捕集空气中的二氧化碳将其变废为宝大有作为—

2019-08-28 作者:科学技术   |   浏览(80)

在蒙大拿州,农民种植生物能源作物的选择目前受到限制。只有像Flikkema一样敢于冒险的少数种植户正在尝试种植油菜和其他油籽。不过,随着气候变暖,整个区域被预测将变得更适宜柳枝稷以及生命力旺盛的杨树等植物生长。这些“二代”生物能源作物通常被视为生物能源的未来,因为作为多年生植物,它们比玉米、油菜等传统燃料作物更擅长储存土壤和生物质中的碳。它们还可以在拥有更少肥料和水分的边缘土地上生长,因此不太可能同粮食生产竞争。

二氧化碳的捕集和封存是指将二氧化碳从工业或相关能源的排放源分离出来,输送到一个封存地点,并且长期与大气隔绝。陈曦表示,二氧化碳排放源有很多,单一地要求某些工业企业进行捕集是远远不够的。比如说发电厂排放的二氧化碳的比率其实并不高,而全球有几乎一半的二氧化碳排放来自飞机和汽车,但不可能要求飞机和汽车捕集其排放的二氧化碳。所以,必须要有一种在全世界通行可行的大规模低成本捕集二氧化碳的方式,这种方式就只能够是直接从空气当中来捕集二氧化碳。

一旦被收获,这些作物将被卡车或者火车运输到发电厂和其他工业设施。在那里,它们和来自粮食作物以及森林采伐的废弃物一起,被燃烧产生热量或电,或者转变成乙醇和其他液体生物燃料。无论哪个过程排放的二氧化碳,都会被吸走并且压缩到液体中。集中起来的二氧化碳被抽走并且泵入地下的多孔岩层中,而后者在密苏里河上游盆地非常丰富。由于该地区拥有生产石油和天然气的悠久历史,因此星罗棋布着各种井。参与该项目的MSU化学家Lee Spangler正在研究靠近蒙大拿州东部科尔斯特里普发电厂的1.1万口井中是否有适合向地下注入碳的管道。最终的结果是,碳从大气中被重新转移到地质储层。

凤凰彩票登陆 1 摄影:哥伦比亚大学时笑阳陈曦教授实验室首创的二氧化碳吸附薄膜,可高效低成本地直接从空气中捕集二氧化碳。

当Flikkema从油菜田开车回家时,蓝色的小卡车在狭窄的灌溉渠中间辘辘驶过。“这是我们的命根子。”他说。在蒙大拿州,水是一种稀缺商品。迄今为止,灌溉作物是当地水源的最大消耗者,尽管最近石油和天然气行业对水的需求正在增加。美国宇航局戈达德宇宙飞行中心碳循环模型专家Ben Poulter表示,BECC会消耗一些本可以支撑作物或者当地生态系统的宝贵水源。“水已经定义了西部地区的土地用途,并且注定将成为一个大问题。”Poulter说。根据一项全球评估,利用柳枝稷封存37亿吨二氧化碳消耗的水源几乎相当于密歇根湖的水量。

众所周知,地球正在迅速变暖,冰川和冻土在逐渐消融,海平面在逐步上升,日益严重的气候变化使自然生态系统的平衡受到破坏,使人类的食物供应和居住环境受到威胁。而导致全球变暖和发生气候变化的一个重要原因就是温室气体的急剧增加。由于二氧化碳在温室气体排放量中占有最大的比重,因此在减缓气候变化的进程中,控制二氧化碳的排放便成为关键所在。在波兰卡托维兹气候变化会议召开之际,我们对哥伦比亚大学地球和环境工程系教授陈曦博士进行了采访,请他就捕集二氧化碳并加以利用的问题发表了真知灼见。请听李茂奇的报道。

