亚历克·卢恩

《光明日报》( 2024年11月28日 14版)

图为用于直接碳捕集的石灰石。 

1997年末的一个晚上,13岁的克莱尔·拉克纳因为科学课要选择一个实验主题便找父亲寻求建议。她的父亲叫作克劳斯·拉克纳,正好是一位物理学家,在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事核聚变研究。那时,他已经开始怀疑核聚变能否取代高污染燃料,并转而思考如何去除大气中的温室气体。因此,他建议克莱尔尝试从空气中捕集二氧化碳。于是,克莱尔买了一个水族箱泵。在实验中,她将空气泵入装满强碱性溶液的试管中,这些碱液会与气流中的酸性二氧化碳结合,从而在一夜之间去除大约一半的二氧化碳。克莱尔因此在县科学博览会上获得了二等奖,她的父亲也撰写了一篇论文称,从空气中移除二氧化碳“很有可能可以在一定程度上”缓解全球变暖。

1·直接空气碳捕集

自20世纪50年代,科学家就已经知道如何从潜艇和宇宙飞船内的空气中去除二氧化碳,以防止船员窒息。但克劳斯·拉克纳的论文首次提出,我们可以将二氧化碳从大气中分离出来,以确保地球的宜居性。几年后,克劳斯·拉克纳与他人共同创立了一家名为“全球研究技术”的公司,并于2007年首次展示了从环境空气中移除二氧化碳的技术,现在这种方法被称作“直接空气碳捕集”(DAC)。“直接空气碳捕集”装置通常是一个由有机玻璃制成的长方形盒子,里面装着塑料片,塑料片上涂有干燥的二氧化碳吸附树脂。盒子的门会像衣柜门一样打开,以便空气流过塑料片。接着,在门关闭后,这些塑料片会被水浸湿而释放出二氧化碳,而后这些二氧化碳会被收集到储存罐中,以便用于工业领域或封存在地下。同年,英国维珍大西洋航空公司的所有者理查德·布兰森宣布设立一项2500万美元的大奖,奖励“具有商业可行性”的空气除碳技术。

虽然相关的化学反应可能并不难,但装置需要大量的设备与能源,因此需要大量的资金。2008年金融危机爆发后,全球研究技术公司耗尽了资金。布兰森则从未颁发奖金——一位发言人在2010年指出,2500个参评提案中没有一个能够有效吸收二氧化碳,并表示随着碳捕集技术的发展,民众的担忧程度越来越高。尽管那时有几家初创公司一直在自主研发技术,且有多个小型设施落地,特别是瑞士名为“克莱姆工业”的公司,以及加拿大名为“碳工程”的公司,但DAC却逐渐淡出了人们的视线。

然而,自21世纪初以来,全球二氧化碳排放量持续攀升,地球也变得越来越热。科学家逐渐认识到,想要实现《巴黎协定》的目标,不仅需要大幅减少碳排放,还要在本世纪从大气中移除数千亿吨的二氧化碳。植树是最显而易见的方法,但即便是种植一万亿棵树也远远不够,并且树木还可能会烧毁或死于病害,由此释放出它们储存的碳。克劳斯·拉克纳表示,在21世纪初,世界还没准备好接受DAC技术。“然而现在,我认为已经到了刻不容缓的地步。”

为了到2050年实现净零排放的目标,人们正试图通过多项措施大幅减少碳污染,包括建设可再生能源,实现从汽车到地下室熔炉等的全面电气化,以及鼓励发电厂进行碳捕集与封存。但有些来源的碳排放难以消除,比如长途飞行、航运、农业、水泥和钢铁生产。事实是人类制造的机器导致了全球变暖,然而现在我们又要建造更多的机器来移除碳排放。如果全世界从空气中移除的二氧化碳量开始超过碳排放量,即所谓的负排放,那么碳移除技术甚至可能使全球气温开始略有下降。

美国计划,到2050年每年移除和储存的二氧化碳量至少达10亿吨,比目前碳排放量的五分之一还多。为了实现这一目标,碳移除行业必须每年扩张40%以上,在短短几十年内发展成为世界上最大的产业之一,这样的发展速度超过了现在的绝大多数技术。2021年和2022年提出的关键气候法案包括对DAC的重大税收减免,以及投入35亿美元来建设几个区域性DAC中心。与此同时,大公司开始试图购买碳信用额来抵消其碳足迹。事实上,DAC公司每从空气中移除一吨二氧化碳就会获得一单位的碳信用额。然后其他公司便能从DAC公司购买碳信用额,而无需减少相当于此信用额的二氧化碳排放量。为此,美国已有130多个商用DAC工厂立项。然而,几乎所有这些工厂都是由一家石油公司规划,这家石油公司通常会将二氧化碳注入地下,以便从旧油田中“挤”出更多的原油。美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆将DAC描述为“可以从空中直接吸走数十年来累积的碳污染的巨大真空吸尘器”。但现在的问题是,最终DAC是否也会向环境中排放新的碳污染?

