頭圖來源：XPRIZE 官網

從技術到商業的碳捕捉路徑如何解決氣候問題？

作者|鄭玥  編輯|靖宇

來源：極客公園

‘硅谷鋼鐵俠’馬斯克有兩個人生目標，一個是推廣電動車，一個是移民火星。前一個基本已經實現，後一個正在進行中，但什麼時候實現不好說。

現在，馬斯克有了第三個目標。

就在馬斯克宣佈花 440 億美元收購推特的前幾天，4 月 22 日，他花 1 億美元支持的除碳大賽公佈了第一批大獎里程碑獎的獲獎名單。

這 15 支團隊平分了 1500 萬美金，各顯神通地將空氣中的二氧化碳捕捉並封存或者利用起來，它們都要證明自己的技術可以每年去除 1000 噸二氧化碳。

這場大賽的最終大獎將在 2025 年頒發，前三名將分別獲得 5000 萬美元、2000 萬美元、1000 萬美元的獎勵。

除了這場大賽，上半年在碳捕集技術領域發生的融資都以億美元爲單位。4 月初，瑞士初創企業 Climeworks 完成 6.5 億美元融資； Alphabet（谷歌母公司）、 Meta（Facebook 和 Instagram 所有者）、Stripe、Shopify 和麥肯錫聯手發起一個投資項目，這些公司表示，他們將在未來十年投資 9.25 億美元用於碳去除技術。

在一些預測中，2022 年有關碳捕獲與封存商業項目的總支出就將達到 44 億美元，預計 2023 年全年達到 110 億美元，甚至到 2040 年，碳捕集與利用的市場規模可能達到 5500 億美元。

這個把排放的二氧化碳再‘抽’出來封存的技術，如何有千億美元市場？

更重要的是，它能否真的解決氣候問題？

馬氏‘大獎賽’

2021 年 1 月 21 日，馬斯克在推特發起這場除碳大賽。在推文中，馬斯克稱將捐贈 1 億美元以獎勵優秀碳捕集技術。2 月 8 日，美國非營利性基金會 XPRIZE 宣佈，由馬斯克和馬斯克基金會贊助的 1 億美元 XPRIZE 碳捕集大賽（$100M XPRIZE for Carbon Removal）即日成立。

馬斯克和 XPRIZE 基金會想用競賽獎勵的方式，來推動碳捕集技術的創新。XPRIZE 基金會本就是一家致力於以競賽的方式推動技術發展造福人類的非盈利組織，1995 年在美國加州創立。這場大賽旨在用碳捕集技術解決人類面臨的最大威脅：應對氣候變化和重新平衡地球的碳循環。

‘時間就是生命！’煽動力極強的馬斯克，在推文中呼籲大家‘不惜一切代價’，希望‘參賽團隊能夠構建可實施的十億噸級碳去除方案。’

馬斯克呼籲|圖片來源： XPRIZE 官網截圖

競賽的規則簡單，需要參賽團隊展示現有的每年去除 1000 噸二氧化碳的技術方案，同時要以除碳 100 萬噸的規模建模進行成本估算，證明未來如何實現每年 10 億噸二氧化碳去除的長遠目標，以贏得豐厚獎金。

大賽分階段進行，去年 11 月，XPRIZE 基金會公佈了‘碳去除競賽’（Carbon Removal Competition）發放了第一筆學生組別的獎金共 500 萬美元，獎金由 23 個團隊獲得。

一年後的世界地球日，2022 年 4 月 22 日，大賽的第一批里程碑大獎獲獎名單公佈，15 支獲獎團隊來自澳大利亞、加拿大、法國、冰島、肯尼亞、荷蘭、菲律賓、英國和美國，平分了 1500 萬美金的里程碑獎，每個團隊獲得 100 萬美元。同時有 25 支學生團隊分別獲得 20 萬美元的支持。

四年後，在 2025 年的決賽中，前三名將分別獲得 5000 萬美元、2000 萬美元、1000 萬美元的獎勵。

誘人的獎勵背後所需要的核心技術‘碳去除’，是一項早就存在的技術，解釋起來也並不複雜，就是把空氣中的二氧化碳捕捉、封存和利用起來。專業名詞叫做碳捕捉、封存和利用技術‘CCSU’，是在二氧化碳捕集與封存（CCS，Carbon Capture andStorag）的基礎上增加了‘利用’（Utilization）。

除了馬斯克，向來致力於氣候問題的比爾·蓋茨也花了大量時間精力投入到碳捕集技術中。蓋茨和他的氣候基金，曾投資過多家碳捕集公司——Carbon Engineering、Sustaera 和 Verdox Inc。 等。

兩大超級富豪同時看中的碳捕捉技術背後，是氣候問題的嚴重性——達到碳中和的目標，僅僅‘減碳’不夠，還需要‘負碳’。

目前人類爲阻止全球變暖已經作出了種種努力，2015 年《巴黎協定》設定的指導性長期目標，希望將本世紀全球的升溫幅度控制在工業化前水平的 1.5℃內，去年於英國格拉斯哥召開的 COP 26 亦使各國作出承諾。

