有了負(fù)排放技術(shù)碳減排就可以“躺平”嗎

第第頁(yè)有了負(fù)排放技術(shù)，碳減排就可以“躺平”嗎？

應(yīng)對(duì)氣候變化，低碳轉(zhuǎn)型才能治本|圖源：

導(dǎo)讀

負(fù)排放技術(shù)可直接移除大氣中的二氧化碳，是否意味著人類可以高枕無(wú)憂不減排？清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系博士后張?jiān)娀苷J(rèn)為，負(fù)排放技術(shù)并不是氣候危機(jī)的“救世主”，因?yàn)樘家瞥⒉荒荞R上消除碳排放帶來(lái)的影響，而且負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模推廣還存在很大的不確定性。

2023年以來(lái)，微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨、特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克和亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯等科技投Z人分別投Z了專注負(fù)排放技術(shù)的高科技初創(chuàng)公司，最近一段時(shí)間更是動(dòng)作頻頻[1–3]。對(duì)于眾多宣布要實(shí)現(xiàn)凈零排放的大公司，購(gòu)買負(fù)排放抵消額似乎正在成為潮流。

負(fù)排放技術(shù)，目前已知的方法主要是通過(guò)光合作用將大氣中的二氧化碳固定在植物、土壤、濕地和海洋中，或通過(guò)化學(xué)手段將大氣中的二氧化碳固定在礦物或者儲(chǔ)存在地質(zhì)層中。有專家預(yù)測(cè)，若突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸，負(fù)排放技術(shù)的潛力甚至能夠覆蓋目前全球的碳排放[4]。但是，負(fù)排放技術(shù)存在的環(huán)境、社會(huì)和健康風(fēng)險(xiǎn)，依然極具爭(zhēng)議。

負(fù)排放的減排潛力到底如何？目前對(duì)該技術(shù)的爭(zhēng)議點(diǎn)又集中在哪里？

1.正排放與負(fù)排放

碳循環(huán)是自然界中重要的物質(zhì)交換過(guò)程。動(dòng)植物的呼吸和化石燃料燃燒等過(guò)程產(chǎn)生的二氧化碳釋放到大氣中，成為大氣中二氧化碳的“源”；植物的光合作用和海洋溶解的無(wú)機(jī)碳等吸收了大氣中的二氧化碳，形成二氧化碳的“匯”。如果將大氣中的二氧化碳視為一個(gè)碳賬戶，向大氣中排放二氧化碳的行為就是增加正排放，將大氣中的二氧化碳移除的行為就是增加負(fù)排放。也就是說(shuō)，“源”是正排放的來(lái)源，“匯”是負(fù)排放的去處。

工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)（尤其是化石燃料的燃燒）導(dǎo)致二氧化碳排放不斷攀升，干擾了自然界中正常的碳循環(huán)，使得大氣環(huán)境中年平均二氧化碳濃度從工業(yè)革命前的280ppm左右上升到了2023年的412ppm左右[5]。二氧化碳吸收從地球表面向上輻射的能量，向低層大氣重新釋放熱量，使地球表面變暖，也就是人們通常所說(shuō)的“溫室效應(yīng)”。

圖11750-2023年人類活動(dòng)相關(guān)的二氧化碳排放和大氣中二氧化碳濃度|圖源[6]

全球變暖會(huì)導(dǎo)致海平面上升、極端氣候事件的增加等災(zāi)害，威脅人類的生產(chǎn)生活安全，以中國(guó)為例，國(guó)家氣候中心副主任巢清塵指出，“我國(guó)高速發(fā)展的城市化進(jìn)程和持續(xù)增暖的氣候會(huì)進(jìn)一步相互作用……比如城市化與極端高溫事件復(fù)合，將加劇城市熱浪的嚴(yán)重性，給城市用電帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)……對(duì)沿海城市，極端降雨/極端河流量與更頻繁的極端海平面事件復(fù)合，將加大沿海洪水發(fā)生的可能性?！盵7]

為了應(yīng)對(duì)氣候變化，科學(xué)家提出了一系列舉措。這些舉措可以從原理上分為兩類：削減碳排放的“源”和增加碳排放的“匯”，也就是削減正排放和增加負(fù)排放。

削減正排放的主要手段，包括可再生能源對(duì)化石能源的替代、提高能效、提高電氣化率等。然而，人類的生產(chǎn)生活目前離不開能源的消耗，短時(shí)間內(nèi)能源系統(tǒng)很難做到完全脫碳，這時(shí)，要實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的凈零排放，負(fù)排放技術(shù)的抵消就提上了日程。

另外，鋼鐵和水泥等工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的碳排放，通過(guò)能效提升、工藝流程改造和燃料替代等手段實(shí)現(xiàn)深度脫碳的潛力有限[8]，這意味著這些高碳行業(yè)的凈零排放將很大程度上依賴負(fù)排放技術(shù)的革新。

