“二氧化碳滤除”能拯救地球吗?

2017-12-04 08:50作者:宇来源:南方都市报编辑:谢烨挺
科学家普遍认同,二氧化碳很快将达到一个灾难性的水平。在此背景下,二氧化碳滤除也许是地球唯一的出路,它不仅能够延缓二氧化碳的浓度增加,还能逆转大气中的温室气体水平,这个新兴的地球工程行业的产值可能突破一万亿美元。

   科学家设想在室外种植“人造树”,直接从空气中滤除二氧化碳。

   物理学家克劳斯·拉克纳。很多现有的二氧化碳滤除技术都建立在他的理论之上。

   碳工程公司发明了一套系统,它能够过滤空气中的二氧化碳,用于生产碳密度低的液体燃料。

   根据拉克纳的二氧化碳滤除构想,未来的大楼外部也可能使用二氧化碳滤除材料。

科学家普遍认同,二氧化碳很快将达到一个灾难性的水平。在此背景下,二氧化碳滤除也许是地球唯一的出路,它不仅能够延缓二氧化碳的浓度增加,还能逆转大气中的温室气体水平,这个新兴的地球工程行业的产值可能突破一万亿美元。

比尔·盖茨投资的碳工程(Car-bon Engineering)公司坐落在一小块伸入海峡的土地上,距离温哥华北部一小时车程之外。不久前,这片土地还曾被有毒化学物污染。公司设备安装在一栋外形类似谷仓的建筑里,过去这里是一个污水处理设施。从公司办公楼可以看到加里波第山优美的景色。为了对抗海平面上升的影响,当地政府计划将周围地区填高6英尺。然后用于修建豪华公寓。

碳工程的首席执行官亚德里安·科勒斯(Adrian Corless)现年51岁,个头不高,一头黑发,长着个方方的下巴,一脸严肃的表情。我们穿上防护服准备进入谷仓形建筑时,他突然问“你戴隐形眼镜了吗?”如果戴了隐形眼镜我必须采取额外的保护措施。因为建筑内使用的化合物会导致隐型眼镜融化,粘到我的眼球上。

在建筑内部,四周的墙壁上、天花板上到处是像蛇一样四处延伸的管道,机器的噪音震耳欲聋。在一个角落,一个类似超大号沙滩包的容器内装满了好像白沙的东西。科勒斯解释说,这是石灰石,即纯粹的碳酸钙。

科勒斯和他领导的团队的工作介于有毒废料清理和炼金术之间。他们设计了一种能够将二氧化碳从空气中滤除的方法。每天,这座工厂里,约一吨曾经漂浮在加里波第山上的二氧化碳被转化成白沙状的碳酸钙。下一步再通过加热这些白沙逼出其中的二氧化碳,然后将这些气体储存到密封罐中。剩下的钙又可被重新用于生产过程。

科勒斯说,“如果我们能够建立一个成功的碳滤除产业,它将拥有价值上万亿美元的市场。”

今年4月,地球大气中的二氧化碳浓度再创纪录,达到百万分之十。这个浓度可能已经达到350万年前上新世的水平,当时地球两极的冰盖面积大幅缩小,海平面比现在要高60英尺。今年的纪录将被明年打破,明年的纪录又会被后年超越。即使地球上每一个国家都兑现了在巴黎气候会议上的承诺(美国已经公开撕毁巴黎协议),大气二氧化碳依然会达到灾难性的水平,甚至可能已经突破危险的分界线。

在此背景下,二氧化碳滤除可能成为一个产值上万亿美元的产业,它不仅能够延缓二氧化碳的浓度增加,还能逆转大气中的温室气体水平,因此这个过程又被称为“负排放”。碳滤除工厂可以修建在任何地方或所有地方。这样的工厂如果足够多,即使人类依然毫无节制地燃烧化石燃料,理论上,依然可以避免气候灾难。在一些人看来,这一技术可能是人类最后的保险措施,但另一些人则认为它可能纵容肆无忌惮的排放。

