前沿熱點丨利用負排放技術減緩氣候變化

本文選自中國工程院院刊《Engineering》2019年第6期

作者：Chris Palmer

來源：Mitigating Climate Change Will Depend on Negative Emissions Technologies[J].

Engineering.2019,5(6):982-984.

導語

自工業時代以來，全球平均氣溫上升了約1 ℃，為了避免發生災難性的氣候變化，《巴黎協定》設定了防止全球平均氣溫上升超過2℃、理想情況下不超過1.5 ℃的目標。為減緩全球氣候變化，從空氣中去除和隔離CO₂的負排放技術（NET）將發揮重要作用。

中國工程院院刊《Engineering》刊發《利用負排放技術減緩氣候變化》，詳細介紹了負排放技術的特點、成本、碳去除能力以及應用潛力。文章指出，在負排放技術中，造林和重新造林是最便宜的方案；最貴的方案是直接空氣捕獲（DAC），涵蓋了一系列的工程化系統，包括先從空氣中去除CO₂，再將CO₂埋在地下的舊油氣儲層或鹹水含水層中；介於造林和DAC之間的方案是生物能源與碳捕獲和儲存（BECCS）技術。文章也指出，負排放技術可看作一套組合，部署相關技術方案時要考慮成本、有效性、可用性、安全性和永久性。

根據美國國家科學、工程與醫學研究院（NASEM）2018年年底發布的一份報告，從空氣中去除和隔離CO₂的負排放技術（NET）將在減緩氣候變化方面發揮重要作用。報告呼籲啟動實質性的研究計劃以儘快推進這些技術。

自工業時代以來，人類活動——主要是燃燒化石燃料和向大氣中排放CO₂——已導致全球平均氣溫上升約1 ℃。為了避免發生災難性的氣候變化，195個國家在2015年共同籤署了具有裡程碑意義的《巴黎協定》，設定了防止全球平均氣溫上升超過2℃、理想情況下不超過1.5 ℃的目標。

但挑戰是艱巨的。要實現在未來十年將全球溫室氣體排放量減少一半，並在2050年左右實現「淨零」排放的目標，這需要付出巨大努力。據估計，實現全球平均氣溫上升不超過1.5 ℃目標的機會只有三分之二。這意味著世界上每個經濟體的每個部門——電力、交通、工業、農業——都需要在2050年前實現平均零排放。政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）是世界上最重要的減緩氣候變化的權威機構，委員會根據《巴黎協定》設定的排放目標評估了最經濟可行的途徑。位於德國柏林的科學政策智庫——墨卡託全球公共資源與氣候變化研究所——可持續資源管理與全球變化工作組組長、經濟學家Sabine Fuss表示：「沒有一條通往1.5 ℃目標的路徑可以在完全不去除一些CO₂的情況下發揮效果。」（圖1）。

圖1 傳統減排技術與CO₂去除相結合的減排預測。（a）情景文獻中的CO₂排放途徑；（b）技術示例。如果沒有傳統減排技術（「一切照舊」），排放量將繼續上升。相對於工業化前水平，至少有三分之二的機會將全球平均氣溫的上升幅度控制在2 ℃以下，若想實現這個目標，就需要將傳統減排技術與NET結合起來。在這種「低於2 ℃」的情景下，全球淨排放水平在2075年左右將變為負

由2017年的一項元分析可知，利用NET每年可捕獲相當於370億噸的CO₂，成本低於每噸70美元，這將抵消2018年某項研究估計的約371億噸的當前全球CO₂年排放量。最近，Fuss和他的同事們評審了2092份與7種不同NET有關的文件（圖2），預測了這些技術能從空氣中去除多少CO₂及其所需成本。

