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这些机器从空气中清除温室气体——一位直接空气捕捉技术的发明者展示了它的工作原理

克劳斯·拉克纳正在寻找新的方法来降低这项技术的高成本和能源需求,他即将推出第一棵“机械树”。

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这个故事最初是在谈话

两个世纪以来,燃烧化石燃料向大气中排放的二氧化碳,超过了大自然所能清除的二氧化碳。二氧化碳是一种强大的温室气体。随着二氧化碳的积累,它陷阱多余的热量导致全球变暖现在大气中有太多的二氧化碳,大多数情况下都是这样的仅仅终止排放是不够的为了稳定气候,人类还必须去除空气中的二氧化碳。

插图来自亚利桑那州立大学-对话

美国能源部有一个新的目标扩大规模直接空气捕捉这是一种利用化学反应的技术从空气中捕获二氧化碳.虽然联邦政府为碳捕获提供资金经常招致批评,因为一些人认为这是继续使用化石燃料的借口,但以某种形式去除碳的可能性很大仍然是必要的IPCC的报告显示。机械去除碳的技术正在开发和应用中非常小的规模在美国,部分原因是目前的方法过于昂贵和能源密集。但新技术今年正在进行测试,这可能有助于降低能源需求和成本。

我们询问了亚利桑那州立大学的教授Lackner克劳斯他是直接空气捕捉和碳储存领域的先驱,他介绍了这项技术的现状和发展方向。

什么是直接碳去除,为什么认为有必要?

当我在20世纪90年代初对碳管理产生兴趣时,驱使我的是对碳在环境中堆积的观察。需要自然几千年的时间来消除二氧化碳,我们在朝着更高的二氧化碳轨道前进浓度,远远超过人类所经历过的。

人类无法承受越来越多的多余碳漂浮在环境中,所以我们必须把它们清除出去。

并不是所有的排放都来自大型来源,比如发电厂或工厂在那里,我们可以捕获二氧化碳。因此,我们需要处理另一半的排放——汽车、飞机、在你的煤气炉排放二氧化碳时洗热水澡。这意味着将二氧化碳从空气中去除。

直接空气捕获是如何工作的。

由于二氧化碳在空气中快速混合,所以在世界上的什么地方去除二氧化碳并不重要——去除二氧化碳的效果是一样的。所以我们可以把直接的空气捕捉技术放在我们计划使用或储存二氧化碳的地方。

储存的方法也很重要。将二氧化碳储存60年或100年是不够的。如果100年后,所有的碳都回到了环境中,我们所做的就是照顾好自己,我们的孙辈必须再次解决这个问题。与此同时,世界能源消费正在增长每年2%

除了成本外,人们对直接捕集空气的抱怨之一是它的能源密集型。能源的使用可以减少吗?

直接捕集空气的两大能源消耗是运行风扇将空气吸入,然后加热以提取二氧化碳。有很多方法可以减少对这两种能源的需求。

例如,我们偶然发现了一种材料,它在干燥时吸收二氧化碳,在潮湿时释放二氧化碳。我们意识到,我们可以将这种材料暴露在风中,它会携带大量的二氧化碳。然后我们把它弄湿,它就会释放的二氧化碳以一种比其他系统需要更少能量的方式。增加可再生能源产生的热量会增加二氧化碳的压力,所以我们就有了二氧化碳气体和水蒸气的混合物,我们可以从中收集纯二氧化碳。

两名男子站在一个装有风扇的大型建筑下面
瑞士的Climeworks公司有15家工厂去除空气中的二氧化碳。 Climeworks

如果捕获是被动的,我们可以节省更多的能源——没有必要用风扇吹空气;空气会自己移动。

我的实验室正在创造一种方法来做到这一点,叫做机械的树木.它们是高而垂直的圆盘柱,表面涂有化学树脂,直径约5英尺,圆盘间距约2英寸,就像一堆唱片。当空气通过时,圆盘的表面吸收二氧化碳。大约20分钟后,圆盘满了,它们沉到下面的桶里。我们输入水和蒸汽,将二氧化碳释放到一个封闭的环境中,现在我们有一个水蒸汽和二氧化碳的低压混合物。我们可以回收用来加热盒子的大部分热量,所以加热所需的能量相当小。

通过使用水分,我们可以避免约一半的能源消耗,其余的使用可再生能源。这确实需要水和干燥的空气,所以不是所有地方都理想,但也有其他方法。

二氧化碳能长期安全储存吗?这种储存方式是否足够?

