捕获大气中的二氧化碳


编译/赵 斌

 

对于如何将温室气体从大气中分离并封存起来,科学家已经公开建议了许多措施。但问题是,我们是否有足够的控制力来采取这些措施,使其不会与其他一些重要的事情(比如人类对食物的需要)相悖。

化学方法
通过化学方法直接从大气中吸收二氧化碳的方案有很多,比如“人工树”计划。巴黎会议期间,研究人员通过对各种负碳排放措施做了全球性的分析后认为,不管是在资金方面还是在能源需求方面,这些方案实施起来都是非常艰难的。要达到吸收5000亿吨二氧化碳的目标,不仅要花费高达270万亿美元的资金,还会消耗全球1/4能源供应。
增加碳酸盐岩石的自然侵蚀,也可以从大气中吸收二氧化碳,但由于成本的原因,这样的想法同样不太可能实现。

植树造林
如果化学方法和岩石吸收方法都难以奏效,那么植树造林又将如何呢?目前,森林砍伐导致的二氧化碳排放量,已达总排放量的10%以上。如果我们要设法遏制地球温度上升,那么2014年在纽约商定的“到2030年全球森林实现零砍伐”目标就必须达成。科学家估计,该类方法的成本比化学方法要低,大概50年内需要花费14万亿美元。
但是,植树造林需要很多土地。为了50年内吸收5000亿吨二氧化碳,要种植足够的树木,这大概需要1000万平方千米的土地,其面积比我国国土面积还要大,因此这似乎是一场镜花水月式的幻想。撒哈拉沙漠倒是足够大,使其被森林覆盖也犹如痴人说梦。
庆幸的是,植树造林计划仍然可能成为解决部分问题的方法。当我们种植的树木成熟、不再继续吸收更多二氧化碳时,可将其砍掉并送入发电站来焚烧发电。接着,我们在这些清理后的土地上继续种植新的树木或速生能源作物,最终它们也能吸收同量的二氧化碳,从而长期提供碳中和能源。这里我们还可以增加一点技术含量,将树木在发电站焚烧产生的二氧化碳直接捕获、浓缩并埋藏起来,其净效应就是产能的负碳排放。

生物能源结合碳捕获和储存技术
众所周知,生物能源结合碳捕获和储存(BECCS)技术的发展有效地扭转了我们今天生产能源的方式。曾经,我们采掘煤炭、石油和天然气等浓缩碳燃料,将燃烧后产生的废气直接排放到大气中;如今,我们可以利用植物从大气中吸收分散的二氧化碳,将燃烧后排放的碳进行浓缩并埋入地下。于是,我们产生的电力越多,负碳排放效应就越可观。
研究发现,21世纪下半叶,BECCS技术就可以捕获5000亿吨二氧化碳,同时能为世界提供大部分电力。甚至有研究者认为,实现负碳排放的所有方法中,BECCS是看似最有希望的。
涉及的所有要素都经过了小规模的测试与检验。例如,碳捕获和储存系统每年将2000万吨二氧化碳埋藏于地下,有人担心这种埋藏系统的安全性和可靠性。但是英国爱丁堡大学的研究者认为,地球先前的油气层或盐碱含水层的可储存量,大概可以完成至少20个5000亿吨二氧化碳的储存目标。
BECCS面临的最大问题是土地。要产生5000亿吨的负碳排放,将需要380万~700万平方千米的土地。理想的造林位置是植物生长迅速的热带地区,但同时那里也是最大的粮食作物种植区。到2050年,我们将要养活90亿~100亿人口,这与将全球变暖控制在1.5℃以内的目标具有同等挑战。
危险还在于,未来人们只能通过砍伐森林或清理草原才能找到新的土地来种植粮作物,这使得BECCS的效率降低80%之多。

埋藏生物炭
我们真正需要的是一套既能分离出大气中的二氧化碳又能提高粮食生产的解决方案。这并非异想天开。其实,农民已经采用很多技巧把碳保留在地下。例如,耕作促进了死亡植物质的分解和二氧化碳的释放,于是许多地方现在开始实行“免耕耕作”,这样就可以在土壤中保存植物质。
还有一个更强的解决方案,是埋藏生物炭——将秸秆、粪便和未使用的食物等农业废弃物热解成木炭。埋藏生物炭是亚马孙河流域等其他地方增肥土壤的传统方法。因为生物炭包含了紧密结合的碳原子,它可以在数百年时间内保持稳定。据计算,2050—2100年,生物炭可提供高达1250亿吨的负碳排放。

海洋微藻农场
覆盖地球大部分区域的海洋,也是地球上最大的碳汇地。往海洋中补充铁或氮以增殖浮游生物,可帮助吸收更多的二氧化碳,这一想法近年来被广泛讨论。但是由于我们对波涛之下的碳循环缺乏了解,该想法显得不切实际。不过,这对海洋养殖可能会有作用。
目前,已有科学家利用海洋进行大规模地微藻种植。微藻可用作BECCS发电站的燃料,也可替代大豆等其他占有土地的作物成为家畜饲料。目前,海洋微藻农场在澳大利亚运转良好。到21世纪中叶,海洋微藻农场可能高达50万平方千米,带来数十亿吨的生物量。
据估计,这样一片海洋微藻每年可吸收高达250亿吨二氧化碳。即使只有预计的1/4,也只要20年时间,海洋微藻就可以吸收1250亿吨二氧化碳,同时还喂养了世界上10%的牲畜。森林得到保护,田地可继续耕作,全球变暖也会被控制在1.5℃以内。
这个美好的愿景能否实现,取决于我们对气候的了解。如果温室气体对全球变暖的影响远超我们的想象,那么实现控温1.5℃目标的概率可能为零;如果目前我们对气候敏感度的估计是正确的,那么我们就有机会实现。无论如何,我们应该拥抱梦想,或许我们的世界注定将实现目标,让我们拭目以待。

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

《科学画报》2017© 版权所有 沪ICP备05024827号