这一思路是否可行是另一个问题。一些NET相当于巨大的空气净化器,同时很多技术虚构的成分多过事实。目前,极少有NET能在商业层面上运作。一些研究人员担心,他们为政策制定者提供了故意拖延气候行动以期未来的干预措施会收拾残局的危险借口。“从很多方面来说,我们只是在寄希望于一些神奇的事情会发生。”支持大幅减排的斯坦福大学气候科学家Chris Field认为。在其他人看来,人类已别无选择——我们已经浪费了太长时间,以至于无法仅靠勒紧腰带实现《巴黎气候协定》的目标。“我们可能需要更加强劲和立竿见影的缓解气候变化的举措,外加一些负排放技术。”阿伯丁大学土壤科学家、生物能源专家Pete Smith表示。

陈曦:“在早些年的时候,很多的科学家致力于从集中排放的源头——比如像电厂来捕集二氧化碳,但是后来大家意识到这是一个全球性的问题,单纯凭少数国家的一些针对部分工业企业的减排政策已经不能够阻止二氧化碳的量快速上升。就在今年早些时候,英国皇家工程院对全球发布了一本白皮书,叫“Greenhouse Gas Removal”,里面已经明确提出了唯一可行的大规模的工程化捕集二氧化碳的方法就是从空气当中直接捕集。但是空气捕集无疑有一定难度的,其中最大的难度就是假如存在一种很好的二氧化碳吸附剂的话,如何让它能够在释放了二氧化碳之后,这个吸附剂可以还原成原来的状态;也就是如何能够用最少的能耗来重复使用这个吸附剂,这个是困扰了很多科学家数十年的问题。我所领导的在哥伦比亚大学的团队在近年成功地攻克这一难题,我们通过理论、实验室试验,还有中试试验,都完美地诠释了我们只需要通过控制环境的湿度,就可以让二氧化碳的吸附剂再生。换句话说我们现在所发明的吸附剂只需要是干燥的时候就可以吸附二氧化碳。而之后只要往上喷一点点水汽,这张纸一样的吸附剂就可把二氧化碳释放出来,因此它的再生能耗是非常低的,从而使得大规模、低成本、高效率从空气中捕集二氧化碳成为可能。”

2015年,《巴黎气候协定》设立了将全球变暖控制在2℃以内的目标。在政府间气候变化专门委员会的最新报告中,研究人员调查了实现这一目标的可能路线图并且发现了一些令人不安的事情。在大多数模型情景中,简单地减排并不够。为限制变暖,人类还需要负排放技术。到本世纪末,该技术将从大气中移除远多于人类排放量的二氧化碳。英国东英吉利亚大学气候变化科学家Naomi Vaughan表示,NET将为全社会控制碳排放赢得时间。“这些技术允许人类排放更多二氧化碳并在以后将其收回。”

李茂奇,联合国纽约总部报道。

在未经证实的规模上接受考验

陈曦:“众所周知,二氧化碳是温室气体。它能够带来全球气候变化,而且近年极端气候的产生有很大一部分也和二氧化碳相关。但其实二氧化碳可能带来的并不仅仅是气候变化。事实上,二氧化碳是酸性气体,过量的二氧化碳导致海水的酸度增加,可以融化珊瑚礁并进一步导致海洋生态链的崩溃。所以有的学者也认为二氧化碳可能是第六次生命大灭绝的开始,而且它现在已经正在发生了。所以说我们要想保护我们地球的环境、保持可持续发展,我们必须要把大气当中的二氧化碳含量降下来。”

参加波兹曼会议的人大多未听说过BECC,并且对此持怀疑态度。它听上去像一种牵强附会的方案。在会议间歇,世界野生动物基金会区域负责人Martha Kauffman想知道BECC是否可能侵犯被用于放牧牛群的土地。她介绍说,在类似的草原上,“这是人们维持生计同时保持栖息地的主要方式”。

陈曦:“我是一个科学家,我从小就梦想能够用一些颠覆性的理念为整个社会,能够为人类做些事情。如果通过我们的努力,能够把二氧化碳变废为宝,既解决了全球变暖的问题,又能够创造出新的、有重要经济效益和社会效益的共生产业链的话,那么我觉得我们的科学技术是在真正地为人类、为社会服务。”

