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        氣象災害
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        腦洞大開:為減緩氣候變暖,科學家開始捕捉二氧化碳

        來源:浙江大學環境與資源學院 劉強 作者: 發布時間:2022-06-15 15:34:30 瀏覽次數: 【字體:

        為了應對氣候變化災難,科學家將網撒向了天空。他們想出了一系列碳捕捉技術方案。子孫后代有救了?

                               排出的二氧化碳,真的可能捉回來嗎?|EMILY?。樱茫龋牛遥牛摇。。牵牛裕裕佟。桑停粒牵牛?/span>

        地球溫度正在上升,極端天氣、森林火災、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國際社會迫在眉睫的問題。二氧化碳作為最主要的溫室氣體,被認為是遏制氣候變暖的突破點?!疤贾泻汀钡母拍顟\而生。

        碳中和是指國家、企業、產品、活動或個人,在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量,通過植樹造林、節能減排等形式,自己抵消自己產生的排放量,實現正負抵消,達到相對“零排放”。

        在眾多碳中和技術路徑中,有一個治理思路,因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景,而格外引人注意,那便是碳捕捉。

        排出去的二氧化碳,有可能捕捉回來嗎?科技巨頭們已經開始了行動。

        2021年1月21日,特斯拉創始人埃隆·馬斯克宣布將捐贈1億美元,用以獎勵最佳碳捕捉技術?!疤疾蹲健备拍钜粫r風頭無兩。究竟是什么技術,讓頂級科技巨頭如此豪擲千金?這個以美金計價的小目標,離我們普通人又有多遠呢?

        1億美元獎勵最佳碳捕捉技術,敢不敢來玩兒?|?。兀校遥桑冢拧」倬W

        碳從何來,余額夠嗎?

        要捕捉二氧化碳,找到其來源是第一步。

        2013年,人類在夏威夷島上的環境監測站測得大氣二氧化碳濃度超過了400ppm(濃度單位,百萬分之一)的警戒線。二氧化碳濃度的持續上升成了科學家心頭揮之不去的陰霾。

        過去幾年,這個兇手造成一系列災難。2020年夏天南方洪災、今年春天德克薩斯州極寒天氣等,都在不斷沖擊現代文明的承受底線。

        眾所周知,以石油,煤炭和天然氣為代表的化石能源,是現代工業的基礎,它們都是由古代生物的遺骸經歷一系列復雜變化形成。這些深藏地殼深處,花費成千上萬年完成轉化的富碳資源,在過去不到一百年的時間,被人類挖出,提煉,轉化,焚燒……驅動人類文明走向物資繁盛,也成為二氧化碳的主要來源。

        你可能很難想象,我們手里不到200克的手機,生產過程會產生大約100千克的二氧化碳排放;汽車發動機每燃燒1升燃料,會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳;生產一公斤牛肉,會產生將近300千克的碳排放;甚至每人每天通過呼吸,也會釋放大約1140克的二氧化碳。

        這就是我們日常生活的碳足跡。排放二氧化碳就如同呼吸一樣,無處不在。但是,這些讓我們生活更美好的化工技術,卻給我們的下一代帶來無盡隱患。

        面對這一困境,各國在2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過《巴黎協定》?!秴f定》約定,各國的長期目標,是將全球平均氣溫,較前工業化時期,上升幅度控制在2攝氏度以內,并盡力將其限制在1.5攝氏度以內。

        以其目標上限2攝氏度計算,全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是第一次,人類清晰界定了環境承受的極限邊界。

        經過政府間氣候變化專門委員會(ICPP)測算,自19世紀工業革命以來,全世界累積排放已超過6000億噸,超過該預算總額的60%。根據當前的排放速度估算,若不采取強力干涉措施,全球碳預算總額將在2045年耗盡。

        碳預算超支的前景,不單指向全球升溫2攝氏度導致的海平面上升,還將宣告人類對于氣候變化調控的徹底失敗。伴隨兩極冰川融化,后續升溫速度會愈加迅速,最終釀成一場攸關人類存亡的巨大災難。

         

        如不加控制,全球碳排放余額將在2045年耗盡。|圖蟲創意

        對著天空撒網?我們是認真的

        面對窮追不舍的二氧化碳排放危機,各行各業都在積極應對,科學界更是首當其沖。

        從邏輯上講,減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向:

        一是減少輸入,即在最短時間內轉變我們的能源獲取方式,不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料,減少人類活動產生的二氧化碳;

        二是增加去路,即盡最大可能增加環境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大氣中的二氧化碳濃度。

        第一條路徑,目前可謂困難重重。因為能源是推動經濟增長的基礎,在現有技術條件下,如果立刻切斷富碳燃料作為能量供應源,會給所在國經濟帶來極大沖擊。尤其是許多國家尚未完成最基礎的工業化建設,貿然轉換能源供應格局,會直接給百姓生計乃至國家命運帶來巨大傷害,這在道義上,現實操作上都不允許。

        以中國為例,即使四十年的改革開放給我國帶來了巨大的財富積累,以及令人吃驚的基建速度,我們能夠以一種稍微激進的方式轉向水能、核能、風能和太陽能等清潔能源,這些能源也確實在迅速提高占比。然而即便在2020年,我國能源消費結構中,煤炭仍占據約60%的份額。

        因此,第二條路徑——提高環境和人工二氧化碳的固定能力——成為技術研發的焦點。

        花草樹木,不單單是美麗的人間風景,也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用,仿佛是它們給予地球的美妙祝福:吸收二氧化碳和水,合成構建植物軀干的有機物質,并釋放氧氣。森林作為陸地生態系統的主體,就是陸地上最大的“固碳倉庫”。

        然而,植物雖然能固碳,但時效性慢,難以在短時間內遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。人類自己闖下的禍終究還是要人類自己解決,工程干預進行碳捕捉,便是這一理念下的產物。

        我們嚷嚷著要征服自然,自然卻以自己的方式回以祝福,也給以嘲諷。|圖蟲創意

        人類群體中最智慧的大腦,對此給出了許多拍案叫絕的方案。

        當前碳捕捉技術的核心目的,是將人類活動產生的二氧化碳收集起來,加以儲存甚至利用,免其排放到大氣中。主要技術方向有三個,分別是:碳捕捉與儲存、碳捕捉與能源化利用、碳捕捉與資源化利用。

        碳捕捉與儲存,即從人類工業生產、或單純的化石燃料燃燒的尾氣中,分離出二氧化碳,儲存起來使其不進入大氣。該過程通過燃燒后技術,或采用低碳的燃燒前技術,直接從煙道氣流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后,再通過管道,將其注入一定深度的地下巖層中封存起來。

        通常的封存地點是廢棄油田、氣田等。雖然有研究表明,采用高壓注水等途徑,可以加速使二氧化碳以碳酸鹽的形式和地殼巖塊結合,實現穩定儲存。但這些碳,終究只是以“打盹”的形式,維持著微妙的平衡存在地殼之中。一些科學家擔心,頻繁的地殼活動,終有一天會將這些氣體送回地面,其技術安全性還有待加強。

        碳捕捉與能源化利用,則是將二氧化碳捕捉之后,再次用來獲取能量的一項技術路徑。簡單說,就是把二氧化碳變成燃料。二氧化碳一直是燃料燃燒后的尾氣成分,甚至被用來滅火,“二氧化碳燃料”這個名詞組合,都讓人有些怪異的別扭。但科學家的腦洞永遠是開區間的。碳捕捉后進行能量開發,最先人們考慮的是,采用太陽能,模擬植物光合作用,將二氧化碳固定成燃料。結果發現,即便實現了這個反應,也只能算是對高品位能源的儲能再釋放,有點得不償失。

        直到熱機工作原理的新認識出現,相關技術才開始突飛猛進。以往熱機工作都是通過燃料燃燒,加熱腔室,獲取密閉空間的氣體膨脹,從而驅動熱機運轉。容易想到,加熱不是熱機工作的目的,而只是手段。如果我們的燃料原本就是極低溫的,回復到正常溫度,也會產生巨大膨壓,即便不燃燒,也能驅動熱機運轉。

        二氧化碳恰是這樣一種神奇物質。常壓下,它以零下78.5℃超低溫、固態干冰的形式存在;到了約10個大氣壓的環境中,又會變成液體流動,便于輸送。如果用干冰作為工作介質,就可以吸收環境中的熱量,從而受熱氣化。如果這一過程被限制在一個封閉容器中,就可以得到數十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上,這種高壓、常溫氣體,完全可以推動氣動機械做功。

