海洋低碳技术或可缓解气候变化

工程（英文） ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (9) : 8 -11. DOI: 10.1016/j.eng.2024.07.017

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海洋低碳技术或可缓解气候变化

Mark Peplow

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Marine CO₂ Removal Joins Race to Scale Up Mitigation Tech

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Mark Peplow. 海洋低碳技术或可缓解气候变化[J]. 工程（英文）, 2024, 40(9): 8-11 DOI:10.1016/j.eng.2024.07.017

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2024年6月，初创公司Equatic（美国加利福尼亚州圣莫尼卡）宣布，它已开始建造世界上最大且首个利用海洋从大气中去除二氧化碳的商业规模设施[1]。该公司声称，其位于加拿大魁北克省的工厂将于2027年投入运营，满负荷运行时每天可封存300 t二氧化碳。Equatic公司已经在新加坡建造了一个类似但规模更小的设施，名为Equatic-1（图1）[2]。该项目预计将于2025年完工，每天将能够去除10 t二氧化碳。

Equatic公司是致力于开发海洋二氧化碳去除（CDR）技术的新兴科学家和企业群体中的一员，与其他专注于陆基CDR的公司一起并肩作战。越来越多的人认为，限制发电站、重工业和其他来源的排放不足以避免气候变化的最坏影响[3‒4]，CDR工作受到了这一观点的推动。

2015年，在法国巴黎达成的国际气候变化协议《巴黎协定》设定了一个目标：将全球变暖幅度限制在比工业化前水平高2 ℃以下，并努力将温度上升幅度限制在1.5 ℃以内[5]。联合国政府间气候变化专门委员会2022年的评估指出，为了实现这一目标，必须通过从大气中清除大量二氧化碳来帮助大幅减少二氧化碳排放量[6]。据估计，到2050年，每年需要清除的二氧化碳可达100亿吨[7]。随着全球变暖的加速，许多专家认为，除了减排之外，亟需采取行动去除大气中的二氧化碳[8]。

为了应对这一新挑战，目前正在投资数十亿美元来提升CDR技术，尽管许多人认为这些投资还远远不够[9]。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）海洋CDR负责人Gabby Kitch说：“这是一项艰巨的任务。”

陆基CDR项目取得了一些进展，其中最大的项目包括设计用于直接从空气中捕集二氧化碳的化工厂[3,9‒10]。2024年5月，总部位于苏黎世的瑞士公司Climeworks在冰岛开设了第二家直接从空气中去除二氧化碳的工厂，比2021年9月建成的第一家工厂大十倍[10‒11]。新工厂的设计目标是每年从空气中去除36 000 t二氧化碳，并将其永久储存于地下。然而，位于法国巴黎的可持续发展与国际关系研究所（Institute for Sustainable Development and International Relations）于2024年3月发表的一项分析发现，为满足全球CDR需求，陆基CDR势必会占用农业用地、消耗大量水资源并损害生物多样性[12]。

而海洋则不同。“海洋吸收碳的能力大约是陆地、生物群和土壤吸收碳能力总和的17倍。”Kitch说，“海洋是一个巨大的天然二氧化碳汇——每年能够吸收全球大约三分之一的碳排放。”

研究人员和公司正争先恐后地利用海洋巨大的碳封存能力，其中一些研究利用并加速了将碳封存到海洋中的自然生物过程，而另一些则使用了化学技术进行碳封存[13]。但这些方法还普遍存在争议。与直接从空气中捕集二氧化碳[10]一样，海上CDR能否在不消耗大量能源或产生过高成本的情况下以所需的规模运行，仍然存在很大的问题。人们还担心海上CDR会对沿海和水生生态系统产生不利影响[13]。

其他进行全球范围气候干预的方法（通常被称为“地球工程”）也遭到了人们的强烈反对，他们担心这种干预不仅可能破坏来之不易的减排协议，而且可能产生不可预知的、潜在的灾难性后果[14‒15]。最引人注目的地球工程项目之一是平流层控制扰动实验（SCoPEx）。该项目计划在其示范研究中使用高空气球将碳酸钙颗粒送入平流层以反射阳光[14]。但经过多年的规划和谈判，这个备受争议的项目最终于2024年3月取消[16]。

为防止海洋CDR面临类似的阻力，研究人员正致力于研究其有效性和可持续性[17]。为支持该项研究，NOAA于2023年发布了CDR研究战略，并宣布为17个研究项目提供2400万美元的资金[18‒19]。“海洋CDR是一个新兴领域，因此基础研究对其发展至关重要。”Kitch说。

许多CDR项目旨在加速自然过程（图2）。最简单的方法之一是培育红树林以及盐沼等湿地，这些地方的植物能够在土壤和沉积物中储存碳。但Kitch表示，尽管湿地在缓解日益增强的风暴和海平面上升对沿海造成的破坏方面具有重要的辅助作用，但扩大湿地规模的潜力太低，无法对CDR需求作出重大贡献[4,20]。

研究人员还试图向海洋中添加铁等营养物质，以促进进行光合作用的浮游植物的生长。浮游植物吸收二氧化碳，死后沉入海底，从而将碳封存于海底。但这种海洋CDR方法可能会无意中引发有毒藻类大量繁殖，并产生甲烷和一氧化二氮等其他强效温室气体[21]。