2·第一家工厂

美国第一家商用DAC工厂由名为“海卢姆”的初创公司开设,位于美国加利福尼亚州圣华金县下属的一座城市——特雷西。沙山克·萨马拉是海卢姆公司的首席执行官,他带我来到白色网围起的工厂核心区域。在这个区域内,工厂操作间就像一个巨大的工业厨房。数百个不锈钢托盘装着看似白面粉的物质,堆叠成12米高的塔。矩形机器人沿着塔楼之间的垂直大梁上下移动,检查那些形如面粉的石灰粉。这些石灰能从经过托盘的空气中吸收二氧化碳,在大约三天的时间里转化为碳酸钙,即石灰石粉。接着,形似机器人“鲁姆巴”但体型更大、配有叉车的轮式机器人会从托盘堆的底部拉出托盘,将粉末倒入通向外面900摄氏度高温炉的管道中。经过煅烧,石灰石释放出二氧化碳,并重新转化为石灰。捕集到的二氧化碳会被压缩并泵入一个大型储罐中,之后再被注入地下或混入湿混凝土中封存几个世纪。石灰则放回托盘中,继续吸收更多的二氧化碳。

萨马拉在印度海得拉巴一间18平方米的房子里长大。热浪来袭时,为了让家人凉快一些,他的母亲会将一条湿毛巾盖在风扇上。他的父亲先后在美国一家冰淇淋摊和一家药店工作。在萨马拉12岁时,他的父亲带着全家来到了美国缅因州。后来,萨马拉在美国康奈尔大学攻读经济学和机器人学,并在美国移动支付公司工作过。2013年,萨马拉与他人在旧金山合伙创办了一家公司,能够在几天内制造并交付定制电路板。

但萨马拉越来越担心包括印度在内的全球气候灾害。政府间气候变化专门委员会(IPCC)2018年的报告首次指出,要将全球升温控制在1.5摄氏度以内,碳移除技术可能很关键。两年后,他与当时还是化学工程博士生的诺亚·麦昆共同创立了海卢姆公司。他们开始开发一种可实现规模化应用的方法,摒弃了其他DAC初创公司常常使用的化学溶剂、复杂的过滤器和大功率风扇,转而使用廉价的石灰石和流速较缓的气流。

大约在同一时间,大型科技公司开始投资碳移除行业,有时是为了抵消自家公司产生的大量碳排放。海卢姆公司只是以书面形式宣布了他们的碳去除技术,几个月里便有两家在线零售服务公司为获得未来的碳信用额,向海卢姆公司支付了数十万美元,这帮助打开了碳移除技术的市场需求。第二年,海卢姆公司就从包括比尔·盖茨在内的多位投资者那里筹集到了5300万美元,并在马斯克资助的1亿美元XPRIZE碳移除大赛中赢得了100万美元的启动奖金,该竞赛旨在奖励能够每年从空气中移除1000吨二氧化碳,并有可能进一步扩大规模至数十亿吨的技术。此后,这家初创公司便开始在特雷西建造DAC工厂。2023年8月,美国能源部给海卢姆公司和克莱姆工业公司拨款6亿美元,用于在美国路易斯安那州西部建造一个DAC中心。(除海卢姆公司特雷西工厂外,世界上还有一套用于捕集二氧化碳的商用DAC设施,由克莱姆工业公司运作,位于冰岛高原上。)这个联合中心被称作“赛普拉斯项目”,主要用于每年捕集100万吨二氧化碳并将其注入地下。

美国能源部和科技公司的目标是通过提高产能来降低DAC的价格,其中有几家公司在碳移除技术上已投资10亿美元。目前,通过DAC去除一吨二氧化碳换取的一单位碳信用额要花费约1000美元,比同等的植树成本高出许多倍。但萨马拉认为,规模化应用可以降低成本。“这可以让成本曲线以非常快的速度下降,”他在压缩机的轰鸣声和真空泵如铙钹般的撞击声中说道,“你只需要把石灰放在一个个托盘上。”

3·“赛普拉斯”

