一棵“机械树”从空气中去除二氧化碳的速度比天然树快约 1,000 倍。 首先是 2022 年在亚利桑那州开始运营。 插图来自亚利桑那州立大学
两个世纪以来，化石燃料燃烧已将二氧化碳（一种强大的温室气体）排放到大气中，超过了大自然所能清除的量。 随着二氧化碳的积累，它 捕获多余的热量 靠近地球表面，导致全球变暖。 现在大气中有如此多的二氧化碳，大多数情况都显示 仅仅结束排放是不够的 为了稳定气候——人类还必须从空气中去除二氧化碳。
美国能源部有一个新的 目标 扩大规模 直接空中捕获, 一种利用化学反应的技术 从空气中捕获二氧化碳. 虽然联邦为碳捕获提供资金经常受到批评，因为有些人认为这是继续使用化石燃料的借口，但以某种形式去除碳可能会 仍然是必要的，IPCC报告显示。 机械除碳技术正在开发中，并在 很小的规模，部分原因是目前的方法过于昂贵且能源密集。 但 新技术 今年正在接受测试，这可能有助于降低能源需求和成本。
我们询问了亚利桑那州立大学教授 克劳斯·拉克纳，直接空气捕获和碳储存的先驱，关于技术状态及其发展方向。
什么是直接除碳，为什么它被认为是必要的？
当我在 1990 年代初对碳管理产生兴趣时，驱使我的是对碳在环境中堆积的观察。 它需要自然 几千年才能去除二氧化碳，我们在一个 朝着更高二氧化碳排放的轨迹 浓度，远远超过人类所经历的任何事情。
人类无法承受越来越多的过量碳漂浮在环境中，因此我们必须将其清除。
并非所有排放都来自大型来源，例如 发电厂或工厂，我们可以在 CO2 出来时捕获它。 所以我们需要处理另一半的排放——汽车、飞机、在你的煤气炉排放二氧化碳时洗热水澡。 这意味着从空气中抽出二氧化碳。
由于 CO2 在空气中快速混合，因此在世界上的哪个地方去除 CO2 并不重要 - 去除具有相同的影响。 因此，我们可以将直接空气捕获技术放在我们计划使用或储存二氧化碳的地方。
储存方法也很重要。 仅将二氧化碳储存 2 年或 60 年是不够的。 如果 100 年后所有的碳都会重新回到环境中，我们所做的只是照顾好自己，而我们的孙子们必须重新解决这个问题。 与此同时，世界能源消耗正以大约 每年XNUMX％.
除了成本之外，对直接空气捕获的抱怨之一是它是能源密集型的。 可以减少能源使用吗？
直接空气捕获的两大能源用途是运行风扇以吸入空气，然后加热以提取二氧化碳。 有办法减少两者的能源需求。
例如，我们偶然发现了一种在干燥时会吸收二氧化碳并在潮湿时释放二氧化碳的材料。 我们意识到我们可以将这种材料暴露在风中，它会装载二氧化碳。 然后我们可以弄湿它，它会 释放二氧化碳 以一种比其他系统需要的能量少得多的方式。 添加可再生能源产生的热量会使二氧化碳压力更高，因此我们有一种混合了水蒸气的二氧化碳气体，我们可以从中收集纯二氧化碳。
如果捕捉是被动的，我们可以节省更多的能量——不需要风扇吹空气； 空气自行移动。
我的实验室正在创建一种方法来做到这一点，称为 机械树. 它们是涂有化学树脂的高高垂直柱状圆盘，直径约 5 英尺，圆盘相距约 2 英寸，就像一叠唱片。 当空气通过时，圆盘的表面会吸收二氧化碳。 大约 2 分钟后，圆盘已满，它们沉入下面的桶中。 我们送入水和蒸汽以将二氧化碳释放到封闭环境中，现在我们有了水蒸汽和二氧化碳的低压混合物。 我们可以回收大部分用于加热盒子的热量，因此加热所需的能量非常少。
通过使用水分，我们可以避免大约一半的能源消耗，其余的使用可再生能源。 这确实需要水和干燥的空气，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长期储存，这种储存方式是否足够？
