存（CCS）設施。在2020年啟動的17個商業設施中，12個位於美國。正在執行中的CCS設施每年可捕集和永久封存約4000萬噸二氧化碳，其中美國驅油利用二氧化碳已達每年1000萬噸以上，迄今美國已經封存二氧化碳約10億噸，形成了較為成熟的驅油技術和配套設施。在執行、在建和規劃的專案中，年捕集量在40萬噸以上的大規模綜合性專案有43個，62%的捕集量集中在北美和歐洲地區。

不過，國際能源署（IEA）資料顯示，2020年全球二氧化碳排放量達315億噸，這個資料遠遠超出了每年全球二氧化碳捕集和封存的數量。近年來全球山火頻發，包括“地球之肺”的亞馬遜雨林在內的大片森林被燒燬而損失了光合作用的固碳功能，碳捕集技術作為人類與全球氣候變暖抗爭的有效手段，對減少大氣中二氧化碳含量則起著至關重要的作用。

根據市場研究機構埃信華邁清潔能源技術團隊的全球專案追蹤，目前全球共有23個在建、已融資和設計中的CCUS專案，到2026年全部建成後，CCUS專案的運營能力將增加一倍。不過，要實現當前淨零目標，未來30年碳捕集能力至少每五年需翻一番。新興的碳捕集、利用與封存產業能否保持當前淨零目標需要的可觀的增長率，還有待觀察。超過75%的已宣佈專案仍處於早期開發階段，尚未經歷多重挑戰，最關鍵的是還沒有獲得融資。

利弊

捕集1噸二氧化碳最少100美元

碳捕集與封存，其核心是封存，但是這項技術的最大問題在於高昂的建設和執行成本。根據美國能源部的分析，以每臺裝置成本4億到5億美元計算，工業技術捕獲碳的費用約為每噸二氧化碳58。3美元。然而實際情況卻是，市場上價格最低的碳捕集解決方案由以色列的High hope公司提供，其最低價也為100美元/噸。而冰島的“奧卡”碳捕集工廠，由於使用碳捕集技術的裝置多數為手工製造，而非自動化生產，加上捕集二氧化碳需要大量能源，目前，從空氣中直接捕集1噸二氧化碳，成本約為600至800美元，其技術提供方瑞士Climeworks的未來預測圖表顯示，到2035年，從空氣中提取碳的價格也不會低於250美元/噸。

高昂的費用投入，卻將捕捉的二氧化碳封存於地下，顯然人們並不滿足於這一目標，因此，碳捕集技術從最開始的碳捕集、封存走向了碳捕集、利用與封存——將捕捉的二氧化碳應用到產品生產過程中，透過產品的盈利降低碳捕整合本乃至實現碳捕捉盈利。美國在開採石油時，將捕捉來的二氧化碳加壓注入到油井中，使即將枯竭的油田再次採出石油，同時也將二氧化碳永久地貯存在地下。比如世界最大的碳捕集專案美國佩特拉諾瓦工程，雖然安裝成本約為10億美元，但是其根據“清潔煤計劃”獲得了美國政府的近1。9億美元贈款，以及日本政府提供的2。5億美元貸款，並且隨著油田採油量的增加，採收率的提高也帶來了更多的淨收入，碳捕集的成本也大大下降。

驅油技術只是早期碳利用的物理方法，隨著技術的日新月異，人們對二氧化碳的處理探索出了更多的方法。比如，化工利用，即以化學轉化為主要手段，將二氧化碳和共反應物轉化成目標產物，實現二氧化碳資源化利用的過程，主要產品有合成能源、高附加值化學品以及材料三大類。生物利用，以生物轉化為主要手段，將二氧化碳用於生物質合成，實現二氧化碳資源化利用的過程，主要產品有碳酸類飲料和飼料、生物肥料、化學品與生物燃料等。其中，生物利用技術的產品附加值較高，經濟效益較好。

技術解析

碳捕集技術工程是如何運作的

將空氣中看不見的碳“搜”出來，並將其控制住，這顯然是一項技術性很強的工作，同時也是難度相當大的工作。涵蓋了捕集、運輸、利用和封存四個環節。

以冰島“奧卡”專案為例，其二氧化碳捕集裝置是四組巨大的長方形箱體，每組由兩個箱體上下排列而成。每個箱體大小與大型標準集裝箱相仿，長約12米，內嵌12颱風扇。風扇把空氣中的二氧化碳“捕捉”到海綿狀過濾器中。

關閉收集裝置，利用當地豐富的地熱能，將收集到的空氣加熱到80-100℃，從而將二氧化碳氣體釋放出來。這些高濃度的二氧化碳與水混合，被泵入位於地下約1000米的玄武岩洞穴深處，在那裡逐漸冷卻，隨著時間推移，與玄武岩發生鈣鎂反應，慢慢變成白雲石方解石和菱鎂礦等岩石樣貌的固體物質。