理论先驱

除了碳工程,还有其他几家公司在努力证明碳滤除技术的可行性,其中包括纽约的全球温控器(Global Thermostat)和苏黎世的Climeworks(气候工程)。这些公司使用的技术都源于物理学家克劳斯·拉克纳(Klaus Lackner)。他在坦佩的亚利桑那州立大学任教。7月,我登门拜访的拉克纳那天坦佩的气温高达华氏112度(44.4摄氏度)。

65岁的拉克纳高大瘦削,头发灰白,谢顶后露出突出的额头。他出生于德国,上世纪70年代移居加利福尼亚,成为乔治·茨威格(夸克的发现者之一)的学生。几年后,拉克纳加入洛斯阿拉莫斯国家实验室,研究核聚变。核聚变是恒星和热核炸弹的能量来源,在当时被认为是解决世界能源问题的关键。如果人类能够驾驭核聚变,就能用氢的同位素生产大量清洁能源。但拉克纳意识到,至少还要等几十年聚变反应堆才能从理论变成现实。几十年后的今天,科学家普遍认同,真正掌握并使用这一技术至少还要等几十年。与此同时,不断增长的地球人口却需要越来越多的能源,而这一需求主要通过化石燃料来满足。

拉克纳说,“我可能比大多数人都更早意识到‘化石燃料衰落’的预言被严重夸大。”事实上,目前,化石燃料提供了全球80%的能源。这个比例自上世纪80年代中期以来一直变化不大,这个期间全球能耗接近翻倍,煤炭、石油、天然气等化石燃料的消耗量同样翻倍。

上世纪90年代初,拉克纳和朋友克里斯托夫·温 特(Christopher Wendt)在喝啤酒时偶然讨论起,为什么大家不再尝试疯狂但伟大的项目。”最终,两人联名发表了一篇满载公式的论文,提出自我复制的机器最终将解决世界的能源问题,同时清除燃烧化石燃料留下的排放物。这些机器用太阳能电池板驱动,在自我复制过程中,它们会制造更多的太阳能电池板,而原料就是它们从普通土壤中提取的硅铝等元素。随着电池板不断增加,它们制造的能源将呈指数级增加。覆盖38.6万平方英里(比尼日利亚国土面积稍大,但比很多沙漠小)的太阳能电池板阵列将完全能够满足全世界的能源问题。

这些太阳能阵列还能够滤除空气中的二氧化碳。根据拉克纳和温特估计,这座尼日利亚面积大小的太阳能电站只需要5年时间就能滤除人类排放的所有二氧化碳。这些二氧化碳将被转化成石头(类似碳工程公司生产的白沙)。它们足以将整个委内瑞拉填高1.5英尺。

自我复制能源机器的想法毕竟太遥远,但拉克纳因此开始关注二氧化碳滤除课题。他开始发表相关演讲和论文。一些科学家认为他疯了,另一些则认为他颇有远见。

2000年,拉克纳接受了哥伦比亚大学的工作邀请。抵达纽约后,拉克纳决定研究碳吸附技术,并希望说服邮购公司Lands’End的创始人加里·科姆(Gary Comer)成为这个项目的投资人。科姆的投资顾问认为这项投资太冒险。但科姆依然同意拿出500万美元。拉克纳用科姆的投资创建了全球研究技术(GRT)公司,最终建造了一台小型碳滤除原型机。当GRT寻求新一轮投资时,不巧遭遇全球金融危机。由于无法筹集足够的资金,公司被迫停业。

吸碳装置

随着地球持续升温,二氧化碳浓度持续攀升,拉克纳认为,最终“负排放”将是人类不可避免的道路。2014年,他在亚利桑那州立大学创建了“碳负排放研究中心”。他设计的各种二氧化碳滤除都在距离他的办公室几个街区的一个车间内组装完成。我前往采访那天室外气温非常高,5分钟的路程我中途歇了好几次。拉克纳一边提醒我脱水的危险,一边递给我一瓶水。

