一棵“機械樹”從空氣中去除二氧化碳的速度比天然樹快約 1,000 倍。 首先是 2022 年在亞利桑那州開始運營。 插圖來自亞利桑那州立大學
兩個世紀以來，化石燃料燃燒已將二氧化碳（一種強大的溫室氣體）排放到大氣中，超過了大自然所能清除的量。 隨著二氧化碳的積累，它 捕獲多餘的熱量 靠近地球表面，導致全球變暖。 現在大氣中有如此多的二氧化碳，大多數情況都顯示 僅僅結束排放是不夠的 為了穩定氣候——人類還必須從空氣中去除二氧化碳。
美國能源部有一個新的 目標 擴大規模 直接空中捕獲, 一種利用化學反應的技術 從空氣中捕獲二氧化碳. 雖然聯邦為碳捕獲提供的資金經常受到批評，因為有些人認為這是繼續使用化石燃料的藉口，但某種形式的碳清除可能會 仍然是必要的，IPCC報告顯示。 機械除碳技術正在開發中，並在 很小的規模，部分原因是目前的方法過於昂貴且能源密集。 但 新技術 今年正在接受測試，這可能有助於降低能源需求和成本。
我們詢問了亞利桑那州立大學教授 克勞斯·拉克納，直接空氣捕獲和碳儲存的先驅，關於技術狀態及其發展方向。
什麼是直接除碳，為什麼它被認為是必要的？
當我在 1990 年代初對碳管理產生興趣時，驅使我的是對碳在環境中堆積的觀察。 它需要自然 幾千年才能去除二氧化碳，我們在一個 朝著更高二氧化碳排放的軌跡 濃度，遠遠超過人類所經歷的任何事情。
人類無法承受越來越多的過量碳漂浮在環境中，因此我們必須將其清除。
並非所有排放都來自大型來源，例如 發電廠或工廠，我們可以在 CO2 出來時捕獲它。 所以我們需要處理另一半的排放——汽車、飛機、在你的煤氣爐排放二氧化碳時洗熱水澡。 這意味著從空氣中抽出二氧化碳。
由於二氧化碳在空氣中快速混合，因此在世界上的哪個地方去除二氧化碳並不重要——去除具有相同的影響。 因此，我們可以將直接空氣捕獲技術放在我們計劃使用或儲存二氧化碳的地方。
儲存方法也很重要。 僅將二氧化碳儲存 2 年或 60 年是不夠的。 如果 100 年後所有的碳都會重新回到環境中，我們所做的只是照顧好自己，而我們的孫子們必須重新解決這個問題。 與此同時，世界能源消耗正以大約 每年XNUMX％.
除了成本之外，對直接空氣捕獲的抱怨之一是它是能源密集型的。 可以減少能源使用嗎？
直接空氣捕獲的兩大能源用途是運行風扇以吸入空氣，然後加熱以提取二氧化碳。 有辦法減少兩者的能源需求。
例如，我們偶然發現了一種在乾燥時會吸收二氧化碳並在潮濕時釋放二氧化碳的材料。 我們意識到我們可以將這種材料暴露在風中，它會裝載二氧化碳。 然後我們可以弄濕它，它會 釋放二氧化碳 以一種比其他系統需要的能量少得多的方式。 添加可再生能源產生的熱量會使二氧化碳壓力更高，因此我們有一種混合了水蒸氣的二氧化碳氣體，我們可以從中收集純二氧化碳。
如果捕捉是被動的，我們可以節省更多的能量——不需要風扇吹空氣； 空氣自行移動。
我的實驗室正在創建一種方法來做到這一點，稱為 機械樹. 它們是塗有化學樹脂的高高垂直柱狀圓盤，直徑約 5 英尺，圓盤相距約 2 英寸，就像一疊唱片。 當空氣通過時，圓盤的表面會吸收二氧化碳。 大約 2 分鐘後，圓盤已滿，它們沉入下面的桶中。 我們送入水和蒸汽以將二氧化碳釋放到封閉環境中，現在我們有了水蒸汽和二氧化碳的低壓混合物。 我們可以回收大部分用於加熱盒子的熱量，因此加熱所需的能量非常少。
通過使用水分，我們可以避免大約一半的能源消耗，其餘的使用可再生能源。 這確實需要水和乾燥的空氣，所以它在任何地方都不是理想的，但也有其他方法。
