清潔能源有助于減排二氧化碳。新華社發(fā)
今年,碳中和成為被頻頻提及的熱詞。
碳中和,是指國(guó)家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動(dòng)或個(gè)人,在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量,通過(guò)植樹(shù)造林、節(jié)能減排等形式,自己抵消自己產(chǎn)生的排放量,實(shí)現(xiàn)正負(fù)抵消,達(dá)到相對(duì)“零排放”。
在眾多碳中和技術(shù)路徑中,有一個(gè)治理思路二氧化碳方案,因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意,那就是碳捕捉。
那么,排出去的二氧化碳,怎么能捕捉回來(lái)呢?
全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡
地球溫度正在上升,極端天氣、森林火災(zāi)、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國(guó)際社會(huì)迫在眉睫的問(wèn)題。而二氧化碳作為最主要的溫室氣體,被認(rèn)為是遏制氣候變暖的突破點(diǎn)。
因此,碳中和概念應(yīng)運(yùn)而生。
“大家都知道,以石油、煤炭和天然氣為代表的化石能源,是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ),它們都是由古代生物的遺骸經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化形成。”專(zhuān)家介紹,這些深藏地殼深處、花費(fèi)成千上萬(wàn)年完成轉(zhuǎn)化的富碳資源,在過(guò)去不到一百年的時(shí)間,被人類(lèi)挖出、提煉、轉(zhuǎn)化、焚燒……驅(qū)動(dòng)人類(lèi)文明走向物資繁盛二氧化碳方案,也成為二氧化碳的主要來(lái)源。
河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教師張曼舉例,比如手機(jī),其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大約100千克的二氧化碳排放;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)每燃燒1升燃料,會(huì)向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳;生產(chǎn)1千克牛肉,會(huì)產(chǎn)生將近300千克的碳排放……
面對(duì)這一困境,2015年12月12日的巴黎氣候變化大會(huì)上通過(guò)了《巴黎協(xié)定》。《巴黎協(xié)定》約定,各國(guó)的長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫,較前工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2℃以?xún)?nèi),并盡力將其限制在1.5℃以?xún)?nèi)。以其目標(biāo)上限2℃計(jì)算,全球碳排放允許的總量為1萬(wàn)億噸。這是人類(lèi)第一次清晰界定了環(huán)境承受的極限邊界。
經(jīng)過(guò)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(ICPP)測(cè)算,自19世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái),全世界累積排放已超過(guò)6000億噸,超過(guò)該預(yù)算總額的60%。根據(jù)當(dāng)前的排放速度估算,若不采取強(qiáng)力干涉措施,全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡。
“碳預(yù)算超支,不僅意味著全球升溫2℃導(dǎo)致的海平面上升,還標(biāo)志著人類(lèi)調(diào)控氣候變化的徹底失敗?!睆埪f(shuō),隨著兩極冰川融化,升溫速度越來(lái)越快,最終將會(huì)導(dǎo)致一場(chǎng)關(guān)乎人類(lèi)存亡的災(zāi)難。
“從邏輯上講,減少大氣中的二氧化碳有兩個(gè)努力方向。”張曼說(shuō),其一,減少輸入,在最短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變我們的能源獲取方式,不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料,減少人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳;其二,增加去路,盡最大可能提高環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大氣中的二氧化碳濃度。
方案一目前可謂困難重重。因此,提高環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力的方案二,成為當(dāng)前技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)。
“植物的光合作用讓其具有了強(qiáng)大的固碳功能,但時(shí)效性慢,難以在短時(shí)間內(nèi)遏制強(qiáng)勁的二氧化碳增加趨勢(shì)。”因此,張曼表示,工程干預(yù)進(jìn)行碳捕捉是固碳主要研究思路。
把二氧化碳封存在地下
碳捕集及儲(chǔ)存,是一種收集二氧化碳,將它們運(yùn)輸至儲(chǔ)存地點(diǎn)并長(zhǎng)期封存的技術(shù)。專(zhuān)家介紹,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是找個(gè)坑把二氧化碳埋了,不讓它逃進(jìn)大氣層里搗亂。
但具體要在哪挖坑,怎么埋?
