风扇将空气吸入位于瑞士苏黎世的 Climeworks 直接空气捕获工厂。 克莱姆工厂

碳捕集的梦想走向现实

下个月，冰岛的一个工业设施将加入越来越多的项目，以去除空气中的二氧化碳并将其置于地下。但在这项技术被广泛部署并在应对气候变化方面发挥关键作用之前，包括高成本在内的主要障碍仍然存在。

作者：乔恩·格特纳 编译 陈讲运

9月初，在冰岛雷克雅未克东南约 25 英里的工业设施中，瑞士公司 Climeworks 将庆祝一个名为“逆戟鲸”的新项目的开幕。。” 至少在传统意义上，Orca 实际上并没有制造任何东西。它由八个细长的盒子组成，类似于木包水箱。这些盒子中的每一个——被称为“收藏家”——大约有一辆拖拉机拖车的大小，每个盒子都装饰着 12 个旋转的风扇，在里面吸入一股气流。在收集器内，一种称为吸附剂的化学试剂将捕获飘过的空气中所含的 CO2。吸附剂的表面会定期填满。届时，需要释放其中的二氧化碳。在 Orca，这项任务是通过来自附近热液喷口的热量来完成的。提取的 CO2 将通过管道从收集箱输送到附近的处理设施，在那里与水混合并转移到地下深处的井中。

它会在那里休息。地下。永远，大概。从冰岛空气中捕获的二氧化碳将与玄武岩发生反应，并开始一个需要数年时间的矿化过程，但它再也不会作为大气中的吸热气体发挥作用了。

Climeworks 坚持认为，一旦 Orca 全天候运行，每年将从大气中去除多达 4,000 公吨的二氧化碳。并且没有太多理由怀疑该设施能否实现这一壮举。一方面，该工厂的技术，称为直接空气捕获，或 DAC，是半个世纪以来在潜艇和航天器中使用的想法的一种变体：使用化学试剂“清除”多余的二氧化碳脱离空气；处理掉它；然后重复。更重要的是，Climeworks 已经在欧洲大陆建造了更小、更不复杂的工厂，这反过来每年从环境空气中抽取数百吨二氧化碳。

“我们已经脱离了学术研究和可行性，而是进入了工程现实，”一位公司高管说。

那么，Orca 最重要的一点似乎是它如何代表直接空气捕获已经更接近于商业业务的可能性。Climeworks 现在有几十个客户——直接从公司购买碳清除服务的个人消费者，以及保险巨头瑞士再保险等公司——他们将为埋在冰岛土壤下的永久碳抵消支付费用。更重要的是，Orca 设施将成为迄今为止世界上最大的直接空气捕集厂——据该公司估计，它代表了其碳去除工作在四年内“扩大”了约八十倍.

然而，Climeworks 和 Orca 可能很快就会黯然失色。计划建造更大的 DAC 工厂——一个位于美国西南部，计划于 2024 年底完工；另一个在苏格兰，将在美国项目大约一年后完成——将由不列颠哥伦比亚省的竞争对手 Carbon Engineering 建造。碳工程的设施采用了一种稍微不同的技术，按照最初的计划，将由可再生能源提供动力，最终每个设施每年可以从大气中净去除约 100 万吨二氧化碳。

“在我们看来，这将决定性地回答这个问题：直接空气捕获大规模和负担得起的成本是否可行，”碳工程公司的首席执行官史蒂夫奥尔德姆最近告诉我。“在我看来，我们已经脱离了学术研究和可行性，现在进入了工程现实。”

Climeworks 在冰岛雷克雅未克附近建设中的 Orca 工厂。 克莱姆工厂

考虑这些努力的全球价值的一种方法是将它们置于气候变化的卑微数学中。在政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的最新报告中，使用了许多模型来绘制未来可能的排放情景，并了解我们可能会经历怎样的上升，例如 1.8 摄氏度或 2.5 摄氏度C（3.2 华氏度至 4.5 华氏度）到 2100 年。去年，大约有310 亿公吨的二氧化碳被释放到大气中。这个数字可能会上升得更高今年，随着全球经济开始从 Covid-19 大流行中复苏。但要想有机会将升温限制在 2 摄氏度以内，我们必须在本世纪中叶左右将排放量有效地接近于零。

毫无疑问，开始这样做的最佳方法是将我们的电力、运输和工业系统彻底转变为无排放的能源和流程。然而，我们可能需要积极补偿经济部门——例如航空旅行或钢铁生产——被证明太难快速脱碳。这意味着我们必须同时积极地从大气中去除二氧化碳。我们的碳去除工作可能涉及自然手段，例如将大气中的二氧化碳隔离在土壤或新森林中。但我们也可以利用更多的技术方法，例如 DAC 或带有碳捕获和储存的生物能源——简称为 BECCS——涉及种植植物、燃烧或发酵它们以获取能量，然后捕获二氧化碳排放物并将其掩埋。