车间内,一名工程师正在摆弄一个看上去像折叠沙发“内脏”的东西。真正的沙发内部是弹簧或海绵垫,而这个“沙发”里面装满了排列整齐的塑料带。每条带子上都镶嵌了成千上万颗微小的琥珀色珠子。这些可以成卡车购买的珠子由树脂做成,通常用于水处理,可以去除硝酸盐等化学物质。拉克纳偶然发现这些珠子在干燥状态下可以吸收二氧化碳,打湿后则会将其中包含的二氧化碳释放出来。拉克纳设想,可以把它摊开放在干燥的空气中,吸饱二氧化碳后,再将装置折叠起来放进密闭的水箱,这时,干燥状态下吸收的二氧化碳被释放出来,通过管道输送到储存地点。折叠沙发式的装置可以反复使用,不断重复这个过程。

拉克纳估计,一个半挂车大小的装置每天可以吸收一吨二氧化碳,一年吸收365吨。全球的汽车、飞机、炼油厂、发电站每年排放360亿吨二氧化碳。“如果建造一个大小相当于半挂车体积1亿倍的装置,就能解决目前的排放问题。”拉克纳承认,这个数字听上去有点吓人。但是,苹果智能手机十年前才问世,现在全球已经有7亿个iPhone。他说,“而我们目前还刚刚起步。”

在拉克纳看来,避免“灾难”的关键在于换一种方式思考。“我们需要改变观念。”他认为,我们应该像看待污水、垃圾一样看待二氧化碳,没有人期待人类会停止制造垃圾。

他说,我们在气候变化问题上进展缓慢的原因之一,是这个问题被染上了道德色彩,因而导致人们的分歧。如果二氧化碳被简单地当作另一种需要处理的工业垃圾,那么我们就可以停止争论,开始采取实际行动。

2摄氏度目标

1754年,苏格兰物理学家约瑟夫·布莱克(Joseph Black)“发现”了二氧化碳。又过了十年,另一位苏格兰人詹姆斯·瓦特发明了更高效的蒸汽发动机,揭开了工业化时代的序幕,后人又称之为“排放时代”。据估计,到19世纪末,人类活动导致地球的平均气温上升0 .1摄氏度。

现在,全球平均温度和布莱克的时代相比增加了整整1摄氏度,后果变得更加明显:热浪越来越致命,暴雨更强烈,干旱更持久,山火季节大幅延长,海平面不断上升,热带风暴更剧烈更频繁。今年的飓风哈维就是一个典型例子。与此同时,更多的热量被锁在大气层中。据估计,按目前二氧化碳的浓度,地球的平均温度还要上升0 .5摄氏度才能与之平衡。平均每十天,又有10亿吨二氧化碳被排放到空气中。上月,世界气象组织宣布,2016年,大气二氧化碳浓度增速创下新纪录。

没有人知道,究竟气温再升高几摄氏度将会导致不可挽回的灾难(比如沿海城市被淹没、珊瑚礁等重要生态系统崩溃)。官方公认的阀值是超过工业化之前水平2摄氏度。2015年的巴黎气候会议上,世界领导人决定升温2摄氏度依然太高,试图将升温范围控制在1.5摄氏度以内,由于相比工业化之前,地球气温已经增加了1摄氏度,只剩下0.5摄氏度的增长幅度,1.5摄氏度的目标几乎成为不可能的任务。2摄氏度的目标同样遥不可及,除非世界开始大规模地滤除二氧化碳。

当政府间气候变化委员会(IPCC)在研究将升温幅度控制在2摄氏度之内的方法时,考虑了超过一千种可能的方案。其中只有116种能够达到这一目标,其中108种包含“负排放”。拉克纳说,“我认为可以这样解读IPCC研究的结果:‘我们尝试了很多方案,其中几乎所有安全的方案都要用到某种形式的二氧化碳滤除,否则我们只能走进死胡同。’”