“其實(shí)埋二氧化碳也沒(méi)什么特別的,埋地里、埋水里都可以,關(guān)鍵是坑要挖得深,埋要埋得嚴(yán)實(shí)。”張曼說(shuō),二氧化碳封存的方法一般說(shuō)來(lái)可分為地質(zhì)封存和礦物封存兩類(lèi)。
地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)(氣態(tài)液態(tài)的混合體)的二氧化碳注入深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行封存。常見(jiàn)的適宜碳封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括油田、氣田、咸水層、不可開(kāi)采的煤礦等。
“地下深部咸水層因具有分布廣泛、儲(chǔ)存量大等特點(diǎn)而被視為二氧化碳長(zhǎng)期封存的最優(yōu)場(chǎng)地。然而,由于儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)改變以及存在的天然裂縫、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造,二氧化碳在封存過(guò)程中存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)?!睂?zhuān)家介紹。
基于此,對(duì)二氧化碳運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為國(guó)際學(xué)界的一個(gè)熱門(mén)課題。
2019年,中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所科研人員在實(shí)驗(yàn)室利用巖芯驅(qū)替夾持器模擬超臨界二氧化碳的穩(wěn)定驅(qū)替過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,巖芯表面動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)與二氧化碳注入壓力相關(guān)且保持線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系。
“光纖布拉格光柵傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型光纖傳感器?!痹撗芯控?fù)責(zé)人說(shuō),依據(jù)實(shí)驗(yàn)中的光纖布拉格光柵測(cè)量結(jié)果可知,這種監(jiān)測(cè)技術(shù)可觀(guān)測(cè)二氧化碳流體運(yùn)移路徑及相應(yīng)前緣信息,因而可應(yīng)用于二氧化碳封存現(xiàn)場(chǎng)滲漏監(jiān)測(cè)。
對(duì)此,張曼表示,如果地質(zhì)封存點(diǎn)經(jīng)過(guò)謹(jǐn)慎的考察與精心的管理,確定沒(méi)有泄露,注入地層中的二氧化碳可封存一千年以上。
與地質(zhì)封存相似,礦物封存也需要把二氧化碳注入到地下。
張曼說(shuō),地質(zhì)封存只是單純的物理封存法,而礦物封存是通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)(主要是CO2與含Mg和Ca的礦物發(fā)生的放熱反應(yīng)),在催化劑的輔助下,把氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的固體碳酸鹽(主要是菱鎂礦METO3和方解石CaCO3)。
事實(shí)上,二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳酸鹽的現(xiàn)象在自然界中是普遍存在的。“比如我們常見(jiàn)的大理石和石灰?guī)r就有很大一部分是這樣形成的?!睂?zhuān)家表示,這樣的自然現(xiàn)象雖然存在,但化學(xué)反應(yīng)非常緩慢,往往需要數(shù)百年甚至上千年的時(shí)間才能觀(guān)測(cè)到顯著的變化。
美國(guó)和歐盟的一些機(jī)構(gòu)從2012年開(kāi)始在冰島實(shí)施名為“碳固定”的試點(diǎn)項(xiàng)目。冰島有多座活火山,火山噴發(fā)形成的玄武巖廣泛存在于地下,這種巖石的鈣、鎂、鐵含量高,可與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)的碳酸鹽礦物質(zhì)。
研究人員先把此前收取的二氧化碳與水混合,然后注入地下400米至800米深處的玄武巖層中。研究結(jié)果顯示,所注入的二氧化碳含量的95%至98%在不到兩年內(nèi)便發(fā)生了鈣化(即轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽)。
