首页 > 二氧化碳也能“捕捉”?这些黑科技方法你必须了解一下
社会动态

二氧化碳也能“捕捉”?这些黑科技方法你必须了解一下

发布时间: 2021-03-25 08:03:23   作者:刘强   来源:北京日报  

在不久前召开的全国两会上,“碳中和”成为被频频提及的热词。碳中和,是指国家、企业、产品、活动或个人,在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,自己抵消自己产生的排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。

在众多碳中和技术路径中,有一个治理思路,因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景而格外引人注意,那便是碳捕捉。那么,排出去的二氧化碳,怎么能捕捉回来呢?

1全球碳预算总额将在2045年耗尽

2013年,人类在夏威夷岛上的环境监测站测得大气二氧化碳浓度超过了400ppm(百万分之一,是一种浓度单位)的警戒线。二氧化碳浓度的持续上升成了科学家心头挥之不去的阴霾。

地球温度正在上升,极端天气、森林火灾、冰架垮塌等新闻层出不穷。遏制气候变暖成为国际社会迫在眉睫的问题。二氧化碳作为最主要的温室气体,被认为是遏制气候变暖的突破点。“碳中和”的概念应运而生。

众所周知,以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源,是现代工业的基础,它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成。这些深藏地壳深处、花费成千上万年完成转化的富碳资源,在过去不到一百年的时间,被人类挖出、提炼、转化、焚烧……驱动人类文明走向物资繁盛,也成为二氧化碳的主要来源。

你可能很难想象,我们手里不到200克的手机,其生产过程会产生大约100千克的二氧化碳排放;汽车发动机每燃烧1升燃料,会向大气层释放约2.5千克的二氧化碳;生产1千克牛肉,会产生将近300千克的碳排放。

面对这一困境,各国在2015年12月12日的巴黎气候变化大会上通过《巴黎协定》。《巴黎协定》约定,各国的长期目标是将全球平均气温,较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内,并尽力将其限制在1.5℃以内。

以其目标上限2℃计算,全球碳排放允许的总量为1万亿吨。这是人类第一次清晰界定了环境承受的极限边界。

经过政府间气候变化专门委员会(ICPP)测算,自19世纪工业革命以来,全世界累积排放已超过6000亿吨,超过该预算总额的60%。根据当前的排放速度估算,若不采取强力干涉措施,全球碳预算总额将在2045年耗尽。

碳预算超支的前景,不单指向全球升温2℃导致的海平面上升,还将宣告人类对于气候变化调控的彻底失败。伴随两极冰川融化,后续升温速度会愈加迅速,最终酿成一场攸关人类存亡的巨大灾难。

2除了种树,固碳还要用高科技干预

从逻辑上讲,减少大气中的二氧化碳有两个努力方向:一是减少输入,即在最短时间内转变我们的能源获取方式,不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料,减少人类活动产生的二氧化碳;二是增加去路,即尽最大可能提高环境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大气中的二氧化碳浓度。

第一条路径,目前可谓困难重重。因此,第二条路径——提高环境和人工二氧化碳的固定能力,成为技术研发的焦点。

花草树木,不单单是美丽的人间风景,也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用,仿佛是它们给予地球的美妙祝福:吸收二氧化碳和水,合成构建植物躯干的有机物质,并释放氧气。森林作为陆地生态系统的主体,就是陆地上最大的“固碳仓库”。

然而,植物虽然能固碳,但时效性慢,难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势。通过工程干预进行碳捕捉,这一思路便应运而生。

当前碳捕捉技术的核心目的,是将人类活动产生的二氧化碳收集起来,加以储存甚至利用,避免其排放到大气中。主要技术方向有三个,分别是:碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用。

3碳捕捉与储存——把二氧化碳封存在地下

碳捕捉与储存,即从人类工业生产或单纯的化石燃料燃烧的尾气中分离出二氧化碳,储存起来使其不进入大气。该过程通过燃烧后技术,或采用低碳的燃烧前技术,直接从烟道气流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后,再通过管道将其注入一定深度的地下岩层中封存起来。

