捕集1万亿吨二氧化碳

为了阻止全球升温幅度超过1.5℃，世界各国需要在2100年之前从大气中清除1500亿～10000亿吨二氧化碳，这是一项极其艰巨的任务。

理查德·康尼夫 （Richard Conniff）

不久前，人们认为只需减少温室气体排放，就能避免由全球气候变暖引发的灾难。如今看来，即使到2050年将全球年净排放量削减为零也远远不够。

德国墨卡托全球公共事务与气候变化研究所的扬·C·明克斯（Jan C. Minx）在2018年开展的一项研究表明，为了实现改善气候的目标，实现大规模的二氧化碳负排放已经成为一项“生物物理”需求。早在2016年，为应对气候变化，全球几乎每个国家在签署的《巴黎协议》（Paris Agreement）中都同意，将气温的升高幅度限制在1.5℃的范围以内（比极限值升高2℃的要求更严格一些）。明克斯和合作者在《环境研究快报》（Environmental Research Letters）上警告说，找出如何实现上述目标的方法，已经成为了一项迫在眉睫的任务。大多数科学家认为，只有将气温上升幅度限制在1.5℃以内，才能维持我们熟悉的生活方式。如今全球平均气温已比工业化之前高出约1℃。而且，（最近数十年内）气温每十年会升高0.2℃。在2018年10月的一份特别报告中，政府间气候变化专门委员会（IPCC）警告说，如果要实现上述目标，我们只有12年的时间来采取行动。

要将气温的升幅保持在1.5℃以下，需要制定具体的“碳预算”（carbon budget）。只有当我们向大气中排放的二氧化碳总量低于此预算值时，气温才不会突破极限值。明克斯和合作者表示，目前，全球每年二氧化碳排放量为400亿～500亿吨，如果继续以该趋势发展，5年后大气中的二氧化碳总量就足以使气温升幅突破1.5℃大关。因此，每当人类向大气中排放一吨二氧化碳时，就必须从大气中清除一吨二氧化碳。明克斯的研究团队估计，全球各国需要在2100年之前从大气中清除1500亿～10000亿吨二氧化碳，即每年大约清除20亿～160亿吨。如果这项措施从2050年开始，则在本世纪末每年需要清除的二氧化碳量将陡增。

明克斯和他的团队指出，为了达到这个目标，我们必须在11年之后，也就是从2030年开始，每年修建数百座二氧化碳捕集装置，包括从大气中捕集二氧化碳的大型机械设备，或者修建利用木材发电的生物能源发电厂。这些生物能源发电厂使用轮流种植的树木作为燃料，通过设备捕集排放出的二氧化碳，并将其注入地层深处进行永久封存。其他简单的技术手段包括恢复被砍伐的森林、扩大已有森林的覆盖范围、改善农田和牧场土壤质量来增加二氧化碳的吸收量，以及将特定岩石粉碎后固定二氧化碳。

但是，大多数高科技碳捕集技术的研发目前仍处于起步阶段，需要庞大的资金投入，同时伴随着巨大的失败风险和显著的副作用，比如需要占用种植粮食的农田、野生动物生存的栖息地等。

如今，开展大规模的碳捕集似乎是我们唯一的出路。2017年，美国华盛顿大学的数据学家安德里安·E·拉夫特利（Adrian E. Raftery）与合作者在《自然·气候变化》（Nature Climate Change）上撰文称，他们发现如果不采用碳捕集技术，按照目前（碳排放）的趋势，到本世纪末全球气温将上升3.2℃，升温幅度为2.0~4.9℃。随后在发表于《美国科学院院刊》（PNAS）上的一项研究中，美国得州农工大学（Texas A&M）的气候科学家Yangyang Xu与一位同事把超过3℃的气候变暖称为“灾难性的”，而超过5℃的气候变暖将会“对大多数人的生存构成威胁”。

让我们假设人类在本世纪内必须完成共10000亿吨的二氧化碳负排放量，那么在2050-2100年期间，平均每年的负排放量应为200亿吨。接下来，我们要考虑的问题是，每一种捕集二氧化碳的方法能捕集多少二氧化碳？成本是多少？由于各种方法在某些资源（如土地）的使用上存在竞争关系，什么样的组合策略是最优选择？我们能否说服各国政府，在大幅削减二氧化碳排放量的同时，还要完成负排放的目标？