美國的佩特拉諾瓦專案則是透過一條80公里的管道，將捕捉的二氧化碳輸送到附近的一處油田，從而利用二氧化碳驅油以提高油田的開採量。

而位於挪威的北極光專案則是將陸地上收集的二氧化碳用輪船運到海上，注入海洋底部，由於二氧化碳在海平面2。5公里以下，主要以液態形式存在，而且其密度也大於水，因此可以相對穩定地儲存在海底。

目前，二氧化碳驅油技術由於其封存規模大且具有提高採收率的良好效果，是碳捕集、利用與封存的主要技術發展方向。不過，有研究表明，將透過技術手段二氧化碳封存於地下，使化學反應後的固態二氧化碳與地殼岩石結合，可實現穩定儲存。但是這些二氧化碳，終究只是以“打盹”的形式，維持著微妙的平衡存在於地殼之中。因此，有科學家擔心，頻繁的地殼活動，終有一天會將這些氣體送回地面，因此碳封存的技術安全性還有待加強。

能源化利用：

二氧化碳也能做燃料

二氧化碳一直是燃料燃燒後的尾氣成分，甚至被用來滅火，“二氧化碳燃料”這個名詞組合，難免讓人感覺有些怪異。但科學家真的讓這種奇思妙想變成了現實。以往熱機工作都是透過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅動熱機運轉。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，恢復到正常溫度，也會產生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅動熱機運轉。

二氧化碳恰是這樣一種神奇物質。常壓下，它以零下78。5℃超低溫、固態乾冰的形式存在；到了約10個大氣壓的環境中，又會變成液體流動，便於輸送。如果用乾冰作為工作介質，就可以吸收環境中的熱量，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。

根據這一理念，低溫熱機迅速誕生。這幾乎是蒸汽機革命之後，人類對驅動能源做的最有意思的一次嘗試。碳捕捉完成後形成的乾冰物質，作為驅動熱機運轉的燃料，氣化後釋放到空氣中，之後再次被捕捉回來，從而保持一種人類活動與大氣狀態之間的奇妙平衡。

資源化利用：

代替石油做化工原料

當前，絕大多數的人造材料、合成製品，都是石油化工的產物。換言之，就是都源自地球上的動植物數億年前收集的二氧化碳。理論上，以當下人類對物質的認識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用於製備當前從石油中衍生得到的化學品和材料。

二氧化碳是一種極其穩定的分子，作為原料參與化工合成，需要吸收大量能量。這也意味著其轉化成本非常高昂。科學家們必須先找到一條低耗能的轉化路徑。事實上，截至當前，基於二氧化碳的產品開發技術，已經衍生出諸如建築材料、化學品、塑膠聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支，比如沙特一家公司將二氧化碳作為生產化肥的原料，印度一家燃煤電廠將捕獲的二氧化碳轉變成蘇打粉，澳大利亞一家公司則透過化學反應將二氧化碳進行封存固化，從而生產磚與水泥。

食品化利用：

作為原料人工合成澱粉

今年9月24日，國際學術期刊《科學》雜誌線上發表中國科學院天津工業生物技術研究所的科研成果，首次在實驗室裡實現了二氧化碳到澱粉的合成。此訊息一出，網友們戲稱：“空氣變饅頭不是夢”“喝西北風能飽”。

據介紹，該技術不依賴植物光合作用，不需大面積種地、施肥和農作物加工，經最佳化，原料只需二氧化碳、氫氣和電，便能生成澱粉。而且在充足能量供給條件下，按照目前技術引數，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於我國5畝玉米地的年產澱粉量。

該團隊的整體設計思路是，將熱電廠和水泥廠排放的高濃度二氧化碳分離出來作為原料，將低密度太陽能轉化為高密度電或氫能作為能源，形成簡單的碳氫化合物，然後設計出從碳氫化合物到澱粉的生物合成過程。

不過，上述展望的實現，仍要建立在一定條件的基礎上。舉例來說，首先該轉化過程的成本需進一步降低，與農業種植相比具有經濟可行性，才有可能節約耕地和淡水資源，同時避免農藥、化肥等對環境的負面影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展。

天津工業生物所研究團隊表示，目前該研究成果尚處於實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後續還需儘快實現從“0到1”的概念突破，到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為解決人類發展面臨重大問題的有效手段和工具。

本版文字：申衛峰

本版圖片：視覺中國

本版製圖：邵芳 2021-10-20 00：00：00：0申衛峰透過碳捕集技術將二氧化碳封存於地下或用作工業原料110929101把排放空中的二氧化碳“捉”回去/enpproperty2021-10-20 00：00：00：0申衛峰透過碳捕集技術將二氧化碳封存於地下或用作工業原料11092910content_1109291。html1把排放空中的二氧化碳“捉”回去/enpproperty