根据IPC C设想的方案,最终需要从大气中滤除上千亿吨二氧化碳,如何处理它们同样是一个大问题。二氧化碳可以和钙结合生成石灰石(碳酸钙)。但纯钙并不是可以轻易获得的天然原料,生产钙的过程也会排放二氧化碳,结果适得其反。另一种方法是将碳直接封存在地下。

碳封存项目

伊利诺伊州地质勘探局的能源研究及开发主任萨利·格林伯格(Sallie Greenberg)说:“如果你只是想把二氧化碳储存起来,那么你需要寻找特殊岩石形成的天然‘容器’。”那是个晴朗的夏日,我们正驱车穿越伊利诺伊州中部的玉米地,我们脚下的岩层叫做欧克莱尔页岩,再往下是西蒙山砂岩。过去十年,格林伯格和一个由工程师、地质学家和钻井工人组成的团队不断将二氧化碳注入这个岩石“容器”,同时研究这样做的效果。当我在电话中提议她带我参观这个位于迪凯特(伊利诺伊州中部城市)的二氧化碳封存项目时,她警告说,“你可能会失望,其实那就是一口井而已。”

我们的汽车在一幢外形像滑雪小屋的建筑外停下。这里是伊利诺伊州地质勘探局、美国能源部及里奇兰德社区大学合作创办的国家碳封存教育中心。教室里摆放着演示碳封存原理的模型。其中一个模型是一根9英尺高的柱子,上面间隔的棕色和褐色横条代表了我们脚下不同的岩层。柱子一边用一根长箭头指示目前格林伯格的碳封存项目已经钻到了地下哪一层。箭头向下,穿过新阿尔巴尼页岩,再穿过马科基塔页岩,以此类推,继续向下一直延伸到地板。

教育中心主任大卫·拉里克(David Larrick)说,除了学生之外,中心还接待了很多社区团体。“这是非常直观的演示模型,”他指着旁边的柱子说。有时候,附近的农场主担心这个项目可能影响他们的水源。这个柱子模型显示,封存二氧化碳的地方非常深,与上面农场的水井相隔足有一英里。因此这个项目在当地的支持率非常高。

参观完中心后,格林伯格和我继续开车前行。很快我们就穿过了ADM (阿彻·丹尼尔斯·米德兰)工厂的大门。工厂的规模非常大,堪比一座小镇。

格林伯格解释说,我们即将参观的这个项目是美国能源部资助的七个碳封存可行性研究项目中的一个。该项目始于乔治·W·布什担任总统的时期。格林伯格和她的团队搜寻了大量的地质档案,终于找到一个合适的测试地点。和石油勘探者一样,他们也需要找到一个上面被不透水岩层隔断的多孔岩层。不同之处在于,前者的目的是开采化石燃料,而他们要把燃烧化石燃料产生的副产品封存回地下。

接下来一步是寻找现成的二氧化碳来源。ADM的工厂将玉米转化成乙醇(生物燃料),这个过程的一个副产品就是纯度接近100%的二氧化碳。在奥巴马执政时期,100万吨二氧化碳被注入地下。严格的监控显示,这个岩层储罐很安全,并无二氧化碳逃逸的情况。

然后,我们参看了一些检测设备。现场有两位正在工作的工程师尼克·马尔克维茨(Nick Malkewicz)和吉姆·科克西(Jim Kirksey)。确实就像格林伯格所说,碳封存现场太普通了,就只有一堆露出地表的管道和阀门。当我问到碳封存的未来。马尔克维茨说,“我认为这项技术绝对是可行的。现在唯一的问题是,人们愿不愿意去做。”