从空气中捕集二氧化碳

在冰岛，雷克雅未克市（Reykjavik，Iceland）郊外的丘陵地带，有一处由卵石和苔藓构成的坚硬熔岩区。在那里，有一台大小相当于单车位车库的机器，通过化学过滤器将空气中的二氧化碳提取出来。这台机器利用周围一家地热发电厂的余热作为动力，将提取出的二氧化碳泵入七百多米深的地层中，使其与玄武岩发生反应，变成固体矿物。据瑞士新创公司Climeworks称，这是全球首个直接从空气中捕集二氧化碳并进行储存的设备，每年可封存50吨二氧化碳。

直接从空气中捕集并储存二氧化碳可能是实现负排放最直接的途径：利用大量的风扇从空中捕捉二氧化碳并将其埋存。根据科学家推测，到本世纪末时，这项技术每年可清除100亿至150亿吨二氧化碳；也有一些专家认为可能达到350亿或400亿吨。面对如此诱人的前景，许多气候科学家担心这可能会引发道德风险：人们可能寄希望于在未来通过技术拯救温室效应，从而罔顾当前的化石燃料减排计划。

更理智的结论来源于更透彻、详细的论证。2018年，发表在《环境研究快报》上的另一项研究中，墨卡托全球公共事务与气候变化研究所的萨宾·福斯（Sabine Fuss）和同事们围绕成本、副作用、环境可持续性和其他因素，对七种主要的碳捕集技术的潜力进行了预估。福斯和合作者认为，到2050年，空气直接捕集技术每年清除二氧化碳的潜力只有5亿~50亿吨——到本世纪末的清除总量仅为250亿~2500亿吨，且每吨二氧化碳的清除成本高达100~300美元。要知道，目前每辆汽车每年通常就会排放4.6吨二氧化碳。

世界资源研究所（World Resources Institute）粮食、森林与水项目部的詹姆斯·S·马利根（James S. Mulligan）坦言，“从空气中捕集二氧化碳的策略的确不是‘灵丹妙药。它不是万全之策，而是权宜之计，但我们需要它。”一些研究人员声称，可以将捕集成本控制在每吨100美元以下。如果碳捕集技术的成本下降速度与太阳能电池一样——早在20世纪50年代，太阳能设备就开始给卫星供电，但在时隔六十多年之后的今天，太阳能才实现真正的商业化普及，那在明克斯看来，“这可能就来不及了。”

此外，直接从空气中捕集二氧化碳还会消耗大量能源。美国伍斯特理工学院（WPI）化学工程系的詹妮弗·科克斯（Jennifer Wilcox）表示，“每年捕集100万吨二氧化碳，就需要一座300~500兆瓦规模的发电厂来供电。”如果采用燃煤电厂供电，那它所产生的二氧化碳排放量将超过捕集量。而如果电力来自太阳能或风力发电场，将占用约5200~7700平方千米用于农业或自然保护的土地。而与每年200亿吨的目标相比，100万吨的碳捕集量几乎不值一提。

从现在开始建造这样的工厂，或许可以积累经验和知识，对于在本世纪内实现规模化和高效的碳捕集工厂至关重要。但是，“现在就想建造出每年可从空气中直接捕集2000万吨二氧化碳的捕集系统，基本上是在浪费钱。”美国劳伦斯·利福摩尔国家实验室能源项目部的首席科学家罗杰·安尼斯（Roger Aines）这样说道，“而且，这会消耗大量的太阳能和风能，如果你有那么多的太阳能和风能，最好的办法是将其接入电网，然后关闭一座燃煤电厂。”目前，减少碳排放仍然是最佳选择。

资金难题

根据福斯在研究中提供的各种碳捕集技术的潜力，我们在2100年前最少可捕集1500亿，最多10000亿吨以上的二氧化碳。从乐观的估计来看，问题似乎解决了。不幸的是，各种技术之间存在竞争与冲突，我们不能简单地将它们可能捕集的二氧化碳数量加起来。福斯指出，我们需要做的是对各种技术进行优化组合，合理利用有利的竞争关系。例如，在实施风化增强技术的土地上，还可同时种植燃料植物，为BECCS技术提供支持。

一些科学家认为，所有这些技术还需要在研发上进行大规模投资。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的安尼斯坦言：“这将是一场漫长而艰难的战斗。”但由于过去的一些类似投资惨遭失败，而且害怕变成“挑选赢家”（picking winner），各国政府一直不愿意为负排放技术埋单。例如，美国能源部在 “清洁煤”发电的碳捕集项目上投入了巨额资金，但几乎未见成效。美国南方公司（Southern Company）在耗费75亿美元后，于2017年放弃了在密西西比州肯珀县修建清洁煤电厂的新一轮尝试，改建了天然气电厂。