离开加利福尼亚州后,我去了赛普拉斯项目的规划地——格雷牧场,那里是路易斯安那州沿岸400平方千米的沼泽区,毗邻得克萨斯州。从休斯顿开车到路易斯安那州的莱克查尔斯,我经过了斯宾德托普山,1901年石油从这里的地下喷涌而出,飞升至约60米的空中,此后便拉开了得克萨斯州石油繁荣的帷幕。这个家族的后裔格雷·斯特里姆说,目前格雷牧场约一半的收入仍然来自木材和石油开采的土地租赁,另一半来自肉牛饲养。不过,他希望从赛普拉斯项目开始,碳封存可以成为当地的下一个主要产业。

我和斯特里姆以及4名员工一起驱车前往50千米外的格雷牧场。我们在一条碎石路边停下车,不出三年,这个地方将看起来更像科幻电影里的场景,而不再是奶牛牧场。克莱姆工业公司的最新技术是一个边长为23米的圆角立方体设备,侧面呈网状,顶部伸出16个风扇喷嘴,底座为巨大的混凝土结构。未来将有大约60个这样的立方体排成一行,由压缩机和管道相连。在每个立方体内部,有16个通风设备,里面装有涂覆氨衍生吸附剂的过滤器。随着气流通过风扇、经由网状结构进入过滤器内,吸附剂便会捕集气流中的二氧化碳。然后,关闭通风设备,向里面充满100摄氏度的蒸汽,这样二氧化碳就会释放出来并通过管道传入封存地。克莱姆工业公司会把捕集的二氧化碳从牧场的一侧传输到12千米外的另一侧,在那里,斯特里姆的团队将把二氧化碳注入到地下深处。海卢姆公司本来打算在克莱姆工业公司附近建一座工厂,但在我参观后,海卢姆公司将赛普拉斯项目的一部分北迁,搬到了该公司在路易斯安那州什里夫波特建立的另一家工厂附近,以便把二氧化碳封存在路易斯安那州中部一片人工用材林地下。

我们回到车上前往碳封存地点,同时留意是否有鳄鱼出没。20分钟后,我们到了另一片草地,它位于一条驳船运河与一架废弃风车之间。2018年,来自美国的非政府组织、能源公司和依赖化石燃料的州的参议员联合起来,将一项名为45Q的税收抵免政策中的抵免额增加了一倍多,斯特里姆就此萌生了可以将碳注入此处的想法。根据这项政策,墨西哥湾沿岸的天然气和石油化工生产商等公司,可以通过烟囱上的洗涤器捕集二氧化碳并封存在地下,即碳捕集与封存(CCS),从而抵免一些税额,具体来说是每移除一吨二氧化碳可获得50美元的税收抵免。西弗吉尼亚州的参议员乔·曼钦是参议院内从石油和天然气行业获得献金最多的人。2022年,在曼钦等人的推动下,45Q政策中的税收抵免再次增加:从烟囱内捕集一吨二氧化碳为85美元,直接从空气中捕集一吨二氧化碳为180美元。对于在赛普拉斯项目中移除的二氧化碳,克莱姆工业公司和海卢姆公司都可以申请税收抵免,同时可以向想要抵消碳排放的客户出售碳信用额。重要的是,美国能源部还为这一项目提供了高达6亿美元的投资。此外,斯特里姆所拥有的牧场坐落在一个如同“生日蛋糕”的岩层之上,很适合用来封存二氧化碳。因此,为了将二氧化碳封存在这里的地下深处,克莱姆工业公司将向斯特里姆支付一定的费用。斯特里姆说,“这里的地质条件真是太神奇了。”

这种地质构造开始形成于6500万年前,当时落基山脉向上隆起,密西西比河等河流开始携带碎沙粒向下流入墨西哥湾。经过漫长的岁月,新的沉积层不断堆积,在它们的重压下,下方较古老的沉积层被压缩成多孔的砂岩。时不时地,海平面上升,在其上覆盖了一层泥质层,进而形成页岩。在格雷牧场这样的地方,页岩层形成了一顶不可渗透的“盖岩”,可以封存通过油井注入到下方砂岩孔隙中的二氧化碳。斯特里姆表示,这种分层结构使墨西哥湾沿岸成了“孔隙之地”,就像沙特阿拉伯是“石油之国”一样,估计可封存1000亿吨二氧化碳。

