利用负排放技术减缓气候变化

工程（英文） ›› 2019, Vol. 5 ›› Issue (6) : 982 -984. DOI: 10.1016/j.eng.2019.10.006

利用负排放技术减缓气候变化

Chris Palmer

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Mitigating Climate Change Will Depend on Negative Emissions Technologies

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根据美国国家科学、工程与医学研究院（NASEM）2018年年底发布的一份报告，从空气中去除和隔离CO₂的负排放技术（NET）将在减缓气候变化方面发挥重要作用[1]。报告呼吁启动实质性的研究计划以尽快推进这些技术。

自工业时代以来，人类活动——主要是燃烧化石燃料和向大气中排放CO₂ ——已导致全球平均气温上升约1 ℃。为了避免发生灾难性的气候变化，195个国家在2015年共同签署了具有里程碑意义的《巴黎协定》，设定了防止全球平均气温上升超过2 ℃、理想情况下不超过1.5 ℃的目标[2]。

但挑战是艰巨的。要实现在未来十年将全球温室气体排放量减少一半，并在2050年左右实现“净零”排放的目标，这需要付出巨大努力。据估计，实现全球平均气温上升不超过1.5 ℃目标的机会只有三分之二[3]。这意味着世界上每个经济体的每个部门——电力、交通、工业、农业——都需要在2050年前实现平均零排放。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）是世界上最重要的减缓气候变化的权威机构，委员会根据《巴黎协定》设定的排放目标评估了最经济可行的途径。位于德国柏林的科学政策智库——墨卡托全球公共资源与气候变化研究所——可持续资源管理与全球变化工作组组长、经济学家Sabine Fuss表示：“没有一条通往1.5 ℃目标的路径可以在完全不去除一些CO₂ 的情况下发挥效果。”（图1）[4]。

图1. 传统减排技术与CO₂ 去除相结合的减排预测。（a）情景文献中的CO₂ 排放途径；（b）技术示例。如果没有传统减排技术（“一切照旧”），排放量将继续上升。相对于工业化前水平，至少有三分之二的机会将全球平均气温的上升幅度控制在2 ℃以下，若想实现这个目标，就需要将传统减排技术与NET结合起来。在这种“低于2 ℃”的情景下，全球净排放水平在2075年左右将变为负[4]。

由2017年的一项元分析可知，利用NET每年可捕获相当于370亿吨的CO₂ ，成本低于每吨70美元[5]，这将抵消2018年某项研究估计的约371亿吨的当前全球CO₂年排放量[6]。最近，Fuss和他的同事们评审了2092份与7种不同NET有关的文件（图2）[7]，预测了这些技术能从空气中去除多少CO₂ 及其所需成本[7]。

图2. NET及其主要特点，包括成本、碳去除潜力、储存持久性以及发展状况和部分副作用[7]。t CO₂^–1 ：每吨CO₂ ；Tech：技术；GHGs：温室气体。

造林（afforestation）和重新造林（reforestation）是最便宜的方案，每去除一吨CO₂ 的成本在10美元到几十美元之间。Baston等[8]在2019年的一项研究中计算出，理论上，有近10亿公顷的土地可以种植新的树木，从而使地球上能够支持树木生长的土地总面积达到44亿公顷。一旦成熟，新种植的5000亿棵树可以储存2000亿吨碳。然而，这一方案的问题是，树木需要50~100年才能成熟，许多树木还需要种植在积雪的北部地区，而这些地区会将大量的太阳辐射反射回太空[9]。另外，还有一些其他的问题。“像造林这种基于土地的解决方案非常令我担忧。”Fuss在墨卡托研究所的同事、应用可持续性科学工作组组长、经济学家Jan Minx说。“土地实际上非常稀缺，我们需要土地来养活人民。随着治理方式的改变，或者由于气候变暖导致森林火灾持续增加，树木很容易会再次消失，碳会立即释放回大气。”

最昂贵的NET方案是直接空气捕获（DAC），这种方案涵盖了一系列的工程化系统，包括先从空气中去除CO₂ ，再将CO₂ 埋在地下的旧油气储层或咸水含水层中。研究人员已经在小范围内对DAC的成本进行了测试，每去除一吨CO₂ 的成本约为数百美元或更高。2019年的一项研究表明，到2100年，该技术可能需要消耗全球能源供应的四分之一[10]。但是，这项技术可能是所有NET中CO₂ 去除潜力最高的。“DAC的一大优势是，它可能比其他技术更具可扩展性。”Minx说。Minx是2018年NASEM最终报告的评审人，他的工作以及与Fuss共同进行的工作在报告中被广泛引用。“这有点像太阳能，原则上，DAC模式可以被应用在任何地方。”

就成本和碳去除潜力而言，介于造林和DAC之间的方案是生物能源与碳捕获和储存（BECCS）技术。这项技术是通过在发电厂燃烧植物燃料或生物质来发电的。但该过程产生的CO₂ 并没有被排放到大气中，而是被泵入地下，每去除一吨CO₂ 的成本估计在100~200美元。这项技术是可行的，但需要大规模推广才能发挥作用。中国目前有17座大型碳捕获和储存工厂，每年可去除排入大气的CO₂ 约4000万吨[11]，低于年碳排放总量的0.01%。Fuss、Minx和他们的同事认为，目前最具成本效益的NET是土壤碳封存技术，这是一种通过调整农业生产方式来增加土壤中CO₂ 含量的方法。封存效果可以通过免耕和轮作等再生农业措施来加强。墨尔本大学化学工程专业的教授Robin Batterham表示，尽管向农民提供补贴并让他们实施这些措施在经济上是合理的，但面临的挑战首先是说服农民改变几十年的耕作习惯，并找出一种成本效益高的方式来追踪农民的工作成效。然而，并不是每个人都认同该过程所封存的CO₂ 含量。2016年的一项研究认为，土壤碳封存的潜在影响被高估了约40% [12]。

