直接行动:碳捕集为应对气候变化做好准备

当人类在19世纪末首次开始大规模燃烧化石燃料时，地球大气中二氧化碳的含量约为280ppm₂．在这之后的几年里，二氧化碳浓度上升到410ppm以上，全球平均气温相应上升了1°C以上。事实上，科学界一致认为大气CO₂是气候迅速变暖的根本原因，人类必须停止燃烧化石燃料来阻止它。然而，最近也有越来越多的人一致认为，光靠脱碳是不够的。

如果要实现2016年《巴黎协定》设定的目标，许多科学家——包括政府间气候变化专门委员会(IPCC)的科学家——认为CO₂必须主动从大气中清除。有许多方法可以通过使用准自然的方法来实现这一目标，如大规模的重新造林、岩石风化和激发作为碳汇的大规模海洋藻类繁殖。不那么自然但同样有趣的是直接空气捕获(DAC)方法₂是用人造技术从大气中提取出来的。

过去10年里，DAC见证了几家公司的兴风作浪，包括加拿大的Carbon Engineering、美国的Global Thermostat和瑞士的Climeworks。一般来说，它们依赖于类似的技术，使用胺基吸附剂去除CO₂从空气中。然后加热吸附剂以释放纯CO₂它既可以被隔离，也可以被重新用于各种工业和农业应用。

Climeworks的DAC技术是基于循环捕获-再生过程，该过程使用由胺改性多孔颗粒制成的过滤器。风扇吸入大气CO₂它会在化学上与过滤器表面结合。一旦饱和，过滤器被加热到100°C左右，释放高纯气体CO₂．根据Climeworks的说法，这种过滤器在需要更换之前可以运行几千次。与大多数其他DAC运营商一样，这家瑞士公司依靠废热来源来最大化其释放过程的效率。

“我们需要能源来驱动我们的CO₂Climeworks的公关经理路易斯·查尔斯告诉记者工程师．“我们只使用废弃能源和可再生能源。”

该公司在苏黎世附近的欣维尔的第一个商业工厂捕获了约900吨二氧化碳₂每年使用2000千瓦时的热量和大约600千瓦时的电力每吨。这只是全球总排放量的九牛一毛，但其他工厂已经开始投产，Climeworks有雄心勃勃的计划，每年捕获1%的二氧化碳₂在2025年的排放。

“全球目前排放400亿吨二氧化碳₂每年-每秒12,688吨，”查尔斯继续说。“要收集其中的1%，就需要25万棵(Climeworks)植物，相当于75万个装满收集器的集装箱。这听起来可能很多，但相比之下，这相当于两周通过上海港的集装箱数量。这是全球经济能够应对的。”

尽管全球经济可能完全有能力应对这一局面，但是否会有动力为其提供资金，还有待观察。Climeworks目前正在捕获二氧化碳₂每吨600- 800美元(474- 633英镑)。通过将净化后的气体出售给饮料行业的客户和用于温室中促进植物生长来抵消部分成本。然而，这远远不够支付捕获的成本。

更重要的是，大部分卖给客户的天然气最终又回到了大气中，减少了整体的气候效益。

“从大气中去除二氧化碳是实现气候目标的一个关键条件:要达到2摄氏度的目标，我们必须从2050年起每年去除100亿吨二氧化碳。”

查尔斯路易斯Climeworks

2017年，Climeworks与冰岛雷克雅未克能源公司(Reykjavik Energy)合作，开展了一个利用地热进行DAC工艺的试点项目。捕获的有限公司₂然后将其泵入地下700米与玄武岩基岩反应，将其永久锁在地质储存库中。

这种被称为DACCS(直接空气捕捉与碳储存)的长期封存是人类最终降低大气CO浓度所必需的₂回到19世纪的水平。

锁住一氧化碳₂意味着没有产品可卖，因此，DACCS的巨大市场尚未出现。碳税可能会改变这一点，因为DACCS将允许组织抵消不可避免的排放，但DACCS要想在商业上可行，捕获价格仍必须大幅下降。根据Climeworks，每吨100美元的目标是可以实现的，而且很可能在不久的将来与碳定价交叉。