如果路易斯安那州批准了斯特里姆的钻井许可,他的团队将向下钻探2750米穿过页岩层,然后将压缩后的二氧化碳注入下方的砂岩。地质学家将通过仪器观察超高密度二氧化碳羽流如何挤走孔隙中的盐水,并向上迁移到页岩穹窿,同时密切监测二氧化碳的封存情况。他们计划在30年内将1亿吨二氧化碳注入到三个地点内。但模拟地下情况并不容易。在北海的一个碳封存项目中,羽流冲破了8层薄薄的页岩层,然后被困在了先前未被发现的第9层页岩层下。此外,路易斯安那州内有12万口废弃油井,二氧化碳很可能通过这些油井逸出,尽管斯特里姆表示,他所拥有的碳封存地点附近的6口油井已被妥善封堵。

然而,以黑人为主的莱克查尔斯地区的居民担心,输送二氧化碳到封存地点的管道可能会破裂。2020年,一个跨州二氧化碳管道网络发生泄漏,导致邻近的密西西比州45人住院。今年4月,莱克查尔斯郊区发生的另一起泄漏事故迫使警方发布了就地避难令。更广泛地说,他们担心赛普拉斯项目会助长环境种族主义。

4·技术的另一面

DAC行业还需要回答谁来买单的问题。美国能源部估计,到该行业每年能从大气中移除10亿吨二氧化碳时,捕集一吨二氧化碳的成本将降至100美元以下,仅凭45Q税收抵免就能实现盈利。但瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员于今年4月发表的研究预测,DAC的成本仍将维持在每吨360美元左右。按此计算,吸收10亿吨二氧化碳的成本可能超过美国国内生产总值的1%。即便是资金充裕的科技公司,也很难想象他们每年会自愿花费数千亿美元来购买碳信用额。内梅特说,美国政府或者至少是多数州政府,可能不得不以某种方式限制公司的碳排放,并强制污染者支付移除二氧化碳的费用。加利福尼亚州已经开始这样做:想要在该州销售汽油和柴油的公司必须要么减少碳排放,要么购买碳信用额。如果获得批准,克莱姆工业公司和海卢姆公司可以向其他公司出售部分碳信用额。

除设备外,能量需求也是主要成本。百万吨级赛普拉斯项目所需能量相当于25万个普通美国家庭的用电量。移除10亿吨二氧化碳所需的电量将是美国2023年可再生能源发电量的两倍。即使没有这一需求,美国目前也仍难以实现其可再生能源目标。批评家认为,对DAC的投资最好用于发展可再生能源,以取代天然气和煤炭发电,目前这两种发电方式仍然是美国电力的主要来源。美国斯坦福大学土木与环境工程学教授马克·雅各布森于2019年发表的研究表明,在20年的时间里,与用风力发电取代燃煤发电相比,使用同样多的风能运行DAC工厂将向大气中多排放40%的二氧化碳。而且DAC也不会减少其他燃煤污染物的排放,如二氧化硫。“除非所有的化石燃料工厂和生物能源工厂都消失了,否则DAC不会带来任何好处。”雅各布森说,“因为那些工厂始终会增加空气污染、(燃料)开采以及化石燃料基础设施。”

目前,绝大多数科学家认为有必要大幅减少化石燃料的使用。但有人担心,DAC的发展会让一些人感到困惑:既然之后可以移除大气中的二氧化碳,那为什么要停止燃烧炭?全球还远远无法实现将全球升温限制在1.5摄氏度的目标,但包括美国在内的主要石油和天然气生产国依然打算在2050年前继续增产。国际环境法中心的分析师莉莉·富尔表示:“对这些未来投机性技术解决方案的依赖,推迟了当下真正的气候保护行动。”事实上,DAC技术最大的私人投资者是美国大型石油公司——西方石油公司,这家公司的首席执行官曾说过,“没有理由永远不生产石油和天然气”。

从格雷牧场出来后,我沿着海岸向南驱车前往得克萨斯州科珀斯克里斯蒂。这是一座以拉丁裔为主的城市,曾经以海滩闻名,如今已成为美国最大的石油出口港。除了赛普拉斯项目,能源部还为西方石油公司在这里开发DAC中心提供了高达6亿美元的资金。克莱姆工业公司和海卢姆公司表示,DAC不应该成为扩大化石燃料生产与使用的理由,但对西方石油公司来说,发展DAC的目的是销售其“净零石油”。也就是说,石油燃烧产生的碳排放,将被西方石油公司的DAC工厂所捕集的二氧化碳抵消。西方石油公司已经在得克萨斯州西部建造了一座独立的、50万吨级的DAC工厂,它名为“斯特拉托斯”,会把捕集到的部分二氧化碳注入旧油井中,以采出更多的原油,这种方法叫作“强化采油技术”。去年,西方石油公司的首席执行官薇姬·霍卢布表示,DAC技术“让我们这个行业得以继续发展60年、70年、80年,所以我认为这项技术很重要”。