CCS和beccs

2003年,迪凯特项目启动时,除了克劳斯·拉克纳之外,几乎没有人想过滤除空气中二氧化碳。当时的目标只是证明相对简单的“碳捕捉和储存”(CCS)技术的可行性。CCS是指将电站、钢厂、水泥厂或其他大型碳排放企业制造的二氧化碳收集起来(又称为“燃烧后捕捉”),再利用高压将气体注入合适的岩层封存,理论上,除非发生剧烈地壳运动,这些气体可永远被储存在地下。这个过程后来被委婉地称为“清洁煤炭”。因为,如果严格遵循计划,安装CCS系统的电站的碳排放量只有传统火电站的零头。

多年来,民主共和两党都竭力宣传清洁煤炭是拯救采煤行业、保护环境的有效途径。煤炭行业表面上都支持这一技术。现任美国总统特朗普也多次鼓吹清洁煤炭,但他似乎并不理解这个词的真正意义。

目前,美国只有休斯敦附近的佩特拉诺瓦(Petra Nova)火电站在大规模使用燃烧后碳捕捉技术。其他类似试点计划陆续被取消,最近一个例子是密西西比州的肯佩县火电站。今年6月,火电站母公司宣布将更改发展方向,取消碳捕捉计划,改烧天然气。

接受采访的多名专家认为,CCS无法推广的主要原因是缺乏动力。从烟囱收集二氧化碳需要消耗很多电力,相当于一家典型火电站产能的25%.当然,最终这将转化为成本。在这个可以免费向空气中排放二氧化碳的时代,哪家公司会自愿给自己增加成本?

虽然,CCS的实际推广几乎陷于停顿,理论上,这一技术却日益受到重视。以升温不超过2摄氏度为目标的几乎所有有效应对方案都要求CCS得到普遍应用。这还不够,要避免不可逆转的灾难,还需要一种更高级版本的CCS,简称beccs.

beccs是“生物能源与碳捕捉储存”的缩写,它需要充分利用碳工程最原始的形式:光合作用。植树是碳滤除的一种低科技形式。当树木腐烂或是用作燃料燃烧掉,它们吸收的二氧化碳被释放回大气中。如果一家火电站用木材或玉米杆为燃料,再用CCS封存燃烧产生的二氧化碳,这个碳循环圈就会被打破。碳首先被绿色植物从空气中滤除,然后再被封存到地下。beccs不但能够实现负排放还能生产电能。至少从电脑模型上看,这一安排方便又有效。

无奈的现实

碳滤除中心没有自己的办公室,它的办公地点位于奥克兰的一处联合办公空间内。中心总经理诺亚·戴奇(Noah Deich)2009年从弗吉尼亚大学毕业后开始为华盛顿一家咨询公司工作。这家公司专门为企业提供减排建议,以准备应对一个再也不能无偿向空气中排放温室气体的时代。当时奥巴马刚刚就任总统。美国众议院通过了限制排放的立法。但是这份法案被参议院否决。减排政策成为空谈,在此背景下,戴奇说,“模拟减排政策的影响似乎再也没有意义。”他跳槽到另一家咨询公司,之后又进入加州大学伯克莱分校商业学院继续学习。在伯克莱,戴奇曾和一些气候和政策专家交谈。他回忆说,“他们告诉我,‘气候模式显示了对负排放的迫切需要,但是我们不知道如何才能实现负排放,也没有人真正在研究这个问题。’”

商业学院教会戴奇通过案例来思考问题。在他看来,太阳能是一个理想的参考案例。早在上世纪50年代光伏电池就已诞生,但在之后的几十年里,它们一直非常昂贵。然后,电池板的价格开始下降,需求随之增长,反过来又促成价格下降,直至今日,在世界的某些地区,太阳能的成本已经能够和火电竞争。

戴奇说,“太阳能变得具有竞争力的原因是,各国政府为这个行业投入了很多资金。德国等国家决定由政府补贴太阳能,以帮助创造一个先锋市场。中国则大力投资太阳能的生产。相反,在美国,各州政府说,‘大家应该使用可再生能源,’消费者反问,‘嘿,我要去哪里买可再生能源?’”

