随着气候变化的影响越来越多地通过更严必威官网是真的吗重的风暴、野火和洪水感受到,减少温室气体(GHG)排放的必要性——例如改用电动汽车、部署太阳能电池板和减少森林砍伐——变得至关重要。同时,最新的必威官网是真的吗气候科学表明这些努力将不足以将气温上升控制在1.5摄氏度(2.7华氏度)以下,这将防止气候变化的最严重影响。必威官网是真的吗

虽然减少温室气体排放的努力应该始终放在首位,但实现气候目标也需要二氧化碳去除(CDR)——这些系统必威官网是真的吗直接从空气中去除碳-到本世纪中叶可能达到10亿吨的规模。除碳不仅是必要的以平衡剩余排放到2050年,这些问题不可能消除,也不会消除,而且还会减少空气中高浓度的二氧化碳,因为二氧化碳正引发越来越严重的气候变化影响。必威官网是真的吗美国是历史上最大的累积二氧化碳排放国2美国有责任成为把它从大气中拉回来的领导者。所需的确切数量将取决于全球减排的速度。

碳去除可以有多种形式——包括自然解决方案,如种植树木和提高土壤固碳能力,以及加速或模拟自然碳去除过程或直接吸收CO的技术解决方案2从空气中。直接空气捕集(DAC)是目前显示出前景的一种碳去除技术,很可能成为更大的碳去除组合的一部分。与其他类型的除碳相比,它占用的空间相对较小,选址也可以灵活,因此可以避免与其他土地用途竞争,可以建在边缘土地上或靠近地质储存地点,以最大限度地减少对CO的需求2管道。

在这里我们回答一些关于DAC的关键问题。

1.什么是直接空气捕捉?

直接空气捕捉是一种利用化学反应从空气中提取二氧化碳的技术。当空气经过这些化学物质时,它们会选择性地与CO发生反应并捕获CO2,让空气的其他成分通过。当今领先的系统要么使用液体溶剂,要么使用固体吸附剂,它们由常见的化学物质组成,这些化学物质已经在从肥皂到水过滤等其他应用中得到了应用。

二氧化碳一旦从大气中被捕获,通常会通过加热将其从溶剂或吸附剂中释放出来。这样做可再生溶剂或吸附剂,用于另一个捕获循环。开发中使用的其他系统电化学流程这可以减少能源需求和成本。

捕获的有限公司2然后可以注入到地下深处,在某些地质构造中隔离或用于各种产品和应用。产品使用的碳效益,或可持久储存的净碳量,取决于产品。在混凝土或塑料等产品中使用二氧化碳可以提供长期的封存(几十年甚至几百年),而在饮料或合成燃料等产品中使用二氧化碳会迅速将碳重新释放到大气中。在某些情况下——例如航空燃料——用CO生产的合成燃料2它仍可能是排放更密集的化石燃料的更有利的替代品。然而,为了使气候效益最大化,大部分二氧化碳必威官网是真的吗被捕获2将需要进行大规模和永久性的地下封存,而不是有用但更有限的利用途径。

一种地质储存包括将二氧化碳注入地下的某些类型的岩石中
一种类型的地质储存包括将二氧化碳注入地下的某些类型的岩石中,并在那里永久储存。这个来自冰岛Carbfix项目的岩心显示了注入的二氧化碳产生的碳酸盐。图片由固碳。

2.直接空气捕捉技术准备好了吗?

对DAC的兴趣激增投资在过去的几年里,越来越多的公司正在进入这个领域。这是由于认识到碳排放将越来越需要满足国家和全球气候目标必威官网是真的吗此外,与其他碳去除方法相比,DAC也有一些优点,包括对规模的实际限制很少,土地面积使用相对较少,选址灵活。

当今技术最发达的公司包括Climeworks碳工程而且全球温度(见下表)。这些公司加起来18岁的植物大小不一(1吨吨2每年可达4000 tCO2/年的生产能力,是目前运营中最大的工厂),总捕获量接近8000吨二氧化碳当量2/年。大约一半的二氧化碳会被永久封存,这与每年排放的二氧化碳差不多870辆汽车-而另一半则用于生产各种产品。

美国西南部正在开发一座年产100万吨的DAC工厂,预计将于2024年底投入使用。其他公司近年来已建立,采用溶剂、吸附剂等创新类型的技术。

DAC目前分类“技术准备等级”为6(在1到9的范围内),这意味着它仍处于大规模和原型阶段,尚未准备好全面商业部署。但这也意味着,通过从技术的早期迭代中学习,有足够的机会提高性能并降低成本。

领先DAC公司的现状

3.直接捕获空气的成本是多少?

