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吸走二氧化碳:“最不坏”的气候工程选项

一些专家认为,十年之内,直接从空气中捕获二氧化碳的成本可以下降到每吨100美元。
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瑞士Climeworks公司位于苏黎世附近的直接空气碳捕获设施。 图片来源: Orjan Ellingvag / Alamy
瑞士Climeworks公司位于苏黎世附近的直接空气碳捕获设施。 图片来源: Orjan Ellingvag / Alamy

这将是一个比今天的石油产业规模大上几倍的行业。但很快,它可能是保护地球免受气候灾难的最后屏障。随着导致全球变暖的二氧化碳排放不断增加,全世界控制碳排放的努力变得力有不逮,科学家们正在越来越多地考虑一种“终极”解决方案——用一个庞大的巨型真空吸尘器网络来“吸走”大气中的二氧化碳。

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这个早在20世纪90年代就被提出来的方案虽然听起来很疯狂,但其成本已经达到了环境经济学家所说的可行水平。短短几十年,随着气温飙升和气候接近危险的临界点,人们可能会认为,直接碳捕获技术比在地球上空放置“遮阳伞”对大气更好,比给海洋施肥更可靠,比种植一万亿棵树更快、对土地的要求更低。

荷兰莱顿大学(Leiden University)的奥斯卡·鲁埃达(Oscar Rueda)在今年2月发表的一份气候工程新兴技术综述中称,真空“吸尘器”可能是“最不坏”的选择。

气候科学家一致认为,世界正走在一条危险的轨道上。大气温度已经比工业化前的水平升高了1摄氏度。2015年《巴黎协定》设置的目标是将升温控制在2摄氏度以下,并尽力控制在1.5摄氏度左右。但联合国政府间气候变化专门委员会(the Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)表示,仅通过消除新的碳排放将全球变暖限制在1.5摄氏度以内已经为时太晚。在本世纪后期,将不可避免地需要某种形式的全球性“气候工程”。

carbon dioxide removal technology: direct air capture fans on roof
瑞士Climeworks公司的直接空气碳捕获设施有30台由垃圾焚烧炉提供能源的大型风扇和过滤器。每台风扇每天能够从空气中捕获135公斤的二氧化碳。图片来源:Orjan Ellingvag / Alamy

技术专家们已经围绕相关技术选择讨论了很长一段时间。早在20世纪90年代初,笔者就在牛津大学参加了一个关于这个话题的会议。一个早期被看好、现在仍在讨论中的气候解决方案就是通过遮挡太阳照射到地球上的热量来使我们保持凉爽,从而不用理会大气中的二氧化碳。这类技术包括在太空中放置巨型“遮阳伞”,向上层大气中注入硫酸盐粒子以分散太阳辐射,“播种”云层使其更加明亮,以及用漂浮的高尔夫球覆盖海洋等。

但这样的计划已经不受欢迎,因为其副作用会非常大。二氧化碳的持续累积会破坏生态系统,使海洋酸化,使平流层降温,使臭氧层出现空洞。因此,地球工程师们的B计划是寻找方法,去除大气中的二氧化碳。

所谓的“负排放技术”(NET)在气候科学家之间已经成为主流。他们虽然不喜欢通过工程手段再造地球来控制温度的想法,但他们更担心全球变暖的影响。

两年前,英国皇家学会(the Royal Society)的一项研究估计,将全球变暖控制在1.5摄氏度需要在本世纪末之前捕获约8100亿吨二氧化碳,相当于目前约20年的排放量。其他的估计(基于我们停止向空气中排放二氧化碳的不同速度的假设)从1500亿吨到11800亿吨不等。最大的问题是用什么方式来做。

一个很老的想法是用铁或氮给海洋施肥,以刺激藻类生长,从而从空气中吸收二氧化碳。一些英国科学家尝试在遥远的南大洋喷洒铁屑。这似乎起了作用,施过铁肥的海域出现了藻华。但还没有人知道这是否会产生持久的影响。

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巴伦支海的浮游植物群。刺激海洋中浮游植物的生长是海洋地球工程的方案之一,利用其光合作用来捕获二氧化碳。图片来源: Norman Kuring / NASA

下一步就是促使陆地吸收更多的二氧化碳。土壤将发挥很大作用。它们本就含碳,并且可以储存更多。减少翻地、智慧放牧、创建和恢复湿地都能起到作用。这些措施也具有生态和农业意义,所以这是一种双赢。填埋木炭(部分烧焦的木头)可以加快进程。但鲁埃达说,总的来说其气候效果将是缓慢的,而且行动组织和效果衡量都会很困难。因此,科学家普遍认为土壤固碳虽值得鼓励,但不可依赖。

另一种方法是加速岩石风化。风和水使岩石风化形成土壤。当它们被侵蚀时,会释放出与二氧化碳发生反应的化学物质。所以更多的风化会从空气中带走更多的二氧化碳。这可以通过在土地上散布一些快速风化的岩石来实现。乌得勒支大学(Utrecht University)的奥拉夫·舒林(Olaf Schuiling)一直认为,一种金属加工中常用的矿物——橄榄石是理想的选项。舒林说,一吨橄榄石就能捕获一吨多一点的二氧化碳,而成本只有13美元

