看似科幻的碳清除技術(shù)

文·圖/沈臻懿

從夢(mèng)想到現(xiàn)實(shí)

自工業(yè)革命以來，人類社會(huì)在工業(yè)化程度提升的同時(shí)，也帶來了化石燃料大量消耗、全球森林破壞、溫室氣體效應(yīng)不斷加劇等嚴(yán)峻問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在兩百多年的時(shí)間里，人類已累計(jì)排放了2000億噸的二氧化碳。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）在《關(guān)于全球升溫比工業(yè)化前水平高1.5℃及相關(guān)全球溫室氣體排放路徑的影響》特別報(bào)告中指出，相較于工業(yè)革命之前，人類活動(dòng)已導(dǎo)致全球氣溫升高1.0℃左右，若繼續(xù)按此速率增長，全球氣溫將在2030年至2050年間提升1.5℃，這也將導(dǎo)致生態(tài)災(zāi)害、極端天氣的產(chǎn)生更為密集。

IPCC指出，鑒于歷史排放的溫室氣體在數(shù)百年內(nèi)會(huì)持續(xù)徘徊在空氣中，即使全部停止溫室氣體的排放，全球氣溫仍將處于上升階段。為了有效遏制全球升溫變暖，空氣中二氧化碳含量的降低就尤為關(guān)鍵。除了大幅減少碳排放以外，還需要有大規(guī)模的碳清除技術(shù)，來消除歷史殘留的二氧化碳?？茖W(xué)研究表明，如果持續(xù)每年從空氣中清除100億噸的二氧化碳，那么到2050年前后，即可恢復(fù)空氣中的二度。除二氧化碳的技術(shù)方案，等產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的排及從空氣環(huán)境中直接捕獲有空氣中直接捕獲并清除稱之為負(fù)排放，并有望降低氧化碳絕對(duì)濃度。

“空氣中捕碳”看似科幻，一旦成為現(xiàn)實(shí)，將幫助人避免災(zāi)難性的全球氣候暖。2021年9月，一家致力于空氣捕獲除碳技術(shù)研發(fā)的公司——Climeworks，在冰島引入突破性的碳清除技術(shù)——空氣直接捕碳和存儲(chǔ)技術(shù)（DACS），以打造全球最大的二氧化碳清除工廠。該工廠擁有的空氣直接捕碳設(shè)備一旦正式啟用，每年預(yù)計(jì)可“吞食”二氧化碳4000噸，并可將其轉(zhuǎn)化進(jìn)行安全處理。在未來的4年里，Climeworks還計(jì)劃將二氧化碳清除能力再提升80倍！

“吞食”二氧化碳的技術(shù)秘密

DACS 碳清除技術(shù)在一定程度上，可以視作是一種工業(yè)化的光合作用。類似于植物光合作用將二氧化碳通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為碳水化合物這般，DACS 碳清除技術(shù)則是通過一定方式從空氣中直接“吞食”和清除二氧化碳。該技術(shù)能夠“吞食”二氧化碳的核心秘密，就在于“火力全開”的空氣直接捕碳設(shè)備。

DACS 碳清除技術(shù)由八個(gè)模塊化的大型收集容器組成。這些形似集裝箱的容器，每個(gè)體積約為一輛牽引車大小，內(nèi)部裝有12個(gè)大型工業(yè)級(jí)風(fēng)扇。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)收集器的二氧化碳年捕獲量可達(dá)500噸。當(dāng)設(shè)備開始運(yùn)作后，內(nèi)置的強(qiáng)力風(fēng)扇能夠源源不斷地將周邊空氣“吸入”容器內(nèi)。在空氣流動(dòng)的過程中，其含有的的二二氧氧化化碳碳?xì)鈿怏w體會(huì)會(huì)被被收收集集器器內(nèi)內(nèi)的的高高選選擇擇性過濾材料所吸收，剩余空氣則從收集器的另一側(cè)被排出。當(dāng)過濾材料捕捉到的二氧化碳達(dá)到飽和程度后，收集容器即會(huì)關(guān)閉，以避免過量的空氣繼續(xù)進(jìn)入。

“吞食”二氧化碳的全流程需要由多個(gè)階段共同銜接而成。在“捕獲”空氣中的二氧化碳?xì)怏w后，就需要進(jìn)一步考慮如何對(duì)其進(jìn)行處理和清除。這一過程中，DACS碳清除技術(shù)充分利用了冰島豐富的地?zé)豳Y源。通過地?zé)岚l(fā)電提供的能量，對(duì)收集容器內(nèi)吸附的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行加熱，并升溫至80℃～100℃。該操作能夠讓二氧化碳從過濾裝置中釋放出來，并在高壓環(huán)境下經(jīng)壓縮、凈化后提取出高純度的氣體。