尽管有好处和灵活性,但每吨二氧化碳的直接空气捕获成本更高2与许多缓解方法和自然气候解决方案相比,这是一项能源密集型工作,因为从周围空气中分离二氧化碳。必威官网是真的吗DAC的成本范围在250美元而且600美元今天取决于技术选择、低碳能源和它们的部署规模;相比之下,大多数重新造林的费用低于50美元/吨

但是,取决于部署的速度,这可以通过支持政策和市场发展加快,DAC的费用可能下降到大约150美元-200美元在未来5-10年每吨。更进一步,能源部推出了碳负极拍摄该计划的目标是将碳去除技术和方法的成本降低到10亿吨规模的100美元/tCO2在接下来的十年里。

目前成本高的另一个原因是DAC公司和项目相对较少——开发更多的项目将提供可以降低成本的学习机会。值得注意的是,DAC提供了可量化和永久性的储存,而像树木这样的自然碳去除方案面临着森林砍伐和气候变化引发的威胁,如野火和干旱。必威官网是真的吗

DAC还提供大气净化,这是一种公共产品,而不是人们需要购买的产品,因此直接收入的机会更有限。捕获的有限公司2可以出售用于产品从混凝土骨料对于碳纤维来说,市场通常不能提供足够的收入来抵消捕获成本。最大的CO市场2今天的技术是提高石油采收率(EOR),由于它与化石燃料生产的关系,这一技术备受争议。

最终,DAC最大的气候效益来自于地质封存,除了公共必威官网是真的吗政策支持外,没有其他收入机会。公共投资于及对碳去除技术的支持有所增加但为了充分扩大规模并避免气候变化的最坏影响,还需要更多的资金。必威官网是真的吗

4.哪些政策和投资支持DAC在美国的发展?

今天支持DAC的最重要的联邦政策是45问税收抵免,每吨CO的价格可高达35-50美元2通过DAC和点源碳捕获捕获(50美元/tCO)2如果捕获的碳被隔离在地下和35美元/tCO2如果用于EOR或其他地方)。已经有几个立法通过提供更高的信贷价值和延长其时间表,以及其他变化,来提高45Q。

联邦政府还为包括DAC在内的多种碳去除技术的研究、开发和示范提供资金。美国能源部对CDR的资助从2009-2019年的不足1000万美元大幅增加到1.29亿美元在最近的(2022财年)预算中。

两党基础设施法也提供了一个空前数额的资金在接下来的五年里,专门为DAC设立:35亿美元设立四个DAC中心,1亿美元设立一个商用DAC奖,1500万美元设立一个商用前DAC奖。此外,还有46亿美元的资金用于支持像CO这样的基础设施建设2管道和地质隔离,这是DAC和点源捕获都需要的,比如捕捉水泥厂的排放。

在州一级,加州的低碳燃料标准为DAC工厂提供信用,无论是在加州内外,顺序为200美元/ tCO2.这一信贷对碳工程公司目前在美国西南部开发的百万吨DAC工厂的经济可行性起到了重要作用。这将是世界上第一个大规模的DAC工厂。

其他各种费用已经在联邦和州一级引入,以支持碳去除。的《联邦二氧化碳去除领导法案》将要求联邦政府增加碳去除量。纽约州也有类似的法案《二氧化碳去除领导法案》-将需要国家采购CDR。

除了联邦和州的政策,企业对碳去除和DAC的投资也在增加。引领这一趋势的是像条纹Shopify而且微软这些公司已经投入了数亿美元用于碳去除,包括DAC。除了这些先行者,还有许多其他公司正在购买

Climeworks的第一家商用直接空气捕捉(DAC)工厂位于瑞士的欣维尔。
Climeworks的第一家商业直接空气捕捉工厂位于瑞士的欣维尔。风扇吸入空气,空气中的二氧化碳与化学物质发生反应,选择性地与空气结合。图片由Climeworks

5.使用直接空气捕捉的意外影响是什么?

而像IPCC指出需要为了实现我们的气候目标而进行大量的碳去除,必须注意确保DAC的增加不会分散对其他缓解措施的必要关注和投资,特必威官网是真的吗别是在减少化石燃料使用方面。科学家指出,我们既需要加快减排速度而且碳去除,而需要的碳去除量与我们能够减少排放的深度成反比。

需要强有力的政策和私营部门保护,以确保国家和企业不会过度依赖以牺牲减排为代价的碳去除。例如,科学目标计划最近零的指导要求企业通过减少90%以上的自身排放来实现其气候目标,并仅用碳去除必威官网是真的吗来补偿剩下的5-10%不能直接减少的排放。

对于DAC,一些人担心通过EOR(如前所述)与化石燃料生产的联系,EOR使用捕获的CO2从枯竭的油井中生产更多的石油。而EOR则可以永久隔离注入的CO2在美国,它还生产石油,而石油会产生更多的排放。因此,化石燃料公司在DAC和EOR的投资可以被视为继续生产化石燃料和减缓能源转型的一种方式。

适用于所有类型的CO2被捕后,社区对CO的担忧已被提出2CO的管道和地质储存2特别是在安全性和两者泄漏的可能性方面。考虑到2020年,这些担忧尤其突出有限公司2管道破裂通过两党基础设施法为CO .提供了46亿美元的资金2运输和存储。有限公司2自20世纪70年代以来,管道就一直在使用,就像石油和天然气管道一样,带来了非零风险。然而,随着预期投资的增加,需要注意确保它们有足够的资金保障措施考虑到操作安全以及对环境和人的影响。地质储存已经被证明安全在百万吨级时,但扩大到数百万吨或数十亿吨规模同样需要进一步关注监管需求。

由于DAC是一种较新的基础设施类型,关于它将如何影响当地社区的信息有限——无论是积极的还是消极的。需要更多的研究来了解这些影响在一个项目一个项目的基础上,与潜在的受影响社区积极参与。

6.DAC对资源的主要影响是什么?