既然碳排放相当于向大气中倾倒垃圾，那么可以通过征收二氧化碳排放税的方式，避免大家陷入“挑选赢家”的窘境。这样可以创造一种市场促进机制，既督促了现在的减排措施，又可以让世界各国陆续对之前的碳排放进行补偿。目前，英国已实施一项主要针对化石燃料发电厂的税法，以大约25美元每吨碳的价格征收碳排放税。在2015~2016年间，英国的煤炭排放量削减了一半。然而，大多数政府都认为这项税法对于依赖化石燃料的经济体制过于不利，故而对其避而不谈。

除少数情况外，绝大部分企业也不愿投资二氧化碳捕集技术，因为到目前为止，他们并未看到这项技术的市场前景。对于企业来说，气候治理是一项公益事业，无法从中获利。不过，情况可能正在发生变化。2018年初，美国国会批准了一系列出乎意料的税收激励方案。一项名为45Q的法案大幅提高了企业未来12年可以申请的税收抵免额度。企业可通过进行二氧化碳的捕获和封存或者以各种方式使用捕捉后的二氧化碳，从而获得每吨二氧化碳高达50美元的税收抵免。

其中，二氧化碳最具争议的用途是“提高原油采收率”。石油公司将购买的二氧化碳通过管道注入枯竭的油井中，从而把传统方法无法开采的石油从油井中替换出来。这一解决方案听上去有点奥威尔式（Orwellian）的讽刺意味，因为这意味着促进了更多的化石燃料的生产。一些环保人士认为，45Q法案只不过是另一个经过伪装的化石燃料补贴政策，并对其进行了抨击。不过，在石油开采中使用天然气或乙醇精炼厂排出的二氧化碳，并将其封存于地下，似乎的确可以减少目前的碳排放量。净化空气任务组织（Clean Air Task Force）的库尔特·瓦尔策（Kurt Waltzer）也是一位环保主义者，他认为，将二氧化碳捕集从一种排放技术转化为一种能源技术，是实现其商业化推广的第一步。而使捕获的二氧化碳从待处理的废物变为一种可以买卖的产品，可能是最终实现二氧化碳负排放的关键。

必须开始行动了

碳捕集技术、税收和市场的组合与协作，能让我们在2100年完成清除1万亿吨二氧化碳的目标吗？2018年酷热的夏季可能是一个转折点。这个夏天，美国西部就像着了火一般。四大洲的人们都遭遇了极端的热浪侵袭。仅在一周内，日本就有数千名中暑患者被送往医院。气候科学家们放弃了之前谨慎的措辞，在《美国科学院院刊》上警告说，进一步的气候变暖有可能将地球变成一个“温室地球……很可能会失控，危及很多人的安全”。德国波茨坦气候影响研究所名誉退休所长、资深作家汉斯·约阿希姆·舍恩胡贝尔（Hans Joachim Schellnhuber）告诉记者，如果这些情况仍不能引起重视，随后的连锁效应可能会导致地球环境再也无法满足全球75亿人的生存需求，而仅能养活10亿人。

尽管大量证据表明，气候变化的形势已经非常严峻，而且未来将会更加严峻。但事到如今，美国仍有一些政府官员认为气候变化似乎并非事实。而令人不安的是，即使对科学家自己来说，二氧化碳负排放技术中也有很多事情似乎是不确定的。美国弗吉尼亚大学生态学家斯蒂芬妮·罗伊（Stephanie Roe）在谈到土壤固定碳技术时说：“每个人都在讨论土壤类型、地理位置、降雨和气温情况会如何影响负排放技术的效果。”

研究人员还在讨论，哪一种技术有可能规模化，从而完成每年数十亿吨的碳捕集量，更别奢望所有技术都能如此了。美国明尼阿波利斯州大平原研究所（Great Plains Institute）的布伦丹·乔丹（Brendan Jordan）表示：“我们可能花了太多的时间来讨论这些技术能实现多大规模的负排放。我担心这会使我们停滞不前，而这样带来的后果我们却承受不起。”换言之，尽管存在不确定性，我们仍需要立刻着手开始实施负排放技术。我们正与气候变化玩着“抢椅子游戏”，当音乐停止时，可能有65亿人没有位子坐下。与这种情况相比，负排放技术的不确定性就显得微不足道了。

（Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，林然翻译，本文有删节）