正在评估的另一种自然策略为养殖海藻（亦称大型藻类）并将其沉入海底，但这种方法对其他海洋生物群的影响仍未可知[18]。另一种选择是在陆地上种植作物，然后将它们倾倒在海洋中缺氧的地区，这些生物质及其碳会沉入海底，并在海底停留数个世纪而不会腐烂。采用这些方法的两家公司为Carboniferous（美国得克萨斯州休斯顿）和Rewind（以色列特拉维夫）[22]。

这种生物方法往往技术含量低、成本低，但由于其依赖生物质相对缓慢的生长，因此耗时较长。这促使其他公司将精力集中在更快的化学方法上，这些方法具有更大的快速扩大规模的潜力。Planetary Technologies公司（加拿大哈利法克斯）一直在向海洋中添加氢氧化镁，以模仿自然岩石风化过程中将碱性矿物冲入海洋的现象，从而加速从空气中吸收二氧化碳[23]。通过这种方式提高海水的pH值有助于将二氧化碳转化为可溶性碳酸氢根阴离子（HCO

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），同时通过抵消海洋酸化而使海洋生态系统受益。此前，碱度增强已被用于使受酸雨影响的湖泊恢复活力，并保护牡蛎床免受酸性水的侵蚀——酸性水会腐蚀双壳类贝壳的外壳[24]。不过，研究人员仍在评估大规模碱度增强对海洋微生物和浮游生物等其他海洋生物的影响[15]。

还有一些公司正在利用电力来进一步加速这些化学反应。Captura公司（美国加利福尼亚州帕萨迪纳市）开发了一种电化学工艺，该工艺将海水分解为氢离子和氢氧根离子，并产生两股独立的酸性流和碱性流（图3）[25]。酸性流与新鲜海水混合，将溶解的碳酸氢盐转化为二氧化碳，随后二氧化碳被捕集并封存于地质构造中。碱性流被用来将工厂中的所有水恢复到其自然pH值，然后将其排入海洋。理论上，通过上述工艺去除了二氧化碳的海水能够从大气中吸收更多的二氧化碳。Captura公司目前正与挪威能源公司Equinor（挪威斯塔万格）合作，计划于2024年晚些时候在挪威海岸开设一个试点工厂，每年可捕集1000 t二氧化碳[26]_。

与此同时，Ebb Carbon公司（美国加利福尼亚州圣卡洛斯）正在西北太平洋国家实验室（美国华盛顿州里奇兰）测试自己的碱度增强系统，并希望建立一个能够每年从大气中去除至少500 t二氧化碳的设施[27]。他们的电化学装置还产生氢气作为副产品，而氢气越来越被视为一种有潜力替代部分化石燃料使用的关键清洁能源[28‒29]。

在新加坡，Equaticg公司堪称电化学CDR技术商业化的领跑者，其示范项目落地于大士海水淡化厂。Equatic-1将使用可再生电力电解海水，以产生单独的酸性流和碱性流以及氢气[30]。然后，碱性流与空气接触，将二氧化碳捕集为碳酸氢盐并与水中的钙离子反应，形成固体碳酸钙[31]。该公司表示，形成的混合物可以被安全地排放到海洋中，从而将二氧化碳储存数万年，而固体物质也可以被提取用作建筑材料。最后，使用碱性岩石来中和酸性流，这样酸性流便可以被排入海洋。

Equatic首席运营官Edward Sanders表示，为了实现1 t CDR，该工厂需要处理220 m³海水，使用约1 t碱性岩石，同时生产30 kg氢气和250 kg碳酸钙。Sanders补充说，CDR和氢气生产的结合使该技术在经济上可行。他说：“这两种产品非常有价值且相互补贴。”

对于所有电化学方法，为电解槽供电所需的电力是其最重要的成本。Equatic公司计划在其魁北克工厂使用水力发电，并将其产生的氢气作为能源供应。Sanders表示，预计到2030年，该公司每吨二氧化碳的CDR成本将低于100美元，达到美国能源部设定的关键成本目标[32]。

支付海洋CDR费用的公司将希望确保其资金得到充分利用。其中一个主要机制涉及购买“碳信用额”——购买一吨碳封存将允许该公司排放等量的二氧化碳[33]。但这些购买的碳信用额有时无法得到仔细的验证和监测。例如，一些为获取碳信用额而种植的森林在野火中被烧毁了[34]。

Kitch说：“海洋CDR的有趣之处在于，人们正付出大量努力来制定非常严格的标准。”例如，2024年5月，Equatic公司发布了其碳核算系统的全面纲要[35]。此外，2023年，该公司与波音公司（美国弗吉尼亚州水晶城）签署了一项价值5000万美元的碳信用额和绿氢预购协议[36]。与此同时，欧盟已制定计划，为CDR技术的碳信用额制定更严格的认证框架[37]。

所有参与CDR（无论是陆基还是海洋方面的）的研究人员都强调该技术不会降低二氧化碳的减排需求，因为目前CDR项目只能从大气中去除相对少量的二氧化碳[38]。这项技术是否能在较短时间内发展到足够规模，从而在减缓气候变化方面产生有意义的影响，目前尚不清楚。但是，时间似乎不多了。Sanders说：“除非现在扩大规模，否则我们将无法应用这项技术。我们需要在5~10年内让这项技术实现大规模应用。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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