能源

目前使用的两种主要直接空气捕捉系统有不同的温度要求,这影响了操作它们所需的能源类型。液体溶剂系统需要900摄氏度(华氏1652度)释放捕获的CO2,而固体吸附系统需要80到120摄氏度这意味着固体吸附系统可以利用废热或可再生能源,而溶剂系统目前依靠天然气进行碳捕获和存储。对于这两个系统,能量大约是80%的热和20%的电。

能源必须是零碳或非常低碳的,以最大化净捕获效率,否则会产生更多的CO2在这一过程中,使用的能量将比从空气中捕获的能量产生排放。Climeworks的固体吸附剂系统估计其长期能量需求为7.2 GJ(或7.2 GJ)2000千瓦时/ tCO2) -相当于约五分之一相当于一个美国家庭每年的天然气消费量——而近期的能源需求会略高。Carbon Engineering公司同样估计,能源需求约为8.8 GJ/tCO2(或2400千瓦时/ tCO2).

扩大今天的DAC系统将消耗大量的能源。到2030年,美国的捕集能力达到每年700 - 900万吨两党政策中心的DAC委员会Rhodium Group,分别为0.3-0.4%今天美国的发电量.可再生能源的能力已经需要大幅扩大,以实现电力生产的脱碳和建筑和交通等部门的电气化,而且还需要增加可再生能源的能力,用于DAC和其他类型的碳去除,以避免与其他用途竞争。这种可再生能源的扩大将带来其自身的影响,例如与稀土金属采矿活动扩大有关的影响。

通过部署学习可以帮助优化现有系统以减少能源需求,而研发资金将有助于开发能源负担更低的全新系统。

土地

直接空气捕捉的最大好处之一是选址的灵活性。DAC不需要耕地,这可以最大限度地减少对粮食生产或其他土地利用的影响。大规模部署所需的土地面积取决于DAC系统的类型和驱动它的能源。如果使用可再生能源,它们将是最大的土地足迹。

DAC每吨二氧化碳所需的土地较少2比其他主要的CDR方法,如重新造林,都要少。捕获一百万吨二氧化碳2,一个DAC工厂将需要0.466公里2为工厂和能源资源,同时捕获相似数量的CO2来自森林需要估计862公里2

树木恢复和DAC,以及其他方法和技术,都有必须权衡的权衡,因为它们都是更大的碳去除组合的一部分。

不同DAC系统类型和能源组合的总用地面积

与直接空气捕捉相关的用水量也取决于系统类型以及当地的温度和湿度。

对于溶剂DAC系统,捕获一吨CO2在美国合理的选址需要1-7吨水,相当于所需要的水量生产一吨水泥或钢铁。水分的流失主要是通过蒸发来的,所以植物所在位置的相对湿度和温度是最重要的主要决定因素的失水水平,在炎热和干燥的环境中损失较高。

水用于液体溶剂DAC系统

根据吸附剂再生方法的不同,目前开发和生产中的固体吸附剂DAC系统在用水量方面差别很大。一个使用蒸汽冷凝再生吸附剂的系统可能会导致水流失到环境中——一个典型的工厂可能会这样做1.6吨水每公吨二氧化碳2被俘。其他系统使用间接加热再生吸附剂,这意味着最小的水损失。这些间接加热系统,比如Climeworks的固体吸附系统,实际上是净水生产商,得到估计的0.8-2吨水每公吨二氧化碳2被俘。

由于资源使用与社区影响相关,居住在DAC工厂或DAC供应链附近的居民也将受到影响。

直接空气捕捉:气候解决方案组合的重要组成部分必威官网是真的吗

必威官网是真的吗气候模型让我们越来越清楚地认识到,到本世纪中叶,二氧化碳的去除可能需要达到数十亿吨的规模,同时还需要大幅减排。而且,我们减少排放的速度越慢,我们可能就越需要依赖碳去除——包括DAC——来实现国家和全球气候目标。必威官网是真的吗要实现大规模的碳去除需要一个投资组合这将降低成本和任何一种方法不能提供预期的清除的风险。投资于DAC现在将有助于降低未来的成本,随着二氧化碳的去除变得更加必要,这一点至关重要。

编者注:Noah McQueen、Max Pisciotta和Jennifer Wilcox共同撰写了本文的早期版本,该版本于2021年1月6日发表。本文于2022年5月2日更新。