身着粉蓝色衬衫和牛仔裤的MSU生态学家Paul Stoy在白板前踱步,描述着由农业主导的景观如何被一场不同的绿色革命再次改造:大量种植可从天空中吸收二氧化碳的农作物。“我们已经有了这种对于避免危险的气候变化很有必要的新能源经济,但它看上去将会如何?”Stoy问道。

陈曦表示,早年,科学界认为二氧化碳是一个没有用的产品,主张捕集二氧化碳之后只能埋入地下封存。但其实无论能源循环,工业界中常见的材料循环,甚至是生命循环,其本质都是碳元素以不同的化合物的形式在循环,因此人们需要寻找到相对经济快捷地把二氧化碳转变为其他具有附加值的产品的路径。他认为,二氧化碳从空气当中直接捕集下来以后可以有四大综合利用路径,均可以创造显著的经济价值和社会效益。

BECC不是一项全新技术。目前,其两个组成部分——生物能量和碳捕获与封存已在某种程度上实现。全球各地的发电厂正燃烧生物质产生能量。虽然CCS进展缓慢,但十几个项目正在进行中,包括在北美大平原开展的若干试点。很多项目将来自化石燃料发电厂的二氧化碳抽取到日益减少的井中,从而将残余的油驱赶出来。运行时间最长的项目位于北海。在那里,挪威国家石油公司将二氧化碳从天然气中分离出来然后将其在地下封存了20多年。

陈曦:“第一就是富碳农业,也就是我们的植物和农作物本身就需要二氧化碳,通过光合作用把它转变为碳水化合物能够茁壮成长。如果说我们把大棚里空气中的二氧化碳浓度提高到现在五倍的话,那么很多作物的生长周期可以缩短,以及它的生长个体可以大幅度地增加,导致农业增收,所以这一块可以为富农经济做出重要贡献。第二,就是我们利用类似的想法可以让二氧化碳来引导藻类作物的生长,藻类可以承受很高的二氧化碳浓度,并且通过微生物转换将其转化为碳水化合物,并进一步制造为生物质乙醇或者生物质柴油,从而成为我们的新能源的一个重要的补充。第三大类就是将二氧化碳通过工程化的方法,将其直接转变为燃料或者其他有附加值的化工产品。在这一方向,我们最近在世界上首次展示了即便是从空气中直接捕集的超低成本二氧化碳里面混有大量的空气,我们仍然能够以接近百分之九十的转换效率,将混合气还原成合成气和其他有价值的燃料,从而实现了将二氧化碳低成本转化为燃料这样一个全合成碳循环的可能路径。第四,就是与其将二氧化碳封存在地层的无机矿物里面,还不如将它封存在我们世界上所拥有的体量最大的材料——也就是水泥和混凝土当中。二氧化碳渗入到水泥当中去后,对水泥有强化效果,可以制成有高附加值的产品。因此我们相信随着低成本空气捕集二氧化碳技术的进一步成熟,上面的这四大二氧化碳应用领域必将催生新的产业链、创造可观的经济效益和社会效益。”

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凤凰彩票登陆 3 世界银行图片/Wu Zhiyi北京的雾霾天气说明治理空气污染刻不容缓。

去年10月一个阳光明媚的日子,近40人涌入美国波兹曼市蒙大拿州立大学一间不算太大且被刷成薄荷绿的教室,只为瞥一眼未来的景象。有些是科学家,但大多数是同这片土地有着某种关联的人们:和农民共事的推广员以及代表大自然保护协会等机构的环保人士。他们都知道,气候变化将在未来几十年重塑该地区,但这并非他们到此讨论的内容。他们要探讨的是试图阻止气候变化产生的同样深远的影响。

政府间气候变化专门委员会在应《联合国气候变化框架公约》秘书处的邀请而编写的《二氧化碳的捕集和封存》报告中指出,减缓气候变化的方案包括提高能源效率,向低含碳量燃料转变,采用核能、可再生能源,增加生物汇,以及减少非二氧化碳温室气体的排放。此外,对二氧化碳进行捕集和封存也是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案。报告认为,捕集和封存二氧化碳的潜力是相当可观的,与只考虑其他气候变化减缓方案的策略相比,它能够从工程化的角度降低减缓气候变化的成本,并增加实现温室气体减排灵活性的潜力。