         

        蒸汽機(熱機的一種)可以通過燃料燃燒,將內能轉化為機械能。干冰也可以通過常溫氣化,將內能轉化為機械能。|圖蟲創意

        根據這一理念,低溫熱機迅速誕生。這幾乎是蒸汽機革命之后,人類對驅動能源做的最有意思的一次嘗試。碳捕捉完成后形成的干冰物質,作為驅動熱機運轉的燃料,氣化后釋放到空氣中,之后再次被捕捉回來,從而保持一種人類活動與大氣狀態之間的奇妙平衡。

        碳捕捉與資源化利用,則是另一個絕妙的固碳方案,即,把二氧化碳作為工業生產的原料使用。我們當前絕大多數的人造材料、合成制品,都是石油化工的產物,換句話說,都源自地球上的動植物數億年前收集的二氧化碳。理論上,以今天人類對物質的認識和改造水平,完全可以將捕捉到的二氧化碳,用于制備當前從石油衍生得到的化學品和材料。其關鍵在于,在這天馬行空的改造中,怎樣有效控制成本。

        二氧化碳是一種極其穩定的分子,作為原料參與化工合成,需要吸收大量能量。這也意味著其轉化成本非常高昂??茖W家們必須先找到一條低耗能的轉化路徑。事實上,截至當前,基于二氧化碳的產品開發技術,已經衍生出諸如建筑材料、化學品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。對于其資源化利用的明天,我們盡可拭目以待。

        很多化學品和日用品,都是來自石油的衍生品。我們可以直接用二氧化碳代替石油使用。|XPrize

        負碳而行,一場“冷靜地球”的賽跑

        2015年,政府間氣候變化專門委員會(ICPP)發布了一份《1.5攝氏度特別報告書》,清晰描繪了地球升溫1.5攝氏度后的場景:全球氣候將不可逆地加速升溫,一個越來越熱的地球將是人類的噩夢。

        讓地球“冷靜”下來,已經無需多言。

        二氧化碳作為公認的元兇,已是過街老鼠??墒?,人類過去以焚燒作為動力的生產模式,究竟有何問題?

        焚燒,可以說是人類延續最久的“超級技能”。幾千年來,焚燒的介質從木頭,油蠟,煤炭,一直到今天門類齊全的石化天然氣,文明的火把相傳至今。過去千百年,獲取這份燃燒的熱量,便是焚燒的全部意義。逃逸到大氣中的二氧化碳,似乎是一件極其尋常的事情。

        即便是到今天,我們對二氧化碳排放“大戶”,化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等,進行環境評價的時候,仍然只會關注,其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉塵等特殊化合物,作為排放主要成分的二氧化碳,卻從未被認真對待。

        而碳捕捉技術,不僅正視了這個問題,還第一次將二氧化碳作為一種資源加以注視。以人類文明發展的眼光看,比起焚燒產生的那點熱量所帶來的經濟效益,二氧化碳巨大的潛在利用價值,才是真正的寶藏。

        隨著碳捕捉技術成熟,回收成本漸低,利用捕捉的二氧化碳進行工業生產,將變得十分尋常。那些聳立的大煙囪里,涌出的大量二氧化碳,將不僅是對環境的危害,也是一種巨大的資源浪費。

        我們固然會降低碳排,以應對氣候變暖的公共危機。就如,各國政府積極發聲,先后推出符合本國國情的減排乃至碳中和的時間表;各大企業巨頭也紛紛響應,以寧德時代為代表的幾大新能源巨頭以驚人的速度崛起;蘋果、小米等手機巨頭,計劃未來十年內,所有業務、生產供應鏈及產品生命周期將凈碳排放量降至零,并砍掉新產品的充電器,以促進實現碳中和。

        哥本哈根有望在2025年成為世界上第一個實現碳中和的城市。|來自網絡

        同時,我們也對碳捕捉及其開發利用技術充滿期待。樹立正確的低碳觀念,推進相關產業發展,相信我們會在氣候失控的懸崖前,勒住奔騰的碳排野馬,從根本上解決當前的碳排難題。

        終審:甘肅省科協信息中心采編部
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