评估所有NET的总潜力并不是把它们简单地加在一起。这些技术都处于不同的发展阶段，其中部分技术还会与其他技术相互竞争土地、水、生物能源和其他资源。例如，如果想让实现1.5 ℃目标的路径发挥效果，就需要比印度大2~5倍的土地来种植BECCS所需的生物质 [13,14]。

Minx表示，NET可以被看成一套组合，每个NET的部署都要考虑成本、有效性、可用性、安全性和永久性。例如，目前可以对可用的、相对便宜的而且更容易进行可逆操作的基于土地的方案进行部署。然后，更多的技术方案，如碳去除量更高的BECCS和DAC，可以在技术成熟后逐步采用。“在1.5 ℃的情景下，这些技术运作的量级是10亿吨，而我们离这个目标还很远。”Minx说。 “创新的时间通常比人们想象的要长得多，一些最具可扩展性的NET仍处于研发阶段。”

无论如何，“当前的最佳解决方案可能是尽快实现经济脱碳，避免CO₂ 在第一时间就被大量排入大气中。”Fuss说。“排入大气的CO₂ 少了，你也就不必去除那么多CO₂ 了。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]

Negative emissions technologies and reliable sequestration [Internet]. Washington, DC: United States National Academies of Science, Engineering, and Medicine; 2018 Oct 24 [cited 2019 Sep 3]. Available from: https:// www.nap.edu/catalog/25259/negative-emissions-technologies-and-reliablesequestration-a-research-agenda.

[2]	What is the Paris Agreement? [Internet]. United Nations Climate Change; 2016 Nov 4 [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://unfccc.int/process-andmeetings/the-paris-agreement/what-is-the-paris-agreement.

[3]	Special report: global warming of 1.5 C [Internet]. Intergovernmental Panel on Climate Change; 2018 Oct 8 [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www. ipcc.ch/sr15/.

[4]	Fuss S, Lamb WF, Callaghan MW, Hilaire J, Creutzig F, Amann T, et al. Negative emissions—part 2: costs, potentials and side effects. Environ Res Lett 2018;13 (6):063002.

[5]	Carbon dioxide removal options: a literature review identifying carbon removal potentials and costs [Internet]. Ann Arbor: University of Michigan Energy Institute; 2017 Apr 10 [cited 2019 Sep 3]. Available from: https:// energy.umich.edu/wp-content/uploads/2018/06/carbon16.pdf.

[6]	Le Quéré C, Andrew RM, Friedlingstein P, Sitch S, Hauck J, Pongratz J, et al. Global carbon budget 2018. Earth Syst Sci Data 2018;10:2141–94.

[7]	Minx JC, Lamb WF, Callaghan MW, Fuss S, Hilaire J, Creutzig F, et al. Negative emissions—part 1: research landscape and synthesis. Environ Res Lett 2018;13 (6):063001.

[8]	Baston JF, Finegold Y, Garcia C, Mollicone D, Rezende M, Routh D, et al. The global tree restoration potential. Science 2019;365(6448):76–9.

[9]

Lang C. Planting trees and restoring forests is not going to stop climate breakdown [Internet]. Redd Monitor; 2019 Aug 8 [cited 2019 Sep 10]. Available from: https://redd-monitor.org/2019/08/08/planting-trees-andrestoring-forests-is-not-going-to-stop-climate-breakdown-we-need-a-rapidend-to-fossil-energy-use-precisely-because-we-want-to-preserve-the-worldsexisting-forests/.

[10]	Realmonte G, Drouet L, Gambhir A, Glynn J, Hawkes A, Koberle A, et al. An inter-model assessment of the role of direct air capture in deep mitigation pathways. Nat Commun 2019;10:3277.

[11]

Fajardy M, Koberle A, MacDowell N, Fantuzzi A. BECCS deployment: a reality check [Internet]. London: Imperial College London Grantham Institute; 2019 Jan 28 [cited 2019 Sep 3]. Available from: https://www.imperial.ac. uk/media/imperial-college/grantham-institute/public/publications/briefingpapers/BECCS-deployment—a-reality-check.pdf.

[12]	He Y, Trumbore SE, Torn MS, Harden JW, Vaughn LJS, Dllison SD, et al. Radiocarbon constraints imply reduced carbon uptake by soils during the 21st century. Science 2016;353(6306):1419–24.

[13]	Smith P, Davis SJ, Creutzig F, Fuss S, Minx JC, Gabrille B, et al. Biophysical and economic limits to negative CO₂ emissions. Nat Clim Chang 2016;6:42–50.

[14]	Popp A, Calvin K, Fujimori S, Havlik P, Humpernoder F, Stehfest E, et al. Landuse futures in the shared socio-economic pathways. Glob Environ Chang 2017;42:331–45.