“我们有一个明确的未来降低成本路线图，以降低CO成本₂每吨100美元，”查尔斯说。“反映CO真实成本的法规₂排放需要到位。我们认为，到2030年碳价格达到每吨100至150美元是一个现实的目标。

“删除有限公司₂从大气中去除二氧化碳是实现气候目标的一个关键条件:要达到2摄氏度的目标，我们必须去除100亿吨二氧化碳₂从2050年开始每年。”

Climeworks可能有一个100美元的路线图，但有一个新的创业公司声称已经在这个领域。总部位于都柏林的硅王国控股公司(Silicon Kingdom Holdings, SKH)称其“机械树”能够被动捕获CO₂使用堆叠的吸附剂，一旦达到规模，将以每吨100美元的价格交付DAC。这项技术的发明者是克劳斯·拉克纳教授(左)，他是亚利桑那州立大学负碳排放中心的主任。Lackner将担任SKH的首席科学顾问，据该公司首席执行官Pól Ó Móráin称，他是DAC领域的先驱。

“如果你看看Climeworks, Carbon Engineering, Global Thermostat——所有这些公司的初创企业和技术方法实际上都是建立在克劳斯早期工作的基础上的，而且他们会公开承认这一点，”Ó Móráin告诉《工程师》杂志。“克劳斯从1992年就开始研究这个问题，1999年，他是全球第一个提出我们需要从空气中去除碳以应对气候变化的人，很长一段时间都没有人听他的。”

四年前，拉克纳来到亚利桑那州立大学，希望最终将他几十年的研究成果商业化。其他DAC公司在世界各地如雨后春笋般涌现，但拉克纳预计，急于上市将导致收购成本高昂。他认为，更好的做法是优化技术，推出一套可以直接实现每吨100美元的系统，超越任何领先的竞争对手。大约一年前，拉克纳与风险投资公司Ó Móráin相遇后，SKH在后者的祖国爱尔兰成立。

Ó Móráin说:“克劳斯的重点是让它商业化，降低捕获成本并增强它，并在设计和几何结构方面寻找新的方面。”“所以在某些方面，他在推出和测试方面落后于人们，但采取了这种更缓慢和更深思熟虑的方法，他最终得到了一个非常新颖的设计。这是向被动捕获的转变，所以我们实际上不需要在捕获部分花费精力。”

SKH的柱状机械树将使用离子交换材料来收集CO₂被动地，不需要风扇，甚至不需要风把空气吸进去。这些装置在关闭时高2.5米，但打开时高约10米，暴露出150个充满吸附剂的圆盘，每个圆盘的直径约1.5米。12根这样的柱子将能够捕获一吨二氧化碳₂根据SKH的数据

“这些圆盘被涂上离子交换材料，所以它们基本上会吸引CO₂当它们变干的时候，”Ó Móráin说。“我们不依赖于动能，所以它不像风力发电场。这实际上就是空气与圆盘表面的接触。”

暴露在空气中20分钟后，碟片变得饱和，并回到柱的底部，然后密封密封。此时，热量或湿度的变化都可以用来释放CO₂根据当地气候的不同，这种方法也会有所不同。

“我们最终的结果是5%至10% (CO₂)在那个阶段的集中，”Ó Móráin解释道。“如果你想把食品级或饮料级的含量提高到95%，这是一个相当标准的过程，我们的方法和其他人使用的没有什么不同。”

据Ó Móráin报道，Lackner的原型设备已经在亚利桑那州的恶劣条件下进行了一年多的测试，性能没有下降。下一阶段将是一个每天能够捕获100公吨的试验项目。这将需要大约1200棵机械树，其占地面积大约相当于200个标准的40英尺集装箱。SKH正在考虑在亚利桑那州和加利福尼亚州选址，但尚未做出最终决定。

“我们是在赌博，认为碳的价格会涨到每吨100美元。我们不想成为累赘，所以我们的重点是做一些有利可图的东西。”

Pól Ó Móráin，硅谷王国控股公司

与Climeworks一样，对SKH来说，经济问题也迫在眉睫。目前，中国最大的CO₂在能源行业，它被用于提高石油采收率(EOR)的过程。这包括将气体泵入井中，以提取原本无法获得的原油。