在戴奇看来,从技术研究、创造先锋市场到刺激消费需求,碳滤除完全是一块空白。他决定改变这一现状。2015年,他和伯克莱校友吉雅娜·阿玛多(Giana Amador)一起创建了碳滤除中心,并获得了加州大学15万美元的研究经费。现在,中心有7名员工,年预算约100万美元,大多通过私人捐款人和公益基金会筹集。戴奇说,“我们正在思考如何让它(碳滤除)引起政府和公众关注?”

别无选择

碳滤除不容忽视的一个原因,是人类的未来可能已经寄托在它之上。IPCC的各种控制气温方案和相关的气候协议都离不开负排放。然而,我采访的每个人,包括碳滤除最狂热的支持者都强调,这是一个艰巨的挑战,无论在技术、政治和经济方面都存在不少障碍。要真正取得明显的效果,必须依靠规模化,像不列颠哥伦比亚的碳工程公司使用的直接从空气中滤除碳的技术需要巨大的基础设施支持,同时还要消耗大量电力。和火电站烟囱排放的气体相比,空气中二氧化碳的浓度低得多,因此,直接从空气中滤除二氧化碳比CCS需要多得多的电力。这部分电力必须来自零排放的清洁能源,否则这个过程将变得毫无意义。

“我这样说也许违背自身利益,但我认为,长期来看,讨论碳滤除话题很傻,”在哈佛教授能源和公共政策的碳工程公司创始人大卫·基斯(David Keith)说,“因为现在就采取行动减少排放显然比大规模实施碳滤除要简单划算得多。”

beccs的实施不需要太多能源;但它需要大面积的可耕作农田。其中大部分可能需要占用农业用地,在这个全球人口和粮食需求不断增加的时代,无论怎么看这都是一个艰难的取舍。据估计,按照升温低于2摄氏度的目标,规模化推行beccs需要占用相当于印度国土面积的土地。英国的两位研究人员纳奥米·沃恩(Naomi Vaughan)和克莱尔·高夫(Clair Gough)最近进行了一次beccs实验,他们的结论认为“关于生物能源部署规模的假设”大多是“不切实际的”。

由于这些原因,很多专家认为,哪怕只是谈论(或撰文报道)负排放都是危险的。这类言论给人留下‘即使拖延行动,依然可以避免气候灾难’的错误印象,但更可能的情况是,持续的不作为可能带来更严重危机。

也有一部分人认为,现在争论负排放言论的危险已经没有意义。曾担任美国能源部长首席助理的朱利奥·弗里德曼(Julio Friedmann)说,“关键的是,我们将不得不依靠直接从空气中滤除二氧化碳,所以我们需要相应的技术。无论这样做是不是明智,是不是最佳途径,是不是最节省成本的办法,我们都必须这样做。”

“如果你对我说,我们现在还不知道这种技术是否可行,我并不否认这一点,”克劳斯·拉克纳说,“但是,除此之外,我们别无选择。”

上月,特朗普政府宣布废除旨在削减发电站碳排放的“清洁能源计划”。这个奥巴马政府批准的计划制定了非常现实可行的减排目标。然而,在当前美国政府看来,这些减排目标还是太野心勃勃了。这个计划的废除可能导致排放到大气中的二氧化碳增加几亿吨。

几周后,联合国环境规划署发布年度《排放差距报告》。今年的报告首次包括了一个关于负排放的章节。其中写道:“为了实现‘巴黎协定’的目标,二氧化碳滤除将是必要举措。”

作为最后的无奈之举,碳滤除从本质上说是矛盾的。它可能被证明难以实施,但除此之外,人类已经看不到其他的出路。

原载:https://www.newyork-er.com/magazine/2017/11/20/can-carbon-dioxide-removal-save-the-world

原文:Elizabeth Kolbert 编译:宇

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