看似科幻的碳清除技術

文·圖/沈臻懿

從夢想到現實

自工業革命以來，人類社會在工業化程度提升的同時，也帶來了化石燃料大量消耗、全球森林破壞、溫室氣體效應不斷加劇等嚴峻問題。據統計，在兩百多年的時間里，人類已累計排放了2000億噸的二氧化碳。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在《關于全球升溫比工業化前水平高1.5℃及相關全球溫室氣體排放路徑的影響》特別報告中指出，相較于工業革命之前，人類活動已導致全球氣溫升高1.0℃左右，若繼續按此速率增長，全球氣溫將在2030年至2050年間提升1.5℃，這也將導致生態災害、極端天氣的產生更為密集。

IPCC指出，鑒于歷史排放的溫室氣體在數百年內會持續徘徊在空氣中，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鍵。除了大幅減少碳排放以外，還需要有大規模的碳清除技術，來消除歷史殘留的二氧化碳。科學研究表明，如果持續每年從空氣中清除100億噸的二氧化碳，那么到2050年前后，即可恢復空氣中的二度。除二氧化碳的技術方案，等產生二氧化碳氣體的排及從空氣環境中直接捕獲有空氣中直接捕獲并清除稱之為負排放，并有望降低氧化碳絕對濃度。

“空氣中捕碳”看似科幻，一旦成為現實，將幫助人避免災難性的全球氣候暖。2021年9月，一家致力于空氣捕獲除碳技術研發的公司——Climeworks，在冰島引入突破性的碳清除技術——空氣直接捕碳和存儲技術（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備一旦正式啟用，每年預計可“吞食”二氧化碳4000噸，并可將其轉化進行安全處理。在未來的4年里，Climeworks還計劃將二氧化碳清除能力再提升80倍！

“吞食”二氧化碳的技術秘密

DACS 碳清除技術在一定程度上，可以視作是一種工業化的光合作用。類似于植物光合作用將二氧化碳通過化學反應轉化為碳水化合物這般，DACS 碳清除技術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”的空氣直接捕碳設備。

DACS 碳清除技術由八個模塊化的大型收集容器組成。這些形似集裝箱的容器，每個體積約為一輛牽引車大小，內部裝有12個大型工業級風扇。根據設計參數，每個收集器的二氧化碳年捕獲量可達500噸。當設備開始運作后，內置的強力風扇能夠源源不斷地將周邊空氣“吸入”容器內。在空氣流動的過程中，其含有的的二二氧氧化化碳碳氣氣體體會會被被收收集集器器內內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被排出。當過濾材料捕捉到的二氧化碳達到飽和程度后，收集容器即會關閉，以避免過量的空氣繼續進入。

“吞食”二氧化碳的全流程需要由多個階段共同銜接而成。在“捕獲”空氣中的二氧化碳氣體后，就需要進一步考慮如何對其進行處理和清除。這一過程中，DACS碳清除技術充分利用了冰島豐富的地熱資源。通過地熱發電提供的能量，對收集容器內吸附的二氧化碳氣體進行加熱，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，并在高壓環境下經壓縮、凈化后提取出高純度的氣體。

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

提純并壓縮的二氧化碳，僅僅只是DACS碳清除技術的“中間產品”。接下來，這些二氧化碳將會以某種形式予以存儲。碳存儲的方式，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現。DACS碳清除技術的研究人員最終選擇了地質化的存儲方式，即把二氧化碳存儲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手段。同時，空氣直接捕獲與存儲的結合，也有著土地占用面積小、水資源消耗少等顯著優勢。

技術方案，包括了從煙囪等產生二氧化碳的排放點捕獲，以及從空氣中直接捕獲

DACS碳清除技術在應用時，需要將壓縮后的二氧化碳與熱水進行混合，用機械泵一并注入地表以下的巖石深處進行礦化。在時間的作用下，二氧化碳和水混合物會和玄武巖等礦物質作用，在4個月左右變為硫氫化物，歷經大約2年后結晶生成化學性質穩定的碳酸鹽。至此，一個完整的碳捕獲和存儲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技術的研究人員發現，冰島的地質構造極為適合二氧化碳的存儲。依托冰島獨特的地質條件，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，這能讓碳有更多的縫隙和空間可供填充，堪稱二氧化碳存儲的“優質平臺”。這些碳酸鹽礦物不僅可以永久埋入深層地質結構中，還可以被用來制造建筑材料、化學產品等。此外，單就從空氣中捕獲的二氧化碳而言，其在汽車行業、能源產業、碳酸飲料和食品加工等領域也頗受歡迎。

碳清除技術的發展腳步

預計年“吞食”量4000噸的DACS碳清除技術雖已達到一定規模，但其與全球氣候變暖所涉的二氧化碳規模仍有著非常大的差距。據國際能源署（IEA）統計表明，全球碳排放量主要來自能源發電供熱、交通運輸以及建筑業和制造業。這些行業領域對于碳清除技術的需求缺口依然極大。

DACS碳清除技術的優勢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碳清除技術發展的最大瓶頸就是其成本過高的問題。據測算，建造一個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技術的成本更高，用于清除二氧化碳的成本高達每噸600美元至800美元。倘若研究人員能夠找到進一步優化方案，持續推動成本降低，未來DACS碳清除技術的經濟意義還將進一步凸顯。