我們都知道，設(shè)備裝置在工作時(shí)會(huì)消耗一定的能源，并有可能排放出溫室氣體。這就需要在清除二氧化碳時(shí)，充分考慮“吞食”氣體和排放氣體之間的占比關(guān)系。DACS碳清除技術(shù)所需的空氣直接捕碳設(shè)備，使用的是可再生能源來提供動(dòng)力。其工作時(shí)，只會(huì)排放出不足捕獲量10%的二氧化碳。

提純并壓縮的二氧化碳，僅僅只是DACS碳清除技術(shù)的“中間產(chǎn)品”。接下來，這些二氧化碳將會(huì)以某種形式予以存儲(chǔ)。碳存儲(chǔ)的方式，包括了自然途徑和人為處理等多種類型。其既可以自然存儲(chǔ)于巖石、海洋、森林、土壤之中，也可以借助人為的生物能源、植樹造林、碳捕獲處理等方式來實(shí)現(xiàn)。DACS碳清除技術(shù)的研究人員最終選擇了地質(zhì)化的存儲(chǔ)方式，即把二氧化碳存儲(chǔ)于地球圈的地下巖石之中。該方法充分利用了自然途徑，也是一種具有永久性，且安全性較高的技術(shù)手段。同時(shí)，空氣直接捕獲與存儲(chǔ)的結(jié)合，也有著土地占用面積小、水資源消耗少等顯著優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)方案，包括了從煙囪等產(chǎn)生二氧化碳的排放點(diǎn)捕獲，以及從空氣中直接捕獲

DACS碳清除技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，需要將壓縮后的二氧化碳與熱水進(jìn)行混合，用機(jī)械泵一并注入地表以下的巖石深處進(jìn)行礦化。在時(shí)間的作用下，二氧化碳和水混合物會(huì)和玄武巖等礦物質(zhì)作用，在4個(gè)月左右變?yōu)榱驓浠?，歷經(jīng)大約2年后結(jié)晶生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的碳酸鹽。至此，一個(gè)完整的碳捕獲和存儲(chǔ)過程才得以全部完成。

誠然，地球上幾乎所有的地方都可以找到玄武巖的存在；但DACS技術(shù)的研究人員發(fā)現(xiàn)，冰島的地質(zhì)構(gòu)造極為適合二氧化碳的存儲(chǔ)。依托冰島獨(dú)特的地質(zhì)條件，深埋的二氧化碳合成物能被安全、牢固地“緊鎖”在地底。被稱之為“極圈火島國”的冰島，火山數(shù)量不僅多，而且極為活躍。組成冰島的巖石均為火山巖，其中又以玄武巖的分布最為廣泛。鑒于火山的活躍性，這些玄武巖的年份都很短。新鮮玄武巖的多孔性能很強(qiáng)，這能讓碳有更多的縫隙和空間可供填充，堪稱二氧化碳存儲(chǔ)的“優(yōu)質(zhì)平臺(tái)”。這些碳酸鹽礦物不僅可以永久埋入深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，還可以被用來制造建筑材料、化學(xué)產(chǎn)品等。此外，單就從空氣中捕獲的二氧化碳而言，其在汽車行業(yè)、能源產(chǎn)業(yè)、碳酸飲料和食品加工等領(lǐng)域也頗受歡迎。

碳清除技術(shù)的發(fā)展腳步

預(yù)計(jì)年“吞食”量4000噸的DACS碳清除技術(shù)雖已達(dá)到一定規(guī)模，但其與全球氣候變暖所涉的二氧化碳規(guī)模仍有著非常大的差距。據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)表明，全球碳排放量主要來自能源發(fā)電供熱、交通運(yùn)輸以及建筑業(yè)和制造業(yè)。這些行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谔记宄夹g(shù)的需求缺口依然極大。

DACS碳清除技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其可永久性地消除二氧化碳，且可將捕獲的這一氣體予以商品化利用。若用于提供動(dòng)力的是綠色或可再生能源，DACS在全球氣候變化中的作用將更為重要。

然而，相較于植樹造林這一成本最低的碳清除解決方案，DACS碳清除技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸就是其成本過高的問題。據(jù)測(cè)算，建造一個(gè)二氧化碳清除工廠的成本大約在1000萬美元至1500萬美元。由于大氣中的二氧化碳濃度非常稀少，僅為0.04%，這必然增加了清除和存儲(chǔ)二氧化碳的難度。因而，相較于其他一些碳清除解決方案，DACS技術(shù)的成本更高，用于清除二氧化碳的成本高達(dá)每噸600美元至800美元。倘若研究人員能夠找到進(jìn)一步優(yōu)化方案，持續(xù)推動(dòng)成本降低，未來DACS碳清除技術(shù)的經(jīng)濟(jì)意義還將進(jìn)一步凸顯。