我在 1990 年代开始研究矿物封存的概念，在洛斯阿拉莫斯领导一个小组。 世界实际上可以通过利用它是一种酸和某些岩石是碱的事实来永久地清除二氧化碳。 当二氧化碳与富含钙的矿物质发生反应时， 它形成固体碳酸盐。 通过 矿化二氧化碳 像这样，我们 可以储存 几乎无限量的永久碳。
例如，有很多玄武岩——火山岩——在 与二氧化碳反应的冰岛 并在几个月内将其变成固体碳酸盐。 冰岛可以向世界其他地区出售碳封存证书，因为它将二氧化碳排放给世界其他地区。
德克萨斯州二叠纪盆地也有巨大的石油生产地下储层。 有大的咸水含水层。 在海底一公里以下的北海，能源公司 Equinor 一直在从天然气加工厂捕获二氧化碳并将其储存起来 每年 2 万吨二氧化碳 自 1996 年以来，避开挪威的 二氧化碳排放税. 我们可以进行矿物封存的地下储存量远远大于我们对二氧化碳的需求。 问题是有多少可以转化为探明储量
.我们也可以使用直接空气捕获 关闭碳循环 – 意味着二氧化碳被重复使用、捕获并再次重复使用，以避免产生更多。 现在，人们使用化石燃料中的碳来提取能源。 您可以通过将 CO2 与 绿色氢 用可再生能源创造。 这种燃料可以很容易地通过现有管道运输并储存多年，因此您可以在波士顿的冬夜使用去年夏天在西德克萨斯州作为阳光收集的能源来产生热量和电力。 一罐“合成燃料”的成本并不高，而且比电池更划算。
能源部设定了一个新目标，将二氧化碳去除成本降至每吨 100 美元，并在十年内迅速扩大规模。 必须发生什么才能使这成为现实？
DOE 吓到我了，因为他们听起来好像技术已经准备好了。 忽视这项技术30年，我们不能说有些公司知道怎么做，我们要做的就是推动它。 我们必须假设这是一项新兴技术。
Climeworks 是最大的商业直接捕获公司，它以 每吨约 500 至 1,000 美元. 那太贵了。 另一方面，以每吨 50 美元的价格，全世界都可以做到。 我想我们可以到达那里。
美国每年消耗约 7 万吨二氧化碳 商人二氧化碳 – 想想碳酸饮料、灭火器、粮仓用它来控制谷物粉末，这是有爆炸危险的。 平均价格为 60-150 美元。 所以低于 100 美元你就有了市场。
你真正需要的是一个监管框架，表明我们要求二氧化碳被储存起来，然后市场将从今天的捕获千吨二氧化碳转变为捕获千兆吨二氧化碳。
您认为这项技术在 10 年后会走向何方？
我看到了一个放弃化石燃料的世界，可能是逐渐放弃，但有一项任务是长期捕获和储存所有的二氧化碳。
我们的建议是，当碳从地下出来时，它应该与相等的去除相匹配。 如果你生产 1 吨与煤、石油或天然气相关的碳，你需要放 1 吨。 它不必是相同的吨，但必须有一个 扣押证明 这确保它已被收起，并且它必须持续 100 多年。 如果所有碳从地下出来的那一刻起就得到认证，那么欺骗系统就更难了。
一个很大的未知数是工业和社会将如何努力实现碳中和。 看到这样的公司令人鼓舞 微软 和 条纹购买碳信用 和证书去除二氧化碳，并愿意支付相当高的价格。
新技术可能需要十年或两年的时间才能渗透，但如果有经济吸引力，事情就会发展得很快。 第一架商用喷气式飞机于 1951 年面世。到 1965 年，它们无处不在。
关于作者
Klaus Lackner，工程学教授兼负碳排放中心主任， 亚利桑那州立大学
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