空气中直接捕集二氧化碳技术进展缓慢——需要大步前进

Sean O'Neill

工程（英文） ›› 2022, Vol. 8 ›› Issue (1) : 3 -5.

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工程（英文） ›› 2022, Vol. 8 ›› Issue (1) : 3 -5. DOI: 10.1016/j.eng.2021.11.005

空气中直接捕集二氧化碳技术进展缓慢——需要大步前进

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Direct Air Carbon Capture Takes Baby Steps—Giant Strides Are Needed

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Sean O'Neill. 空气中直接捕集二氧化碳技术进展缓慢——需要大步前进[J]. 工程（英文）, 2022, 8(1): 3-5 DOI:10.1016/j.eng.2021.11.005

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2021年9月，一家世界上最大的可以直接从空气中捕集二氧化碳（CO2）的工业厂房在冰岛正式开始运作。位于瑞士苏黎世的Climeworks公司声称，由其设计并建造的“Orca”工厂每年可从空气中脱除并永久储存4000 t二氧化碳（图1）[1]。
图1 Climeworks公司的“Orca”工厂毗邻冰岛亨吉德山（Hengill）的Hellisheiði发电站，可以直接从空气中捕捉二氧化碳，于2021年9月开始全面运作。来源：经Climeworks公司许可。
放眼世界，像Climeworks公司这样的越来越多的商业机构已经开始大力在工业规模上采用空气中直接捕集二氧化碳（DAC）技术。据国际能源署（IEA）的报道，2020年全球有15个从空气中直接捕集二氧化碳的工厂在运作，每年捕获二氧化碳约10 000 t [2]。如今，这一数字接近14 000 t。要实现《巴黎协定》中的气候目标，国际能源署建议，到2030年，从空气中直接捕集二氧化碳的
能力要达到1 × 107 t [2]。
目前，据估计每年由于人类活动排放到空气中的二氧化碳为4 × 1010 t，其中约一半的量可被地球自然系统吸收[3]。采取一切手段实现快速减排的计划似乎没有得到政治意愿方面的支持，即通过政府间气候变化专门委员会（IPCC）项目将全球变暖幅度控制在1.5 ℃，在2050年实现净零排放；或者将全球变暖幅度控制在2 ℃，在2070年实现净零排放[4‒6]。事实上，2021年8月9日发布的最新IPCC报告认为：“除非立即开展大规模的温室气体减排活动，否则无法将升温范围控制在1.5 ~2 ℃ [7]。
DAC先驱、美国亚利桑那州立大学坦佩分校可持续发展学院教授兼负碳排放中心主任Klaus Lackner说：“我们有义务超额实现气候目标。因此，要既能大规模从环境中直接脱除碳，同时避免产生糟糕的环境足迹。”
除了大力减排，越来越多的人认为，缓解气候变化最终还需要一系列负排放技术组合，包括DAC [8]。但是，美国伯克利州的独立非营利环境科技组织伯克利地球（Berkeley Earth）的首席科学家Robert Rhode最近总结了新兴DAC行业所面临的挑战[9]：“目前，利用DAC解决环境问题，就像用吸管（抽干大西洋中的海水）来拯救泰坦尼克号一般。”
除了Climeworks公司，该行业的另一位新秀便是加拿大不列颠哥伦比亚省斯阔米什的Carbon Engineering公司。他们已经和位于美国得克萨斯州休斯敦的开发公司1PointFive开展合作，拟建成世界最大的DAC工厂，工厂设在得克萨斯州西部的二叠纪盆地地区，具体地点尚未公布。若按计划进行，当2024年设备投入使用时，该工厂预计每年可捕获1 × 106 t二氧化碳。Carbon Engineering公司称这些二氧化碳将用于“低碳石油生产，在工序中将二氧化碳永久储存，并封存于地下实现永久除碳。”Carbon Engineering公司还计划在英国的苏格兰建设一个类似的设施，以便与阿伯丁郡的Storegga Geotechnologies公司建立伙伴关系。
从气候角度来看，除其他方法外，最迫切的需求是通过向可再生能源转化的方式，迅速降低全球碳排放量[8,10]。要防止二氧化碳排放，我们也可以在二氧化碳产生的源头（如化石燃料发电厂）将其捕获，并且在进入大气层之前把二氧化碳封存或利用起来。但在未来几十年，DAC倡导者希望通过从空气中大量捕集二氧化碳的方式来改变现状。要做到这一点，需要加快对该技术的应用。
Lackner说：“我相信DAC有望发展成一项大规模应用的技术，但这种扩大不是规模上的，而是数量上的。就像光伏（PV）技术一样，单个设施规模特别大并没有什么意义。”Lackner是一家初创公司Carbon Collect的科学顾问，该公司总部位于爱尔兰的都柏林。该公司已设计出其所谓的“机械树”（图2）。这些10 m高的装置由水平堆放的吸附材料圆盘组成。周围的风吹动空气经过圆盘，二氧化碳便和吸附剂结合。当树脂的吸附剂与二氧化碳结合达到饱和时，塔形装置向下收缩并封存于基层单元，基层单元内温度或湿度的变化使得二氧化碳释放出来，从而被捕集[11]。Lackner声称，每棵“机械树”捕获的二氧化碳量比自然树多1000倍。最新版本的全尺寸原型机将于2021年年底安装在亚利桑那州立大学校园。