BECC并非实现负排放的唯一路径。不过,诸如利用化学反应直接从大气中捕获二氧化碳或者利用添加到土壤中的被磨碎的矿物质吸收二氧化碳等其他方法,刚刚开始最初的实地测试。Vaughan认为,这些技术或许有一天会超越BECC,但就目前来说,它们的成本高很多。“从某种程度上讲,BECC能为自己买单,因为它会产生能量。”

陈曦表示,近年来,随着美国政府部分人持有一些对全球变暖较为不负责任的论点,欧美一些国家的主要的科学家开始将眼光渐渐地投向了中国和其他国家,在这个时候中国有关机构出面来协调组织一个国际化大科学平台的行为,将是对人类科学和技术发展进步的重要贡献。

不过,多亏了全球模型,一种特定的技术已经悄悄地崭露头角。它就是上述随时可被波兹曼市采用的技术。该想法是种植快速生长的草类和树木,以吸收大气中的二氧化碳,然后将其在发电厂中烧掉,从而产生能量。不过,这些作物中的碳不会被再次释放到大气中,而是被捕获并且抽取到地下。该技术被称为生物能结合碳捕捉与封存技术。

凤凰彩票登陆 4 世界银行图片/Lundrim Aliu科索沃的一处传统煤炭发电厂,大量的温室气体直接排入空中。

为控制碳排放赢取时间 大规模种植生物能源作物或能延缓气候变化

哥伦比亚大学教授陈曦在采访中首先对二氧化碳的属性和捕集二氧化碳的意义进行了“释疑解惑”。

不过,要减缓气候变化,这些工具将不得不在完全未经证实的规模上接受考验。

陈曦:“我们相信通过从空气直接捕集二氧化碳这样的一个独特的视角,能够在全世界任何地方把空气当中免费的碳元素捕集下来,并且就地开展综合利用,也就是我们能够有一个将全球碳资源进行重新分配的独特机遇。目前,中国有关机构有意协调和组织关于二氧化碳捕集、利用和封存的大型国际科研平台,也将在这方面进行巨大的投入,期望能够在这方面联合全世界的科学家,在解决全球变暖以及碳资源的综合利用方面做出重要的贡献。”

俄勒冈州的杨树林场是快速生长的生物能源来源。图片来源:SEAN BAGSHAW/GETTY IMAGES

凤凰彩票登陆 5 摄影:哥伦比亚大学肖航陈曦教授在实验室和二氧化碳监测设备。

正如BECC通常被设想的那样,生物能源作物将在空闲的农业用地上种植。在密苏里河上游盆地,这可能意味着征用美国农业部土地休耕保护计划划定的田地。该计划会为农民提供补贴,目的是出于环境效应让一些土地休耕。如果被给予恰当的奖励,当地农民可能将这些土地重新投入生产——随着对玉米和大豆需求的增长,此类事情已在一些地区发生。“农民和其他人并没有什么不同。我们都是受利益驱动。”当地农民DaleFlikkema表示。

陈曦表示,哥伦比亚大学工程学院的座右铭是“工程造福人类”。他希望通过自己所掌握的工程技术,能够真正地为人类和社会做出一些贡献。

Kauffman并非唯一对此持谨慎态度的人。尽管BECC相对廉价并且理论上是可行的,但在模型中运行的庞大规模警醒了很多研究人员。在一些未来的情景中,到本世纪末BECC将从大气中移除1万亿吨二氧化碳——约是工业革命开始以来人类已经排放的二氧化碳量的一半,并且将提供1/3的全球能源需求。这一壮举需要在至少和印度面积相当并且可能要大过澳大利亚的区域内种植生物能源作物——相当于人类已经耕作的土地的一半。“光说‘我们就这样做,如何?’很容易,但实际上会发生什么无从得知。”Stoy表示。

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