2.如何移除大氣中的二氧化碳？

如果說(shuō)各種減少正排放的技術(shù)是對(duì)碳排放的“釜底抽薪”，那么負(fù)排放技術(shù)就是“亡羊補(bǔ)牢”。簡(jiǎn)單概括，負(fù)排放技術(shù)就是直接移除大氣中二氧化碳的技術(shù)，因此也被稱為碳移除技術(shù)。

負(fù)排放技術(shù)種類繁多，并且還在不斷的發(fā)展中。根據(jù)碳移除的不同原理，負(fù)排放技術(shù)主要可以分為兩大類：一類是基于生物過(guò)程的負(fù)排放技術(shù)，利用光合作用吸收大氣中的二氧化碳，并將碳固定在植物、土壤、濕地或海洋中，主要包括植樹造林、土壤固碳、生物質(zhì)能-碳捕集與封存（BioenergywithCarbonCaptureandStorage，下文簡(jiǎn)稱BECCS）、生物炭、藍(lán)碳和海洋施肥等技術(shù)；另一類是基于化學(xué)手段的負(fù)排放技術(shù)，利用化學(xué)或地球化學(xué)反應(yīng)吸附或捕集大氣中的二氧化碳，并進(jìn)一步封存或利用，主要包括直接空氣捕獲（DirectAirCapture,下文簡(jiǎn)稱DAC）和加速礦化兩大類。

圖2主流負(fù)排放技術(shù)的原理、應(yīng)用場(chǎng)景和儲(chǔ)存介質(zhì)|圖源[9]

其中，生物質(zhì)能-碳捕集與封存、植樹造林和直接空氣捕獲由于減排潛力相對(duì)較大，并且技術(shù)和成本相關(guān)的數(shù)據(jù)積累較為成熟，被目前大多數(shù)主流的氣候變化綜合評(píng)估（IntegratedAssessmentModel,IAM）模型納入了未來(lái)情景模擬。

值得一提的是，作為除二氧化碳以外最重要的溫室氣體，甲烷的移除技術(shù)也正在引起學(xué)術(shù)界的注意。其技術(shù)原理和直接空氣捕獲類似，是利用沸石或多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)等材料吸附大氣中的甲烷，并在吸附以后將甲烷氧化為二氧化碳[10]。

由于甲烷的增溫效應(yīng)是二氧化碳的20倍以上，因此這種轉(zhuǎn)化也是對(duì)溫室效應(yīng)的削弱。此外，甲烷還可以通過(guò)微生物氧化進(jìn)行去除，例如通過(guò)植樹造林加強(qiáng)土壤微生物對(duì)大氣中甲烷的吸收，或者用甲烷氧化酶構(gòu)建生物催化聚合物來(lái)吸收點(diǎn)源泄露的甲烷。

不過(guò)，由于相關(guān)研究和技術(shù)的研發(fā)還處于起步階段，已有文獻(xiàn)還不足以支撐對(duì)甲烷去除的潛力、成本和影響的評(píng)估。

政府間氣候變化專門委Y會(huì)（IPCC）第六次評(píng)估報(bào)告將不同負(fù)排放技術(shù)的“負(fù)排放”潛力劃分為三檔：生物質(zhì)能-碳捕集與封存、直接空氣捕獲、海洋人工堿化、加強(qiáng)風(fēng)化、海洋鐵元素施肥、植物造林等幾類技術(shù)潛力最大，每年在3Gt二氧化碳以上；而土壤固碳、生物炭、泥炭地修復(fù)、人工海洋上流等技術(shù)的潛力在每年0.3-3Gt二氧化碳左右；藍(lán)碳的潛力最小，每年不到0.3Gt。

隨著時(shí)間的變化，對(duì)土地需求較高的技術(shù)——如植樹造林、生物炭和土壤固碳等技術(shù)面臨來(lái)自糧食作物的土地競(jìng)爭(zhēng)，其潛力可能會(huì)逐漸下降。而直接空氣捕獲技術(shù)由于需要的土地較少、選址靈活、對(duì)吸入氣體中二氧化碳的濃度要求也低，被認(rèn)為是潛力最大的負(fù)排放技術(shù)。如果能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)和成本上的突破，其潛力可以達(dá)到每年40Gt，幾乎相當(dāng)于目前全球一年的碳排放總額[4]。