收集大气有限公司₂开采石油似乎是一种违反直觉的缓解气候变化的方式，Climeworks已经表示，它不会为此目的供应二氧化碳。Ó Móráin，英国石油公司的正式成员，有不同的观点。他认为，EOR的收入来源对于DAC在初期阶段的支持是必要的，而不可避免的碳定价将最终使该技术发挥对气候友好的作用。

他说:“我们认为环保市场目前还不存在。“我们基本上是在赌博，认为碳的价格将涨到每吨100美元。

“我们不想成为累赘，所以我们现在的重点是做一些有利可图的东西。我们可以满足CO的实际用例₂而市场则为更环保的捕获和处理做好了准备。”

虽然提高采收率可能存在分歧，但合成燃料是DAC领域几乎所有人都在拥抱的领域。捕获的有限公司₂只要这个过程由废热和可再生能源提供动力，就可以与其他化学物质结合，产生理论上碳中性的燃料。与化石燃料相比，这种最终产品价格昂贵，但可以让航空和航运等行业在缺乏现实可行的电气化途径的情况下实现脱碳。

“工业部门和运输部门未来将需要一些化学能源运输船。德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)的罗兰•迪特梅尔(Roland Dittmeyer)教授表示:“我们不可能直接用电做所有事情。”

迪特迈耶和他的同事最近发表论文于自然通讯概述了空调装置如何在世界各地的建筑中用于DAC，以及捕获的CO₂然后在当地加工成合成燃料。

这种分散的捕获和提炼所产生的“人群石油”可以用来为当地的运输提供动力，或者输入“可再生石油电网”。它甚至可以作为长期存储介质，在未来的某个时候可以选择使用它。

迪特迈耶说:“从概念上讲，吸入空气会导致循环。工程师．“你把指挥官带走₂从空气中提取，放入可再生能源-或CO₂我应该说，因为它也可以是核能，然后你会产生一种碳氢化合物，释放CO₂再次期间使用。

“为什么要把它和通风系统结合起来?”因为你已经接触了大量的空气。你已经支付了这种联系的电费。所以如果你能把它们组合在一起，你就消除了直接捕捉空气的一个缺点。这就是我的动力。”

迪特迈耶的论文描述了该技术的三个潜在场景:法兰克福博览会大厦办公楼、一个典型的超市和一系列低能耗房屋。

作为欧盟最高的摩天大楼之一，法兰克福博览会大厦(图片来源:moritz320 via Pixabay)拥有一个与大量空气接触的暖通空调系统，研究表明有足够的CO₂每年可以在那里收获2000 - 4000公吨合成燃料。如果应用到德国五大城市的所有大型办公大楼，可以生产240万至480万吨合成燃料。

迪特迈耶解释说:“为了这种技术，你可能得牺牲一到两层摩天大楼。”“我要说的最先进的方法是生产氢气。所以你需要一个电解槽。有几家公司提供这种服务，通常采用模块化格式或基于集装箱的工厂。它可能在地下室或顶部，那里已经有大型通风设备了。”

至少还需要两个反应堆级;一个将氢和CO转化₂转化成反应气体，或合成气，然后把合成气转化成碳氢化合物。从卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology)分离出来的Ineratec公司已经开发出了能够进行转换过程的集装箱工厂，迪特迈耶认为这些工厂可以安装在现有的大型建筑中。

“很明显，家用空调不是我们的目标，”他说。“但在我看来，一个大型通风设备可以通过这些转换步骤进行改造。”

关于储存和运输的问题仍然存在。高层建筑或超市内的大量燃料储备构成了明显的风险，将其转移到路边的加油机也是如此。迪特梅尔参与了一个试点项目，目前该项目每天生产10升合成燃料，并计划在未来几年大幅扩大规模，Climeworks是一个潜在的合作伙伴。

这位教授认为，在5到10年内，这项技术可能会商业化，并在应对气候变化的斗争中发挥关键作用。

迪特迈耶说:“我希望我们能在实践中看到许多这样的系统。”“因为我们必须这么做。我们必须做到这一点，因为时间不多了。”

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