面對氣候變化帶來的嚴重威脅，人類並非一籌莫展。除了節能減排以外，我們還能夠藉助科技的力量，將已經排放到大氣中的二氧化碳捕捉收集起來並加以利用，實現“負碳排放”。這種神奇的科技是如何實現的？
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二氧化碳是全球變暖的重要因素
目前全球氣候變化已經成為人類社會可持續發展面臨的嚴峻挑戰，導致這一問題的主要原因是溫室氣體（GHGs）濃度的增加。
在人類活動所排放的溫室氣體中，二氧化碳佔比最大，佔全球排放量的四分之三（努涅斯Nunez, 2019）[1]。碳排放主要來自發電行業所燃燒的化石燃料（煤炭、石油、天然氣、木材）和固體廢棄物。
歐盟[2]也將二氧化碳稱為全球變暖的最大貢獻因素。根據記錄，相比工業革命之前（1750年前），2020年大氣中二氧化碳的濃度增加了48%。除了化石燃料的燃燒，森林砍伐也是碳排放的另一大來源。下圖展示了2018年全球不同產業部門溫室氣體排放量佔比。
圖1：2018年全球不同產業部門排放的溫室氣體（二氧化碳當量）佔比（資料來源：世界資源研究所WRI-氣候資料分析指標工具CAIT）[3]
圖1包含了兩組資料：主要產業部門[4]及能源部門內的細分行業[5]。2018年全球排放總量為489.4億噸二氧化碳當量（即圖1的100%），在五大產業部門的排放量中，能源部門排放佔溫室氣體排放總量的四分之三以上（76.1%）
其次是農業部門（11.9%）和工業生產過程（5.9%）。這一巨大的佔比差表明了能源部門是造成全球溫室氣體排放的主要原因。而在能源部門的細分行業中，發電/供暖、交通運輸，以及製造業位列前三，分別佔總量的41.9%、22.2%和16.6%。
大部分能源產業的碳排放來自於燃燒化石燃料所產生的二氧化碳，如本文開頭強調過的，這也是全球溫室氣體的主要來源。
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實現低碳的兩種路徑：降碳和除碳
隨著全球氣候變化影響日益加劇，積極應對氣候變化成為當今世界大勢所趨，我們必須積極採取行動。
2015年12月，《聯合國氣候變化框架公約》的195個締約方通過了《巴黎協定》，旨在“將全球氣溫升幅限制在比工業化前水平高2℃以內，並尋求將氣溫升幅進一步限制在1.5℃以內的措施。”（聯合國氣候行動）[6]，有上百個國家同意在2050年以前達到碳中和的目標。
在《巴黎協定》透過五週年之際，聯合國秘書長安東尼奧·古特雷斯在發表的一份公報[7]中指出，一場充滿希望的碳中和運動正在興起，到2050年實現碳中和是當今世界最為緊迫的使命，各國政府、企業和人民需要攜手合作，共同努力實現這一目標。
如今，我們已經看到許多不同的解決方案在為地球未來的可持續發展和低碳發展做出貢獻。在這個科技飛速發展的時代，基於新技術的解決方案比傳統方法展現出了更多優勢，並能以指數級的速度發展和推廣開來，從而加速推動碳減排和未來碳中和目標的實現。
在深入瞭解這些技術解決方案之前，我們需要先知道實現低碳的兩種不同路徑：“降碳”和“除碳”。
圖2：幾種降碳解決方案（圖片來源：Andreus[8]）
降碳方案是各國和各行業所普遍採用的低碳解決方案，其理念是儘可能地減少環境中產生新的碳排放或溫室氣體排放。
我們可以減少石油和天然氣的生產（Beck等，2021）[9]，或透過使用清潔和可再生的能源替代化石燃料來進行能源生產，以解決圖1中能源部門碳排放佔比過高的問題。
例如，風能、太陽能或生物質能發電可以用於能源生產、建造韌性建築、驅動電動汽車以及垂直農業系統的運轉。
儘管使用清潔和可再生能源進行生產有助於實現碳中和目標，但考慮到當前的二氧化碳濃度，僅靠“降碳”方案還遠遠不夠。
如果不進一步採取行動和措施，大氣中的碳將長期存在，全球變暖也難以在短期內得到控制。
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除碳在碳減排中扮演關鍵的角色
第二種路徑即“除碳”方案將在碳減排上扮演非常關鍵的角色。與“降碳”解決方案不同的是，除碳能夠去除甚至實現負碳排放。
採用這一思路的技術被稱為“碳捕獲與封存（CCS）”，概念是透過捕獲二氧化碳並將其儲存在地下以去除現有大氣中的碳，從而實現大氣中的負碳排放。
一般來說，CCS的應用有兩種方式，即生物策略和技術策略。
CCS的生物策略可以定義為從大氣中去除碳的自然策略，核心在於可以從大氣中吸收二氧化碳的樹木，因此植樹造林和保護森林的行動能為這一策略提供支援。