这里的数字令人生畏。参与为 IPCC 报告绘制可能排放路径的非营利组织伯克利地球的气候科学家 Zeke Hausfather 告诉我，在最乐观的情景之一（到 2100 年将温度上升限制在 1.5 摄氏度），这种情况需要采取大规模的缓解措施以及到本世纪末每年去除约 17 吉吨（即数十亿吨）的二氧化碳。尽管植树似乎是帮助我们实现这一目标的理想解决方案，但新的森林可能并不足够或持久碳去除解决方案，尤其是在西伯利亚和美国西部发生巨大野火之后。“与通过 BECCS 或 DAC 进行长期地质储存相比，去除二氧化碳的自然方法通常不太理想，”豪斯法瑟说，并补充说这是因为将碳储存在地上的生物质中很可能是暂时的。

直接空气捕获是否“扩大规模”并产生重大气候影响主要取决于其费用。

DAC 能否为碳去除目标做出有意义的贡献仍然是一个悬而未决的问题。但是新的 Climeworks 和 Carbon Engineering 工厂表明取得了重大进展，而不仅仅是炒作。美国能源部 (DOE) 官员兼碳捕集技术专家詹妮弗·威尔科克斯 (Jennifer Wilcox) 告诉我：“这两家公司已经准备好在今天开始运营了。” “但问题是，它们是如何从数千吨变成数百万吨的？'”当然，在那之后，还有一个更大的问题：它们真的能达到数十亿吗？

在过去几年的几个案例中，在报道气候解决方案和碳清除策略的过程中，风险投资家告诉我——我尊重他们对技术的掌握，并且对气候变化有深刻的理解——到本世纪中叶，直接空气捕获可能会成为世界上最大的行业之一。如果事实证明这是真的，我不会感到震惊。另一方面，即使是 DAC 行业的温和增长似乎也完全是有条件的。减少排放——世界各国政府和行业在开始逐步淘汰化石燃料时的一项艰巨任务——仍然是主要挑战。除此之外，DAC 是否“扩大规模”并对气候产生重大影响主要取决于其费用。或者换一种说法：从空气中分离一吨二氧化碳并将其放入地下，或放入混凝土或碳纤维等持久产品中，最终需要多少钱？如果能接近每吨 100 美元，直接空气捕获可能会成为一项必不可少且有用的技术，这似乎是一个共识。

但我们仍然不确定。几年前，Climeworks 的高管告诉我，他们的直接空气捕获成本在每吨 500 到 600 美元之间。该公司没有公开估计——实际上可能还不知道——Orca 工厂将在该测量上改进多少。尽管如此，根据美国能源部的威尔科克斯的说法，仍然存在物理和热力学限制，可以帮助作为下限。Wilcox 推测，科学上的限制可能使 Climeworks 或碳工程工厂难以将每吨碳去除成本低于 100 美元。无论未来工程师如何努力工作以通过更便宜的材料和装配线工业化来降低费用，情况可能仍然如此。最近的分析由碳工程公司的科学家撰写的行业报告预测了类似的结果：DAC 的最终成本范围在每吨 94 美元到 232 美元之间。这可能需要几十年的时间——或者它可能永远不会实现。

碳工程公司在德克萨斯州西部计划的直接空气捕集厂的效果图，这将是世界上最大的此类设施。 碳工程有限公司

然而，像 Orca 或 Carbon Engineering在西南的庞大项目这样的新工厂的重点并不是完善碳去除过程。关键是要向前迈出一大步技术和商业步骤。我们只能根据碳清除公司高管的未来目标来推测 DAC 技术下一步可能实现的目标。但如果成本在未来几年达到每吨 400 美元或 350 美元，则表明这仍然是一个需要进一步改进的有前途的工具。这可能表明，这可能证明对于航空公司等公司或化肥制造商（甚至政府实体）来说是一个可行的选择，这些公司最终可能会被迫购买抵消额以补偿其碳排放。

最好将新工厂的开业解释为经过多年研究和开发的复杂、数十年的全球部署过程的开始。“我们相信我们的成本将继续下降，”Carbon Engineering 首席执行官奥尔德姆说。“但前提是我们部署。如果你从不部署，你的成本就永远不会下降。”

此外，奥尔德姆的观点是，通过巨大的减缓努力，到 2050 年，世界可能能够消除 70% 到 80% 的排放量。“但这将留下大约 20% 到 30% 的碳足迹去除，”他说——可能相当于每年约 10 至 120 亿吨二氧化碳。作为一个思想实验，这将需要 10,000 个碳工程工厂，就像公司现在计划的那样。“我认为，如果世界下定决心，我们可以生产许多这样的植物，”他说。“而且我们过去已经这样做了。看看我们抢购 Covid 疫苗的方式。或者看看我们为战争而战并进入飞机批量生产的方式。”