從碳封存的穩(wěn)定性來(lái)看，不同技術(shù)的差別也十分顯著[11]。

生物質(zhì)能-碳捕集與封存和直接空氣捕獲將二氧化碳直接儲(chǔ)存在地質(zhì)層中，穩(wěn)定性最好，可以做到永久封存；其次是強(qiáng)化風(fēng)化和海洋人工堿化這兩種地化學(xué)手段，二氧化碳被轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，儲(chǔ)存時(shí)間可達(dá)數(shù)萬(wàn)年到數(shù)十萬(wàn)年之久；然后是海洋施肥，二氧化碳通過(guò)光合作用固定在海洋上層的浮游生物當(dāng)中，儲(chǔ)存時(shí)間可達(dá)數(shù)百到數(shù)千年。

儲(chǔ)存時(shí)間最短的技術(shù)則是植樹造林、土壤固碳、生物炭泥炭地恢復(fù)和藍(lán)碳等技術(shù)，這些手段通過(guò)生物過(guò)程將碳固定在植物、土壤和濕地等介質(zhì)中，儲(chǔ)碳的穩(wěn)定性取決于生物化學(xué)循環(huán)中這些碳被重新代謝釋放出來(lái)的過(guò)程長(zhǎng)短，儲(chǔ)存時(shí)間僅在數(shù)十到數(shù)百年之間。

在技術(shù)成本上，基于生物手段的負(fù)排放技術(shù)成本一般會(huì)小于基于化學(xué)/地化學(xué)手段的負(fù)排放技術(shù)[4]。例如，植樹造林目前的成本大約為每噸二氧化碳50美元以下，而直接空氣捕獲的成本則在每噸二氧化碳100-300美元之間。

但也有學(xué)者認(rèn)為，未來(lái)土地競(jìng)爭(zhēng)加劇，通過(guò)光合作用將碳固定在植物和土壤中的負(fù)排放技術(shù)成本將隨之上升；而化學(xué)類技術(shù)有望隨技術(shù)的成熟形成規(guī)模效應(yīng)，平攤初期的基礎(chǔ)設(shè)施成本，整體技術(shù)成本逐漸下降。

以直接空氣捕獲為例，2023年5月，瑞典Climeworks公司投建的世界上第一座商業(yè)化的直接空氣捕獲工廠已經(jīng)開始工作，其成本約為每噸二氧化碳600美元，該公司預(yù)計(jì)在2030年之前將成本控制在每噸二氧化碳200-300美元[12]。

3.超支的碳預(yù)算：負(fù)排放技術(shù)在深度減排情景不可或缺

目前，全球各國(guó)的減排承諾，距離2度/1.5度的溫升控制目標(biāo)存在很大差距。

碳預(yù)算是指將全球溫升控制在一定范圍以內(nèi)可以排放的二氧化碳總量。根據(jù)IPCC第六次評(píng)估報(bào)告，當(dāng)全球2023年以后的碳預(yù)算是500Gt時(shí)，將全球2100年的溫升相比于工業(yè)革命前控制在1.5度的可能性為50%，而目前全球每年的碳排放接近40Gt[11]。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）發(fā)布的《全球排放差距2023》也提供了相似的結(jié)論，即使全球各國(guó)的凈零排放承諾全部有效實(shí)現(xiàn)，全球2100年的溫升也將達(dá)到2.2度[13]。

圖3不同溫升目標(biāo)對(duì)應(yīng)的碳預(yù)算，圖源[11]

全球碳預(yù)算超支幾乎是不可避免的事實(shí)，通過(guò)負(fù)排放抵消超支的排放，就成了“不得不”的政策選擇。

從IPCC第五次評(píng)估報(bào)告開始，以生物質(zhì)能-碳捕集與封存為代表的負(fù)排放技術(shù)就成了深度減排情景中不可或缺的角色，主流氣候變化綜合評(píng)估模型都開始將其納入情景分析。根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告第三工作組報(bào)告，能實(shí)現(xiàn)2度及以下目標(biāo)的116個(gè)情景（將二氧化碳濃度限制430-480ppm）中，有101個(gè)情景需要部署生物質(zhì)能-碳捕集與封存[14]。IPCC1.5度特別報(bào)告中，生物質(zhì)能-碳捕集與封存以外還加入了直接空氣捕獲和植樹造林兩類技術(shù)[15]。

2023年發(fā)表在NatureClimateChange上的文章總結(jié)了目前主流氣候變化綜合評(píng)估模型的1.5度情景下負(fù)排放技術(shù)的部署情況，在全部119個(gè)情景中，有119個(gè)都考慮了生物質(zhì)能-碳捕集與封存、24個(gè)考慮了植樹造林、還有9個(gè)考慮了直接空氣捕獲[16]。