圖2 NET及其主要特點，包括成本、碳去除潛力、儲存持久性以及發展狀況和部分副作用。t·CO₂^–1：每噸CO₂；Tech：技術；GHGs：溫室氣體

造林（afforestation）和重新造林（reforestation）是最便宜的方案，每去除一噸CO₂的成本在10美元到幾十美元之間。Baston等在2019年的一項研究中計算出，理論上，有近10億公頃的土地可以種植新的樹木，從而使地球上能夠支持樹木生長的土地總面積達到44億公頃。一旦成熟，新種植的5000億棵樹可以儲存2000億噸碳。然而，這一方案的問題是，樹木需要50~100年才能成熟，許多樹木還需要種植在積雪的北部地區，而這些地區會將大量的太陽輻射反射回太空。另外，還有一些其他的問題。「像造林這種基於土地的解決方案非常令我擔憂。」Fuss在墨卡託研究所的同事、應用可持續性科學工作組組長、經濟學家Jan Minx說。「土地實際上非常稀缺，我們需要土地來養活人民。隨著治理方式的改變，或者由於氣候變暖導致森林火災持續增加，樹木很容易會再次消失，碳會立即釋放回大氣。」

最昂貴的NET方案是直接空氣捕獲（DAC），這種方案涵蓋了一系列的工程化系統，包括先從空氣中去除CO₂，再將CO₂埋在地下的舊油氣儲層或鹹水含水層中。研究人員已經在小範圍內對DAC的成本進行了測試，每去除一噸CO₂的成本約為數百美元或更高。2019年的一項研究表明，到2100年，該技術可能需要消耗全球能源供應的四分之一。但是，這項技術可能是所有NET中CO₂去除潛力最高的。「DAC的一大優勢是，它可能比其他技術更具可擴展性。」Minx說。Minx是2018年NASEM最終報告的評審人，他的工作以及與Fuss共同進行的工作在報告中被廣泛引用。「這有點像太陽能，原則上，DAC模式可以被應用在任何地方。」

就成本和碳去除潛力而言，介於造林和DAC之間的方案是生物能源與碳捕獲和儲存（BECCS）技術。這項技術是通過在發電廠燃燒植物燃料或生物質來發電的。但該過程產生的CO₂並沒有被排放到大氣中，而是被泵入地下，每去除一噸CO₂的成本估計在100~200美元。這項技術是可行的，但需要大規模推廣才能發揮作用。中國目前有17座大型碳捕獲和儲存工廠，每年可去除排入大氣的CO₂約4000萬噸，低於年碳排放總量的0.01%。Fuss、Minx和他們的同事認為，目前最具成本效益的NET是土壤碳封存技術，這是一種通過調整農業生產方式來增加土壤中CO₂含量的方法。封存效果可以通過免耕和輪作等再生農業措施來加強。墨爾本大學化學工程專業的教授Robin Batterham表示，儘管向農民提供補貼並讓他們實施這些措施在經濟上是合理的，但面臨的挑戰首先是說服農民改變幾十年的耕作習慣，並找出一種成本效益高的方式來追蹤農民的工作成效。然而，並不是每個人都認同該過程所封存的CO₂含量。2016年的一項研究認為，土壤碳封存的潛在影響被高估了約40%。

評估所有NET的總潛力並不是把它們簡單地加在一起。這些技術都處於不同的發展階段，其中部分技術還會與其他技術相互競爭土地、水、生物能源和其他資源。例如，如果想讓實現1.5 ℃目標的路徑發揮效果，就需要比印度大2~5倍的土地來種植BECCS所需的生物質。

Minx表示，NET可以被看成一套組合，每個NET的部署都要考慮成本、有效性、可用性、安全性和永久性。例如，目前可以對可用的、相對便宜的而且更容易進行可逆操作的基於土地的方案進行部署。然後，更多的技術方案，如碳去除量更高的BECCS和DAC，可以在技術成熟後逐步採用。「在1.5 ℃的情景下，這些技術運作的量級是10億噸，而我們離這個目標還很遠。」Minx說。「創新的時間通常比人們想像的要長得多，一些最具可擴展性的NET仍處於研發階段。」

無論如何，「當前的最佳解決方案可能是儘快實現經濟脫碳，避免CO₂在第一時間就被大量排入大氣中。」Fuss說。「排入大氣的CO₂少了，你也就不必去除那麼多CO₂了。」

註：本文內容呈現形式略有調整，若需可查看原文。

改編原文：

Chris Palmer.Mitigating Climate Change Will Depend on Negative Emissions Technologies[J].Engineering,2019,5(6):982-984.

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註：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜誌社的觀點。