國際能源署（IEA）[10]釋出的《2021全球能源評估》報告顯示，2021年僅能源領域的二氧化碳排放量就達到330億噸。除能源領域外，還有來自其他產業部門的溫室氣體排放，這意味著有超過330億噸的二氧化碳當量需要被移除。
然而，根據氣體檢測和監測解決方案製造商CO2METER（2021）[11] 的測算，一棵普通硬木樹每年能吸收大約24公斤的二氧化碳，也就是說它需要40年時間才能吸收約1噸的二氧化碳。面對要實現2050年全球碳中和的目標，我們只剩下不到30年的時間
因此，僅靠生物策略也就是植樹造林遠不足以實現這一目標。何況，植樹造林還需要投入大量的時間成本和土地資源。
這一擔憂促使人類進行更多的研究和技術開發，以更有效的方式消除和減少大氣中的碳排放（IEA，2021）[12]。
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透過CCUS可以對排放的二氧化碳提純再加以迴圈利用
如前所述，CCS是一種碳去除系統，除了生物策略，我們還可以透過技術對捕獲的碳加以利用。
因此，技術策略也可以稱為“碳捕獲、利用與儲存”（CCUS），透過CCUS可以對排放的二氧化碳進行提純，繼而投入到新的生產過程中，可以迴圈再利用，而不是簡單地封存。
圖3：碳利用的多樣性（來源：國際能源署，2021年）[13]
圖3顯示了二氧化碳從“輸入”到“轉化”的多種利用方式。中間部分是CCUS的輸入源，包括化石燃料、工業製造、生物質能、地下礦床和空氣中的二氧化碳。沒錯，空氣中的二氧化碳也可以透過CCUS技術加以利用。
當輸入源中的二氧化碳被提取後，有兩種轉化方式，分別是直接轉化和間接轉化。
直接轉化，是指不需要其他化學混合物的干預，將捕獲的原始碳立即投入利用。
根據IEA（2021）[13] 統計，全球每年二氧化碳使用量約為2.3億噸，其中約1.25億噸用於生產農業肥料，約7000至8000萬噸用於提高石油採收率。其它常用用途還包括食品和飲料生產，如水處理、冷卻和蘇打生產（見圖3右側）。
間接轉化，即透過化學和生物過程將二氧化碳轉化為有用的產品，使用途徑包括:燃料、化學品和建築材料。例如，將二氧化碳與氫氣混合，產生用於交通的碳氫化合物燃料。在建築方面，二氧化碳還能夠替代水用於生產混凝土（見圖3左側）。
這種間接轉化方式不會有新的碳產生，換句話說，這是一個碳中和“迴圈”過程，我們使用的產品實際上來自於二氧化碳的回收利用。
捕獲的碳除了用於再利用之外，也可以將其儲存——碳會以氣態或固態的形式被埋在地下，實現將其從大氣中移除，形成負碳排放。
目前，CCUS有許多技術模型，在本文中，我們將專門討論直接空氣捕獲（DAC）和生物質能碳捕集儲存（BECCS）技術。
直接空氣捕獲（DAC）是一種透過化學反應從空氣中直接分離並捕獲二氧化碳的技術。如前所述，空氣也可以作為CCUS的輸入源之一。
通常情況下，以空氣為原料的CCUS技術指的是從空氣中捕獲二氧化碳。
流程如下:
圖4：DAC過程（來源：榮鼎諮詢，2019）[14]
周圍的空氣被風扇吸到收集器中。
收集器內部有一層過濾器，其中含有特定化學物質，能夠將二氧化碳與空氣中的其他成分分離開來。
當捕獲到一定的二氧化碳後，將關閉收集器並對收集到的二氧化碳進行加熱提純。
最後，經過提純的二氧化碳，將被注入地下永久儲存（負碳排放），或用於生產製造（零碳排放）。
毋庸置疑，DAC在未來將大受歡迎。
首先，長遠來看，DAC透過對二氧化碳進行回收和利用，其生產的產品可以實現“可持續”和“零碳排放”；
其次，與植樹造林這種方式相比，DAC對土地面積的需求更少。根據Lebling（2021）[15]的資料，要捕獲100萬噸二氧化碳，需佔用約862平方公里的土地進行植樹造林，而建立一座DAC工廠和供能設施僅需要大約0.4至24.7平方公里的土地便可以實現這一目標。
最後，DAC還能將收集到的二氧化碳注入地層，以“地質封存”的方式實現“負碳排放”並有效應對氣候變化。
加拿大的一家清潔能源公司Carbon Engineering（碳工程，簡稱CE）正在探索DAC技術的商業化程序。
CE從2018年開始致力於研究“空氣到燃料”專案，即“從空氣中移除二氧化碳，並將其轉化為燃料”。
圖5：CE的DAC工廠（來源：CE）[16]
該專案使用可再生電力從水中提取氫氣，將其與從大氣中捕獲的二氧化碳結合，用作原料以生產能替代柴油、汽油、航空燃料的人造燃料。
根據Shah（2018）[17]的報道，CE預估捕獲二氧化碳的成本約為每噸94至232美元。CE希望透過“空氣到燃料”專案擴大規模，將生產的清潔燃料定價在每升1美元以內。
由此看來，成本和資金問題是限制當前DAC技術擴大規模的主要因素。