專(zhuān)家表示,固態(tài)碳酸鹽礦物質(zhì)沒(méi)有泄漏風(fēng)險(xiǎn),因而這種方式可以永久且對(duì)環(huán)境無(wú)害地封存二氧化碳。玄武巖是地球上最常見(jiàn)的巖石類(lèi)型之一,在世界許多地方的大陸邊緣地帶廣泛存在,因此有潛力用于大量封存二氧化碳。
二氧化碳再利用
把二氧化碳儲(chǔ)存在地下只是選擇之一。在2018年,加拿大和美國(guó)的科學(xué)家們描述了一個(gè)更有趣的解決方案。
他們認(rèn)為氨氣檢測(cè)儀,捕獲的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化成其他分子,以制造燃料來(lái)儲(chǔ)存由風(fēng)力渦輪機(jī)或太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量。
碳捕捉后進(jìn)行能量開(kāi)發(fā),科學(xué)家最先考慮的是,采用太陽(yáng)能模擬植物光合作用,將二氧化碳固定成燃料。結(jié)果發(fā)現(xiàn),即便實(shí)現(xiàn)了這個(gè)反應(yīng),也只能算是對(duì)高品位能源的儲(chǔ)能再釋放,有些得不償失。
直到熱機(jī)工作原理的新認(rèn)識(shí)出現(xiàn),相關(guān)技術(shù)才有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
“以往熱機(jī)工作都是通過(guò)燃料燃燒,加熱腔室,獲取密閉空間的氣體膨脹,從而驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。不難想到,加熱不是熱機(jī)工作的目的柴油報(bào)警器,而只是手段。”專(zhuān)家介紹,如果燃料原本就是極低溫的,恢復(fù)到正常溫度,也會(huì)產(chǎn)生巨大膨壓,即便不燃燒,也能驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
二氧化碳恰是這樣一種神奇物質(zhì)。
“常壓下,它以零下78.5℃超低溫、固態(tài)干冰的形式存在;到了約10個(gè)大氣壓的環(huán)境中,又會(huì)變成液體流動(dòng),便于輸送?!睂?zhuān)家說(shuō),如果用干冰作為工作介質(zhì),就可以吸收環(huán)境中的熱量,從而受熱氣化。如果這一過(guò)程被限制在一個(gè)封閉容器中,就可以得到數(shù)十個(gè)大氣壓的常溫二氧化碳?xì)怏w。理論上,這種高壓、常溫氣體,完全可以推動(dòng)氣動(dòng)機(jī)械做功。
根據(jù)這一理念,低溫?zé)釞C(jī)迅速誕生。碳捕捉完成后形成的干冰物質(zhì),作為驅(qū)動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的燃料,氣化后釋放到空氣中,之后再次被捕捉回來(lái),從而保持一種人類(lèi)活動(dòng)與大氣狀態(tài)之間的平衡。
此外,將二氧化碳代替石油做化工原料也是一個(gè)絕妙的固碳方案。
“這種方法是把二氧化碳作為工業(yè)生產(chǎn)的原料使用?!睂?zhuān)家說(shuō),當(dāng)前絕大多數(shù)的人造材料、合成制品,都是石油化工的產(chǎn)物。也就是說(shuō),這些都源自地球上的動(dòng)植物數(shù)億年前收集的二氧化碳。
從理論上講,以今天人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)和改造水平,完全可以將捕捉到的二氧化碳用于制備當(dāng)前從石油中衍生得到的化學(xué)品和材料。而技術(shù)的關(guān)鍵在于,改造的過(guò)程中,如何才能有效地控制成本。
可喜的是,截至目前,基于二氧化碳的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)二氧化碳方案,已經(jīng)衍生出諸如建筑材料、化學(xué)品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。
“比起焚燒產(chǎn)生的熱量所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益,二氧化碳巨大的潛在利用價(jià)值,才是真正的寶藏。碳捕捉技術(shù),不僅正視二氧化碳排放的問(wèn)題,還首次將二氧化碳作為一種資源加以重視。”張曼表示,未來(lái),隨著碳捕捉技術(shù)成熟,回收成本降低,利用捕捉的二氧化碳進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),將變得十分尋常。(河北日?qǐng)?bào)記者王璐丹)
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