根據(jù)2023年發(fā)表在EnvironmentalResearchLetter上的一篇綜述，2度溫升目標(biāo)下，全球需要部署的負(fù)排放技術(shù)規(guī)模在2050年和2100年預(yù)計(jì)分別為0-9Gt和0-20Gt[9]。Furhman等人根據(jù)綜合評(píng)估模型的測(cè)算表明，1.5度情景下2050年需要部署的負(fù)排放技術(shù)是每年10-40Gt，取決于超支（Overshoot）的程度[16]。超支指的是排放超過(guò)碳預(yù)算的程度。即便是“低超支”情景（low-overshoot）下，對(duì)負(fù)排放技術(shù)的需求也在10Gt左右。

但目前的估計(jì)，沒有考慮碳排放和碳移除相互抵消的“不對(duì)稱性”，可能低估了給定碳排放超支額度下所需的負(fù)排放技術(shù)部署規(guī)模。

2023年6月發(fā)表在NatureClimateChange上的一篇文章通過(guò)多個(gè)地球系統(tǒng)模型的模擬發(fā)現(xiàn)，一噸二氧化碳排放對(duì)于大氣中的二氧化碳濃度的增加，要大于一噸碳移除對(duì)于二氧化碳濃度的降低[17]。換句話說(shuō)，如果把大氣中的二氧化碳看成一個(gè)碳賬戶，那么入賬和出賬的碳“匯率”并不是1：1，而是1：N（N1）。

4.有了負(fù)排放技術(shù)，碳減排能“躺平”嗎？

既然能夠直接移除大氣中的二氧化碳，是否意味著人類可以高枕無(wú)憂不減排？等著負(fù)排放技術(shù)去抵消大氣中的二氧化碳就好了？答案是否定的，負(fù)排放技術(shù)并不是氣候危機(jī)的“救世主”[18]。

有媒體把它形容為“最后的猛藥”[19]，但這劑藥可能藥效并不夠猛，副作用也不小。

首先，氣候變化是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，碳移除并不能馬上消除碳排放帶來(lái)的影響。

如果在人類累積碳排放嚴(yán)重超支以后再“臨時(shí)抱佛腳”用負(fù)排放技術(shù)抵消，可能會(huì)造成不可挽回的氣候風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)IPCC第六次報(bào)告的評(píng)估，碳移除以后對(duì)溫升的影響可能需要數(shù)年顯現(xiàn)，對(duì)永久凍土的影響需要數(shù)十年才能顯現(xiàn)，而對(duì)海洋熱膨脹的影響則完全不可逆[11]。海水溫度升高導(dǎo)致的熱膨脹效應(yīng)貢獻(xiàn)了目前海平面變化的三分之一，給沿海、低洼和小島嶼地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的氣候威脅。

其次，高排放造成的路徑依賴有可能是不可逆的，而負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模推廣還存在很大的不確定性。

這種不確定性有技術(shù)上的，也有資金上的[16]。前文列舉的近十種負(fù)排放技術(shù)中，只有生物質(zhì)能-碳捕集與封存、土地固碳和植樹造林目前有大規(guī)模推廣的技術(shù)實(shí)力，其他技術(shù)還處于小規(guī)模項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)的階段，成本居高不下[20]。相比于近年來(lái)成本不斷下降、與化石燃料正面競(jìng)爭(zhēng)的可再生能源[21]，負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化之路還很漫長(zhǎng)。

而且，負(fù)排放技術(shù)還存在一定的環(huán)境、健康甚至社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。

由于空氣污染物與溫室氣體的主要來(lái)源都是化石燃料燃燒，存在協(xié)同排放——負(fù)排放技術(shù)為部分碳排放保留排放空間的同時(shí)，也為更多空氣污染物的排放保留了空間。有研究發(fā)現(xiàn)，如果中國(guó)碳ZH的路徑將負(fù)排放的比例降到最低，相比于高比例負(fù)排放技術(shù)部署的路徑，能夠減少將近20%的空氣污染物排放，降低中國(guó)人與空氣污染暴露相關(guān)的發(fā)病和死亡，因此提升的人均預(yù)期壽命為0.5-1.2歲[22]。

部分負(fù)排放技術(shù)在固碳和儲(chǔ)存碳的過(guò)程也會(huì)造成空氣和水的污染。海洋施肥和海洋人工堿化等海洋負(fù)排放技術(shù)的儲(chǔ)存過(guò)程可能導(dǎo)致污染物的跨境傳輸[23,24]。這種效應(yīng)小則表現(xiàn)為富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮頻發(fā)、水質(zhì)敗壞、出現(xiàn)大面積缺氧區(qū)，導(dǎo)致漁業(yè)資源遭到破壞，沿海經(jīng)濟(jì)受損；大則影響氣候變化，甚至引發(fā)災(zāi)難。

另外，直接空氣捕獲技術(shù)的二氧化碳分離過(guò)程需要加熱，會(huì)造成額外的能耗和冷卻水消耗。數(shù)據(jù)顯示，基于液體溶劑的直接空氣捕獲捕集一噸二氧化碳所