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BECCS正在成為排放密集型行業脫碳的最佳解決方案
另一種技術是生物質能碳捕獲儲存（BECCS）。BECCS是從生物質（樹木、作物）中提取生物能量的過程，其中捕獲的碳可以儲存在地下或用於生產產品。
該技術包括兩個重要的產出，分別是將生物質能轉化為能源（BE）和碳捕獲儲存（CCS）。過程如下:
圖6：BECCS過程（來源：全球CCS研究所，2019）[18]
1.大氣中的二氧化碳自然封存於大自然的樹木、作物等當中。
2.其中，能源作物、樹木殘茬和廢棄物等生物質中的二氧化碳可運用於BECCS。
3.產出1（BE）：透過燃燒、發酵、熱解或其它轉化方法利用生物質，生成有效能源如電、熱、生物燃料等。
4.產出2（CCS）：將自然封存中殘留的碳提取出來，進行地質封存（負碳排放）或將其用於生產產品（零碳排放）。
如今，生物質能（BE）在全球能源結構中的佔比有所提升。在BE中，釋放的二氧化碳會再次被樹木封存，這一迴圈可以實現零碳排放。
但在BECCS中，透過碳捕獲和儲存系統，將二氧化碳用於生產零碳產品或進行地質封存，進一步實現了負碳排放。
全球CCS研究所（2019）[18] 指出，BECCS正在成為排放密集型行業脫碳的最佳解決方案，並幫助達到控制全球溫升目標。
在聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（2014）[19]中，BECCS被認為是除碳系統有效的解決方案。根據Simth和Porter（2018）[20]推測，透過採用BECCS技術，未來有望實現多達220億噸/年的二氧化碳當量負排放。
此外，據IPCC預計，BECCS實現碳去除的成本為60至250美元/噸（Doyle，2014）[21] 。
與DAC一樣，BECCS在成本和資金方面也面臨挑戰，尤其是BECCS還需要佔用大量土地資源來建設生物能源工廠和實施碳捕獲與封存。
此外，如之前討論的自然策略一樣，土地資源和樹木生長時間也給這項技術帶來了巨大的成本。
DAC、BECCS等碳去除技術將會推動全球實現碳中和，對於已經制定了“2030年前碳達峰、2060年前碳中和”目標的中國來說也是如此。
科學家Fuhrman等人（2021）[22] 透過氣候變化分析模型為中國實現碳中和的目標提供了路徑支撐。
透過模擬，他們發現負排放技術將為中國減少約30億噸的二氧化碳排放量，包括貨運、重工業在內的“減排困難戶”。其中，DAC技術可以貢獻16億噸的減排量，佔總量的60%。
然而DAC技術的效率大約在30%至60%範圍內浮動，其餘減排目標需要靠BECCS和植樹造林來實現。
事實上，DAC、BECCS和植樹造林等方式能否達到緩解中國氣候變化所需的規模效應，仍然無例可循。但“負排放技術”（NETs）的規模化部署必將對中國的金融體系和自然資源（如水、土地和能源）產生廣泛而深刻的影響（Fuhrman等，2021）[22] 。
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建議和結論
毫無疑問，CCUS等除碳技術不可或缺，但僅僅依靠這種“緩解”方案還不足夠，碳減排計劃同樣重要。
正如本文開頭所介紹的，在“除碳”解決方案外，還有“降碳”解決方案，兩種方案從不同角度推動零碳目標的實現。例如，可再生和清潔能源專案可以阻止更多的新碳排放。
另一種解決方案——碳交易也將發揮重大作用。透過為各企業分配碳排放額度，企業需要對自身生產排放進行控制，如果超額排放則需要在碳交易市場上購買額度。
2021年7月16日，中國碳排放權交易市場正式啟動。
啟動首日，全國碳市場碳排放配額（CEA）掛牌協議交易成交量410.4萬噸，成交額達到2.1億元（Xu, Stanway & Woo，2021）[23]。
為了實現低碳未來，我們需要多種解決方案並用，無論目前它們的體量多大。
此外，我們也不能低估自然碳匯的力量。它能夠為生態系統降溫，保護生物棲息地和物種多樣性，並充當起自然的碳儲存“倉庫”。儘管存在時間成本和土地面積限制，但提高自然碳匯的成本也比較低。
未來，我們可以從種植系統的可擴充套件性和生長期的固碳效率方面對自然碳匯進行深入研究。對CCUS技術的進一步研究也十分必要，降低其技術成本以擴大規模，提高碳捕獲率的同時也要降低能耗。
最後，擴大清潔和可再生能源的規模將有助於除碳和推動碳中和目標的實現。讓我們一起加入“零碳行動”，透過所有方案的共同努力，朝著2050年低碳或零碳排放世界的目標共同努力。
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