通常的封存地点是废弃油田、气田等。虽然有研究表明,采用高压注水等途径,可以加速使二氧化碳以碳酸盐的形式和地壳岩块结合,实现稳定储存。但这些碳,终究只是以“打盹”的形式,维持着微妙的平衡存在于地壳之中。一些科学家担心,频繁的地壳活动,终有一天会将这些气体送回地面,其技术安全性还有待加强。

4碳捕捉与能源化利用——二氧化碳也能做燃料

这是将二氧化碳捕捉之后,再次用来获取能量的一项技术路径。简单说,就是把二氧化碳变成燃料。二氧化碳一直是燃料燃烧后的尾气成分,甚至被用来灭火,“二氧化碳燃料”这个名词组合,难免让人感觉有些怪异。但科学家真的让这种奇思妙想变成了现实。碳捕捉后进行能量开发,最先人们考虑的是,采用太阳能模拟植物光合作用,将二氧化碳固定成燃料。结果发现,即便实现了这个反应,也只能算是对高品位能源的储能再释放,有点得不偿失。

直到热机工作原理的新认识出现,相关技术才开始突飞猛进。以往热机工作都是通过燃料燃烧,加热腔室,获取密闭空间的气体膨胀,从而驱动热机运转。容易想到,加热不是热机工作的目的,而只是手段。如果我们的燃料原本就是极低温的,恢复到正常温度,也会产生巨大膨压,即便不燃烧,也能驱动热机运转。

二氧化碳恰是这样一种神奇物质。常压下,它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在;到了约10个大气压的环境中,又会变成液体流动,便于输送。如果用干冰作为工作介质,就可以吸收环境中的热量,从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中,就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上,这种高压、常温气体,完全可以推动气动机械做功。

根据这一理念,低温热机迅速诞生。这几乎是蒸汽机革命之后,人类对驱动能源做的最有意思的一次尝试。碳捕捉完成后形成的干冰物质,作为驱动热机运转的燃料,气化后释放到空气中,之后再次被捕捉回来,从而保持一种人类活动与大气状态之间的奇妙平衡。

5碳捕捉与资源化利用——二氧化碳代替石油做化工原料

这是另一个绝妙的固碳方案,即把二氧化碳作为工业生产的原料使用。我们当前绝大多数的人造材料、合成制品,都是石油化工的产物。换句话说,就是都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。理论上,以今天人类对物质的认识和改造水平,完全可以将捕捉到的二氧化碳,用于制备当前从石油中衍生得到的化学品和材料。其关键在于,在这天马行空的改造中,怎样有效控制成本。

二氧化碳是一种极其稳定的分子,作为原料参与化工合成,需要吸收大量能量。这也意味着其转化成本非常高昂。科学家们必须先找到一条低耗能的转化路径。事实上,截至当前,基于二氧化碳的产品开发技术,已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支。对于其资源化利用的明天,我们尽可拭目以待。

瑞士公司制造的“空气捕获”设备,收集二氧化碳“喂”蔬菜。

6负碳而行,一场“冷静地球”的赛跑

焚烧,可以说是人类延续最久的“超级技能”。几千年来,焚烧的介质从木头、油蜡、煤炭,一直到今天门类齐全的石化天然气,文明的火把相传至今。过去千百年,获取这份燃烧的热量,便是焚烧的全部意义。逃逸到大气中的二氧化碳,似乎是一件极其寻常的事情。

即便是到今天,人类对二氧化碳排放“大户”——化工厂、水泥厂、酒厂、火电厂等进行环境评价的时候,仍然主要关注其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉尘等特殊化合物,作为排放主要成分的二氧化碳,却似乎无能为力。

而碳捕捉技术,不仅正视了这个问题,还第一次将二氧化碳作为一种资源加以重视。以人类文明发展的眼光看,比起焚烧产生的那点热量所带来的经济效益,二氧化碳巨大的潜在利用价值,才是真正的宝藏。

随着碳捕捉技术成熟,回收成本渐低,利用捕捉的二氧化碳进行工业生产,将变得十分寻常。