一个关键问题是，直接空气捕获是否最终会模仿太阳能光伏电池板惊人的成本下降。

一种担忧是，如果 DAC 削弱全球减排努力，它可能会引起越来越多的争议。换句话说，如果可以有效且经济地从空气中去除碳，则可能会减缓消除化石燃料的热潮。至少就目前而言，这仍然是一种假设风险。奥尔德姆和他所在领域的同事告诉我，他们相信新的州和政府政策正在推动他的行业朝着正确的方向发展。例如，美国一项名为 45Q 的公司税收抵免有助于补贴碳捕获和封存的一些高成本。联邦基础设施法案可能通过在接下来的几个月里，可能还会拨出多达 35 亿美元来帮助建设大型 DAC 工厂。与此同时，私营部门的推动对新兴的 DAC 公司来说是一个福音。许多对实现碳中和或碳负排放感兴趣的科技公司——微软、Stripe 和Shopify是最突出的——已经在 Climeworks 和 Carbon Engineering 上投入了大量资金。他们的承诺反过来又帮助公司推进规划和建设。

与此同时，投资资金开始流入“下一代”DAC 理念。美国能源部最近在一系列早期方法和组件技术上投资了超过 1200 万美元。许多风险投资公司，特别是 Breakthrough Energy 和 LowerCarbon Capital，已经向初创公司投入了数千万美元。一家位于旧金山的新公司Noya，利用现有的发电厂冷却塔创建了一个直接空气捕集站的“分布式”系统，该公司希望这比从头开始建造 DAC 工厂更便宜；另一家位于底特律的初创公司Remora 将碳捕获吸附剂技术安装在卡车运输平台上，以在长途运输中抽真空二氧化碳。作为甜味剂，新的1亿美元 X 奖由埃隆·马斯克 (Elon Musk) 赞助，涉及一项为期四年的全球竞赛，该竞赛将奖励最有前途的年轻碳清除公司，其创意每年可扩展到十亿吨。

所以在这个行业内，有很多钱，也有很多热情。鉴于有记录以来最热的月份和对未来全球气温的近期预测，短暂的充足时间是充足的。

在 DAC 发展的这个阶段，值得回忆的是，众所周知，很难预测技术成熟需要多长时间。在 1950 年代中期，就在新泽西州贝尔实验室发明了第一个实用的光伏太阳能电池之后，其发明者之一达里尔·查平（Daryl Chapin）计算出将这些设备部署为典型美国人的电源的成本约为 150 万美元。房子。根据太阳能行业协会的数据，如今，您可以以大约 20,000 美元的价格为房屋配备太阳能电池板——而且随着时间的推移，通过降低电费的好处，这项投资会得到回报。在某些地方，太阳能光伏现在是地球上最便宜的能源。

Carbon Engineering 在不列颠哥伦比亚省的直接空气捕集试验工厂。 碳工程有限公司

因此，直接空气捕集技术的未来挑战——其成本的不确定性下降——是一个熟悉的挑战。一种可能的未来是 DAC 行业将继续减少开支，但可能不足以接近价格结构，例如每吨 100 美元，这使得它作为一种抵消在经济上具有吸引力。亚利桑那州立大学负碳排放中心负责人克劳斯·拉克纳 (Klaus Lackner) 是直接空气捕获领域的先驱，他认为一个重要的问题是 DAC 在发展过程中是否能够模仿太阳能光伏板和风力涡轮机的惊人成本下降，或者它是否仍然是一种突破固有经济限制的精品技术。

“我的观点是，如果它表现得像许多其他大规模制造技术，那么假设通过增长大约 300 倍，我们应该为每吨碳去除节省 100 美元，”拉克纳说。“除此之外，我的水晶球有点混浊。但如果这个数字继续增长一千倍，我们应该是每吨 50 美元，或者 70 美元或 80 美元。”

拉克纳认为，DAC 实际上可能处于比太阳能光伏发电更好的阶段，比如 1970 年代，当时价格高得令人望而却步。他说，为了广泛采用，太阳能技术需要将成本降低约 100 倍。DAC 只需将成本降低 10 倍即可达到理想效果。他承认无法保证 DAC 会以与扩大规模相同的方式取得成功。他警告说，即使直接空气捕获成本大幅下降，世界仍然需要一个监管框架来应用它，以便对气候产生重大影响。他说，尽管改进技术可能至关重要，但迫使行业和政府“将二氧化碳作为废物处理”也同样重要，并因此支付清理费用。

有鉴于此，未来几年应该是有说服力的。我们可能很快就会知道 DAC 是否可行——或者这项技术，通常被其批评者视为不切实际的，是否会遇到低效率的问题。如果是前者，我们将在气候工具箱中有一个有用的工具。但如果是后者，几乎肯定会使实现宜居世界的目标变得更加复杂。摆在我们面前的工作在政治、技术和经济挑战方面已经是巨大的，将变得更加困难。