在科珀斯克里斯蒂以南15千米处,经过一座大教堂、一家烟花店和一些半圆拱形小屋后,碎石路上出现了一个“禁止入内”的标志。十几台风力涡轮机在海风中隆隆作响。越过一排低矮的豆科灌木,就是国王牧场。这里比罗得岛还要大,是詹姆斯·迪恩主演的关于石油热潮的电影《巨人传》的灵感来源。最快明年,西方石油公司位于得克萨斯州南部的DAC中心就将在这片黄褐色的土地上拔地而起。西方石油公司拒绝对此发表评论,也不允许我进去参观,但从网上的效果图来看,这座工厂将拥有一栋栋长长的建筑,外墙采用多孔黑色材料,金属屋顶上有一排巨大的圆形风扇。风扇可以使空气经过墙体,接着流过蜂窝状塑料片的氢氧化钾会与空气中的二氧化碳结合,形成碳酸钾,一种白色的盐。

然后,“颗粒反应器”会把碳酸钾盐变成石灰石颗粒,并在高温炉中加热,将二氧化碳释放到建筑物后面的一排排储存罐中。

到目前为止,这家DAC中心的开发一直处于保密状态。为获取更多信息,我参加了得克萨斯州金斯维尔市以西40千米处的国王牧场历史中心的小巴之旅,导游花了一个半小时的时间讲述这里著名的赛马和矮胖的橙色牛群。但当我问到DAC中心时,她把我的问题转给了管理部门,而管理部门从来没有回复过我的多次电话和电子邮件。国王牧场博物馆的档案管理员说,未经允许,她不能谈论此事。当地商会会长也透露说,他已经签署了保密协议。为这个中心游说的县法官曾两次同意接受我的采访,但都被取消了。一位在牧场入口附近清理灌木丛的工人说:“我不知道我们是否被允许谈论这件事。”

西方石油公司的霍卢布究竟是恶人还是先驱,取决于你问的人是谁。她出生于美国亚拉巴马州,从石油钻井平台工程师做起,一路晋升,于2016年成为美国大型石油公司首位女性首席执行官。在美国提高45Q税收抵免两年后,她开始筹备斯特拉托斯的建设。部分原因是西方石油公司已经成为得克萨斯州最大的EOR(强化石油采集)生产商。在提高原油采收率的过程中,压缩的二氧化碳会置换出滞留在岩石孔隙中的原油,从而将产量提高25%。尽管大部分二氧化碳会被封存在矿床中,但随着那些产出的石油出售,它们燃烧后会产生更多的碳排放。

霍卢布意识到,通过DAC捕集二氧化碳,公司可以实现一举三得:获得税收抵免,出售碳信用额,以及生产更多的石油。霍卢布曾成功游说国会,将DAC联合EOR的碳信用额提升至130美元每吨。此后,她宣布西方石油公司将在2035年前开设130家DAC工厂。当美国能源部选定得克萨斯州南部的DAC中心时,西方石油公司以11亿美元的价格收购了加拿大碳工程公司。目前,这家DAC公司已经与多家公司达成协议,包括为韩国一家炼油厂提供净零排放的石油,并向微软、空中客车和亚马逊等公司出售与EOR无关的碳信用额。

雪佛龙和壳牌石油公司正在投资石油钻探和DAC,并且获得了一小笔资金以发展自己的DAC中心。美国能源部表示,这笔资金可以帮助扩大技术规模,造福更多人,同时还能让公司减少化石燃料的开采。今年3月,珍妮弗·威尔科克斯在接受采访时表示:“这给了他们转型的机会。”当时,威尔科克斯还是美国能源部化石能源和碳管理办公室的副主任,后来她离职了。她认为,“这些公司拥有足够的资源和资产,能够真正实现这一目标”。

埃米莉·格鲁贝特是美国圣母大学的环境社会学家,曾经在美国能源部DAC中心工作。格鲁贝特表示,“提供财政激励,让石油公司停止开采石油”的方法是徒劳的。她和其他一些人都认为,碳移除行业应该国有化,由政府对碳排放征税并为碳捕集支付费用,类似于为营造宜居城市环境而提供的垃圾收集服务,只不过对象是大气。奥扎纳等活动家呼吁将这些DAC中心部分归社区所有。格鲁贝特说,不受监管的营利性DAC“将会被化石燃料行业所掌控”。

(作者:亚历克·卢恩)

 本版图文由《环球科学》杂志社供稿