有了負(fù)排放技術(shù)碳減排就可以“躺平”嗎

第第頁有了負(fù)排放技術(shù)，碳減排就可以“躺平”嗎？

應(yīng)對氣候變化，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，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)間更是動作頻頻[1–3]。對于眾多宣布要實(shí)現(xiàn)凈零排放的大公司，購買負(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，或通過化學(xué)手段將大氣中的二氧化碳固定在礦物或者儲存在地質(zhì)層中。有專家預(yù)測，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、社會和健康風(fēng)險(xiǎn)，依然極具爭議。

負(fù)排放的減排潛力到底如何？目前對該技術(shù)的爭議點(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)交換過程。動植物的呼吸和化石燃料燃燒等過程產(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，“源”是正排放的來源，“匯”是負(fù)排放的去處。

工業(yè)革命以來，人類活動（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的“溫室效應(yīng)”。

圖11750-2023年人類活動相關(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，以中國為例，國家氣候中心副主任巢清塵指出，“我國高速發(fā)展的城市化進(jìn)程和持續(xù)增暖的氣候會進(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，給城市用電帶來巨大挑戰(zhàn)……對沿海城市，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)過程產(chǎn)生的碳排放，通過能效提升、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？

如果說各種減少正排放的技術(shù)是對碳排放的“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)用場景和儲存介質(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估（IntegratedAssessmentModel,IAM）模型納入了未來情景模擬。

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)化也是對溫室效應(yīng)的削弱。此外，甲烷還可以通過微生物氧化進(jìn)行去除，例如通過植樹造林加強(qiáng)土壤微生物對大氣中甲烷的吸收，或者用甲烷氧化酶構(gòu)建生物催化聚合物來吸收點(diǎn)源泄露的甲烷。

不過，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)還不足以支撐對甲烷去除的潛力、成本和影響的評估。

政府間氣候變化專門委Y會（IPCC）第六次評估報(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)面臨來自糧食作物的土地競爭，其潛力可能會逐漸下降。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，儲存時(shí)間可達(dá)數(shù)萬年到數(shù)十萬年之久；然后是海洋施肥，二氧化碳通過光合作用固定在海洋上層的浮游生物當(dāng)中，儲存時(shí)間可達(dá)數(shù)百到數(shù)千年。

儲存時(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)，這些手段通過生物過程將碳固定在植物、土壤和濕地等介質(zhì)中，儲碳的穩(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的過程長短，儲存時(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，未來土地競爭加劇，通過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估模型都開始將其納入情景分析。根據(jù)IPCC第五次評估報(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)綜合評估模型的測算表明，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碳預(yù)算的程度。即便是“低超支”情景（low-overshoot）下，對負(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于大氣中的二氧化碳濃度的增加，要大于一噸碳移除對于二氧化碳濃度的降低[17]。換句話說，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)長期過程，碳移除并不能馬上消除碳排放帶來的影響。

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)告的評估，碳移除以后對溫升的影響可能需要數(shù)年顯現(xiàn)，對永久凍土的影響需要數(shù)十年才能顯現(xiàn)，而對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]。相比于近年來成本不斷下降、與化石燃料正面競爭的可再生能源[21]，負(fù)排放技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)化之路還很漫長。

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

由于空氣污染物與溫室氣體的主要來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)在固碳和儲存碳的過程也會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)的儲存過程可能導(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)的二氧化碳分離過程需要加熱，會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