二氧化碳能否安全地長期儲存，這種儲存方式是否足夠？
我在 1990 年代開始研究礦物封存的概念，在洛斯阿拉莫斯領導一個小組。 世界實際上可以通過利用它是一種酸和某些岩石是鹼的事實來永久地清除二氧化碳。 當二氧化碳與富含鈣的礦物質發生反應時， 它形成固體碳酸鹽。 通過 礦化二氧化碳 像這樣，我們 可以儲存 幾乎無限量的永久碳。
例如，有很多玄武岩——火山岩——在 與二氧化碳反應的冰島 並在幾個月內將其變成固體碳酸鹽。 冰島可以向世界其他地區出售碳封存證書，因為它將二氧化碳排放給世界其他地區。
德克薩斯州二疊紀盆地也有巨大的石油生產地下儲層。 有大的鹹水含水層。 在海底一公里以下的北海，能源公司 Equinor 一直在從天然氣加工廠捕獲二氧化碳並將其儲存起來 每年 2 萬噸二氧化碳 自 1996 年以來，避開挪威的 二氧化碳排放稅. 我們可以進行礦物封存的地下儲存量遠遠大於我們對二氧化碳的需求。 問題是有多少可以轉化為探明儲量
.我們也可以使用直接空氣捕獲 關閉碳循環 – 意味著二氧化碳被重複使用、捕獲並再次重複使用，以避免產生更多。 現在，人們使用化石燃料中的碳來提取能源。 您可以通過將 CO2 與 綠色氫 用可再生能源創造。 這種燃料可以很容易地通過現有的管道運輸並儲存多年，因此您可以在冬夜在波士頓使用去年夏天在西德克薩斯州作為陽光收集的能源產生熱量和電力。 一罐“合成燃料”的成本並不高，而且比電池更划算。
能源部設定了一個新目標，將二氧化碳去除成本降至每噸 100 美元，並在十年內迅速擴大規模。 必鬚髮生什麼才能使這成為現實？
DOE 嚇到我了，因為他們聽起來好像技術已經準備好了。 忽視這項技術30年，我們不能說有些公司知道怎麼做，我們要做的就是推動它。 我們必須假設這是一項新興技術。
Climeworks 是最大的商業直接捕獲公司，它以 每噸約 500 至 1,000 美元. 那太貴了。 另一方面，以每噸 50 美元的價格，全世界都可以做到。 我想我們可以到達那裡。
美國每年消耗約 7 萬噸二氧化碳 商人二氧化碳 – 想想碳酸飲料、滅火器、糧倉用它來控制穀物粉末，這是有爆炸危險的。 平均價格為 60-150 美元。 所以低於 100 美元你就有了市場。
你真正需要的是一個監管框架，表明我們要求二氧化碳被儲存起來，然後市場將從今天的捕獲千噸二氧化碳轉變為捕獲千兆噸二氧化碳。
您認為這項技術在 10 年後會走向何方？
我看到了一個放棄化石燃料的世界，可能是逐漸放棄，但有一項任務是長期捕獲和儲存所有的二氧化碳。
我們的建議是，當碳從地下出來時，它應該與相等的去除相匹配。 如果你生產 1 噸與煤、石油或天然氣相關的碳，你需要放 1 噸。 它不必是相同的噸，但必須有一個 扣押證明 這確保它已被收起，並且它必須持續 100 多年。 如果所有碳從地下出來的那一刻起就得到認證，那麼欺騙系統就更難了。
一個很大的未知數是工業和社會將如何努力實現碳中和。 看到這樣的公司令人鼓舞 Microsoft微軟 和 條紋購買碳信用 和證書去除二氧化碳，並願意支付相當高的價格。
新技術可能需要十年或兩年的時間才能滲透，但如果有經濟吸引力，事情就會發展得很快。 第一架商用噴氣式飛機於 1951 年面世。到 1965 年，它們無處不在。
關於作者
Klaus Lackner，工程學教授兼負碳排放中心主任， 亞利桑那州立大學
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