图2 艺术家对Carbon Capture公司“机械树”做的可视化设计。每棵树包含一个由与二氧化碳结合的树脂吸收剂制成的水平圆盘阵列。当圆盘捕集足量二氧化碳时便会下陷至底部，在底部经诱导释放二氧化碳以进行捕集。来源：经Carbon Capture公司许可。
Climeworks公司也采用了模块化手段。像运输集装箱一样，对“机械树”单元进行堆叠（图1）。这些单元装置通过风扇吸入周围空气，使其通过公司所谓的“高选择性过滤材料”。当过滤材料吸入足量二氧化碳后，单元装置关闭，过滤器加热至100 ℃，使得气体释放并被收集起来（图3）。公司称，模块化的主要好处是，生产中的单元装置运用的都是最新且最有效的技术。Climeworks公司的联合创始人兼联合首席执行官Jan Wurzbacher在2021年9月14日公司组织的直接空气捕集峰会[12]上说：“‘Orca’工厂使用的是公司的二代技术。10年后，第三代技术将引领我们实现更多百万吨级规模。依照该速度，我们将在本世纪中叶实现千兆吨级规模。”
图3 （a）Climeworks公司的“Orca”工厂采用DAC技术，利用矿物质与永久地质储存相结合进行运作；（b）邻近的地热发电厂为Climeworks公司的工序提供热量，“Orca”工厂捕集的二氧化碳由合作伙伴公司Carbfix注入地下。来源：经Climeworks公司许可。
成本是决定DAC技术未来发展的一个关键因素。目前，DAC技术对大多数组织来说价格过高。Climeworks公司未说明其工序成本，但永久脱除二氧化碳的价格高达1150美元·t-1。公司已经和一些知名企业如微软等达成协议，并宣布到2030年实现负碳排放，甚至到2050年脱除空气中的历史碳排放[13]。位于美国加利福尼亚州旧金山的支付平台Stripe正向Climeworks公司支付854美元·t-1的价格[14]。
英国爱丁堡大学地质科学教授兼苏格兰碳捕集与封存研究小组主任Stuart Haszeldine说：“现在，一些企业现金流充裕而二氧化碳排放量相对较低，但为了充面子也向我们购买该技术。我对此表示欢迎，但大家不能都这么干。如果价格能降到每吨200~100 美元，就是一个可接受的价格范围，这将是一笔很大的生意。”
Lackner也表示同意：“在处理千兆吨时，没人能负担得起每吨800美元的二氧化碳捕集成本。但是，如果DAC技术遵循许多其他大规模生产的技术，诸如光伏，那么产量每增加一倍，成本能下降20%。”他的计算表明，要把碳捕获价格“打下来”，达到每吨100美元，需要投资几亿美元[15]。Lackner说：“但是，如果DAC成本不符合这一成本曲线，你花2亿美元弄明白这件事，也是个非常值得的教训。”
一些评论家担心，不断激增的DAC工厂最终可能产生巨大的能源需求[16]。Lackner说：“提高碳捕集过程的效率至关重要。当你燃烧汽油时，每获取700 kJ的能量便会产生1 mol二氧化碳。要从空气中抽取1 mol二氧化碳，只需要22 kJ，因此热力学要求相当小。但目前还没人接近这一水平，因为我们都刚起步。”
DAC技术要发展到具有影响力的水平，另外一个关键因素是建立一个规范化的二氧化碳处理市场。Haszeldine说：“需要迫切解决的是捕获和储存的证据。世界上所有的碳市场都缺少对捕获的二氧化碳长期储存的认证。有效认证使得最后阶段的价值被体现出来。现在，我们有许多自发形成的碳市场，其中，一些公司称‘你如果付钱，我们承诺找到避免排放一吨CO2的方法’。但是无人知晓这些承诺最终会有多少能兑现。碳补偿目前好比西大荒（Wild West），几乎没有人监管。”
没有成熟的负排放技术组合，就不可能打造净零排放的世界，因为即便在最乐观的气候情景下，碳排放也不可避免，比如航空业的碳排放[8]。Haszeldine说：“但是对气候持乐观态度的人并不多。到2050年，对《巴黎协定》进行下一次审查时将为时已晚。”
Lackner说：“我们的车进发速度太快，并且即将遇到一个弯道。在这里我们毫无疑问会撞上护栏。问题是如果翻车，我们会因此受到损伤，所以必须现在开始采取行动，把损伤降到最低。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Climeworks begins operations of Orca, the world’s largest direct air capture and CO₂ storage plant [Internet]. Zurich: Climeworks; 2021 Sep 8 [cited 2021 Oct 18]. Available from: https://climeworks.com/news/climeworks-launchesorca.
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[3]

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Höhne N, den Elzen M, Rogelj J, Metz B, Fransen T, Kuramochi T, et al. Emissions: world has four times the work or one-third of the time. Nature 2020;579(7797):25–8.
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