我在20世纪90年代开始研究矿物封存的概念,在洛斯阿拉莫斯领导一个小组。利用二氧化碳是酸性的,而某些岩石是碱性的这一事实,世界可以永久地消除二氧化碳。当二氧化碳与富含钙的矿物质发生反应时,它形成固体碳酸盐.通过矿化的二氧化碳像这样,我们可以存储几乎无限量的碳。

例如,这里有大量的玄武岩——火山岩与二氧化碳反应的冰岛并在几个月内将其转化为固体碳酸盐。冰岛可以向世界其他地方出售碳封存证书,因为它为世界其他地方封存了二氧化碳。

在德克萨斯州的二叠纪盆地也有巨大的地下石油储备。有很大的含盐含水层。在北海,海底下一公里处,能源公司Equinor一直在从一个气体处理厂捕获并储存二氧化碳每年排放一百万吨二氧化碳从1996年开始,避开了挪威二氧化碳排放税.我们可以用来储存矿物的地下储藏量远远超过了二氧化碳的需求量。问题是有多少能转化为已探明储量。

拉克纳站在一个设备后面,这个设备用一种叶子繁茂的植物进行测试。
克劳斯·莱克纳(Klaus Lackner)在他的实验室里测试直接空气捕捉技术。 亚利桑那州立大学

我们也可以使用直接空气捕捉闭合碳循环这意味着二氧化碳会被重复利用、捕获并再次利用,以避免产生更多的二氧化碳。现在,人们使用化石燃料中的碳来提取能源。你可以将二氧化碳转化为合成燃料——汽油、柴油或煤油——通过混合捕获的二氧化碳绿色的氢用可再生能源创造。这种燃料可以很容易地通过现有的管道运输,并储存多年,所以你可以在冬天的晚上在波士顿用去年夏天在西德克萨斯收集的太阳能产生热量和电力。一箱“合成燃料”的成本并不高,而且比电池更划算。

美国能源部制定了一个新目标,将二氧化碳去除成本削减到每吨0美元,并在十年内迅速扩大规模。怎样才能让它成为现实呢?

能源部吓到我了,因为他们说得好像这项技术已经准备好了。在忽视这项技术30年之后,我们不能说已经有公司知道怎么做了,而我们所要做的只是推动它向前发展。我们不得不假设这是一项新兴技术。

Climeworks是最大的商业直接捕获公司,它在在0到 000每吨.这太贵了。另一方面,按每吨计算,全世界都能做到。我想我们能做到。

美国每年大约消耗700万吨二氧化碳商人二氧化碳-想想碳酸饮料、灭火器、粮仓用它来控制粮食粉末,这是一种爆炸危险。平均价格是-0。0以下是市场。

我们真正需要的是一个监管框架,规定我们需要封存二氧化碳,然后市场将从现在的千吨二氧化碳捕获转变为千万吨二氧化碳捕获。

你认为这项技术在10年内会发展到什么程度?

在我看来,这个世界可能会逐渐放弃化石燃料,但却有义务长期捕获和储存所有的二氧化碳。

我们的建议是,当碳从地下释放出来时,它应该被等量的移除。如果你生产1吨与煤、石油或天然气有关的碳,你需要储存1吨。它不一定是相同的吨,但必须有一个证书的封存这保证了它已经被保存了下来,而且它必须能保存100多年。如果所有的碳从从地下出来的那一刻起就被认证了,那么要想欺骗这个系统就更难了。

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一个很大的未知数是,工业和社会将如何努力实现碳中和。看到这样的公司是令人鼓舞的微软Stripe购买碳信用额以及消除二氧化碳的证书,并愿意支付相当高的价格。

新技术可能需要10年或20年的时间才能渗透,但如果有经济的吸引力,事情可以发展得很快。第一架商用飞机于1951年问世。到1965年,它们已经无处不在。

本文再版于谈话是一个致力于分享学术专家观点的非盈利新闻网站。作者是:Lackner克劳斯亚利桑那州立大学

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克劳斯·莱克纳(Klaus Lackner)是碳收集的科学顾问,并持有该公司的股份,该公司正在与亚利桑那州立大学(Arizona State University)合作开发一种空气捕捉设备。他还建议Aircela,该公司正在开发一种家庭规模的系统,将环境中的二氧化碳转化为合成燃料。Lackner在碳管理方面的工作已经有30多年了,得到了来自私营公司、基金会、大学和美国能源部的研究基金的支持。