但是,要在陆地上捕获更多的碳,最显而易见的办法就是种植更多树木,以抵消千百年来的森林破坏。大自然保护协会(the Nature Conservancy)的一项研究估计,全球约有7亿公顷以前的林地目前没有被用于农业或人居,它们最终可能长出足够的树木来吸收目前7年的二氧化碳排放量。因此,在达沃斯举行的2019年世界经济论坛上提出了种植一万亿棵树的想法。

过去十年,一个加强版的植树造林方案已经成为气候工程师们的首选。它被称为BECCS,即“生物能结合碳捕获与封存”。它通过种植树木或其他作物为发电厂提供燃料,然后捕获发电厂烟囱排放的二氧化碳并将其埋在地下(可能是在老煤矿或油井里)。

全球部署BECCS技术将导致几乎没有空间留给生物多样性。

(英国皇家学会估计,全球的二氧化碳储存量足以达到9000亿吨,刚好高于它所说的本世纪我们可能需要从空气中清除的8100亿吨。)

作为燃料而砍伐的树木将被新的树木所取代,以便从空气中吸收更多的二氧化碳。这听起来像是一条终极出路,正好把人类正在做的事情–燃烧化石燃料排放二氧化碳–逆转过来。采用BECCS技术后,烧得越多,从空气中消除的二氧化碳就越多。IPCC在2014年的气候评估报告中得出结论,要想将升温控制在2摄氏度以下,就需要“广泛部署生物能结合碳捕获和封存技术”。

但也有很多人反对这个方案。新种的森林可能会被野火吞噬,或者死于气候变化。树木生长缓慢,土地也已经非常宝贵。BECCS方案所需的大规模重新造林将导致大肆掠夺土地,并可能威胁全球粮食供应。英国皇家学会的结论是,全球部署BECCS技术将导致几乎没有空间留给生物多样性。

植树或许有一定作用,但现在看来不太可能按要求的规模和时间完成这项工作。因此,如今获得青睐的选项是把树的工作交给工程师们。即把BECCS换成直接空气碳捕获和储存(DACCS)。虽然用的依然是将捕获的二氧化碳埋在地下的技术,但却是用化学的方式而非生物的方式来进行碳捕获。

有一系列的化学物质可以完成这一任务,其中胺和氢氧化钠是讨论最多的。一个想法是让地球遍布数百万棵“人造树”,这些人造树的巨大表面覆盖着吸收二氧化碳的化学物质,但这可能会占用和种植真树一样多的土地。更好的办法可能是用“真空吸尘器”主动吸进空气。它们需要大量的能源,而这些能源需要在不排放二氧化碳的情况下产生,否则其效益立刻就被抵消。不过,它们需要的土地要少得多。

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瑞士Climeworks公司位于苏黎世附近的直接空气碳捕获设施。 图片来源: Orjan Ellingvag / Alamy

这个想法最初是在1995年由现在供职于亚利桑那州立大学(Arizona State University)的克劳斯·拉克纳(Klaus Lackner)提出的。长期以来,人们一直认为这个想法稀奇古怪,而且成本高得离谱,可能要花费数百万亿美元。但是,就像风力涡轮机和太阳能电池板的价格一样,巨型真空吸尘器的预期成本也在不断下降。两年前,哈佛大学的大卫·基思(David Keith)发表在《焦耳》(Joule)杂志的一项研究表明,这项技术包括掩埋二氧化碳在内的成本为每吨232美元

普林斯顿大学(Princeton University)的史蒂芬·帕卡拉(Stephen Pacala)在最近的一次采访中说:“技术进展非常迅速,以至于那些头脑冷静的有识之士相信,集中力量进行研发的话,10年之内人类就能以每吨100美元的成本直接捕获大气中的二氧化碳。”

如果按照英国皇家学会的设想,全球将碳排放价格推高到每吨100美元,那么上述方案就会有用武之地。鲁埃达当然这么认为。在对现有的负排放技术进行了全面的回顾之后,他得出结论说,“直接空气碳捕获和储存是最有吸引力的”。它是高效的,在技术上和政治上都是高度可行的。只要有足够的可再生能源为其提供动力,它的副作用也很低,而且还能对碳进行永久储存。它的潜力是最大的。

鲁埃达建议将直接空气碳捕获和储存与植树造林和土壤固碳相结合,后两种方法都成本低廉,而且是现成的,并且对生态和农业都有利。而直到最近都是气候科学家宠儿的BECCS,在他的备选名单上只排在第四位。

对许多人来说,要用这种方法解决世界上最大的环境问题似乎令人惊恐。但在很大程度上,它已是仅次于减排的次优选择。现在我们每年都要向大气中多排放400亿吨二氧化碳。这些二氧化碳归根结底是需要被清除的,不管代价多么高昂。

翻译:奇芳