但全球變暖的趨勢沒有減緩。

今年 4 月，世界氣象組織國際氣候變化專門委員會（IPCC）最新發布的一份氣候通報《全球升溫 1.5℃特別報告》稱，2022 年至 2026 年中的某一年，將很可能成爲有記錄以來最熱的一年，並且有 50% 的概率比工業化前水平高出 1.5℃，這一數字暫時達到了《巴黎協定》設定的較低目標。

世界氣象組織祕書長塔拉斯表示，1.5 攝氏度這個數字並不是隨機統計數字，這個指標表明氣候變化將給人類乃至整個地球造成損害。

根據 IPCC 的估計，在一切照舊的情境下，本世紀末的全球平均氣溫最高可能會升高 6℃；若要在 2050 年要將全球氣溫上升幅度控制在 2℃以內，每年則需淨移除 100 億噸二氧化碳，人類必須在 21 世紀結束之前，除掉大氣中一千億至一萬億噸 CO₂。

人類社會的發展仍舊無法離開碳排放，要實現碳中和解決氣候問題，就必須將已經產生的碳進行‘去除’。而馬斯克贊助的大賽瞄準的，正是直接清除空氣中的二氧化碳的技術。

‘除碳’看技術，也看成本

贏得除碳大賽的獎金的標準只有一個，就是看團隊的技術方案能去除多少噸‘碳’。

本次里程碑獎的 15 支獲獎團隊都需要有實現年均去除二氧化碳 1000 噸的實力，並且要具備擴展至年均十億噸規模除碳能力的潛力。三年後，有資格爭奪 XPRIZE 碳捕集大賽 5000 萬美元大獎的團隊，也同樣最少要具有年均去除二氧化碳 1000 噸的能力。

這 15 支團隊的技術路徑主要涉及空氣、土地、海洋和岩石四個，致力於降低碳捕捉、輸送、封存和利用這一些動作中各個環節的成本，或者提供更多有益可能，比如改善土壤、海洋的環境。

空氣去碳

空氣路徑是目前最主要的碳去除途徑之一，即直接從空氣中捕獲並封存二氧化碳。根據國際能源署的統計，自 2020 年初以來，各國政府已承諾投入近 40 億美元開發和部署直接空氣捕集（Direct Air Capture， DAC）。該路徑也是本次里程碑獎中獲獎數量最多的一類，共有六個項目。

從空氣路徑捕捉二氧化碳的流程可以簡單理解爲，先通過裝置收集空氣中的二氧化碳，再將收集到的二氧化碳封存或利用起來。

荷蘭初創企業 Carbyon 致力於用新的材料降低空氣捕碳成本。其研製出一種有巨大內表面的纖維膜材料，通過轉鼓裝置快速擺動，可以有效地從空氣中捕獲二氧化碳，這項設計使其相比同類技術有着更高的能源效率和更低廉的製造成本——目標是實現 50 歐元/噸二氧化碳捕獲成本。

目標是實現 50 歐元/噸二氧化碳捕獲成本|圖片來源：Carbyon 官網截圖

土地去碳

土地路徑的主要思路爲把二氧化碳和土地結合達到去除目的，包括利用土壤碳和生物炭等技術進行碳捕獲與封存。在土壤中，本就存在大量二氧化碳，土壤碳庫在陸地生態系統碳庫中佔比達到 90% 以上，是大氣碳庫的 3 倍。這也給捕集到的二氧化碳提供了好去處，——這一技術路徑中，二氧化碳固化後的生物炭，既能進行穩定的碳封存，也可作爲一種高效的土壤肥料。

有五個獲獎團隊採納了這一路徑。美國艾奧瓦州立大學生物經濟研究所（BEI）的團隊的固碳技術核心‘熱解’過程中，生物質可以在沒有氧氣的情況下被加熱，產生的‘生物炭’。在其案例中，該技術在一年時間裏以生物炭形式封存了多達 4600 噸的二氧化碳。

法國團隊 NetZero 則嘗試從熱帶發展中國家的農業廢棄物中提取碳，並將其轉化爲生物炭。該團隊站點位於喀麥隆最大的咖啡加工廠旁邊，能夠直接獲得咖啡殼，從中生產約爲每年 1500 噸生物炭。

從左到右，玉米含：生物炭+肥料、僅生物炭、僅肥料對照|圖片來源：NetZero 官網

海洋去碳

走海洋路徑的有三支團隊，能夠在捕碳的同時改善海洋生態並扭轉過量二氧化碳導致的海水酸化問題。

其中 Climate Foundation 開發的‘海上造林’系統，通過深水灌溉促進大型藻類生長，並以此固定海水中的碳。其捕獲的碳可封存數百上千年之久，並將使原本貧瘠的海洋生態得到大大改善。

岩石去碳

本次使用岩石路徑僅有一位獲獎者，來自加拿大不列顛哥倫比亞大學的 Carbin Minerals 利用尾礦廢料，通過碳礦化過程直接從大氣中永久去除二氧化碳，可促進礦場的碳中和轉變，並同時生產能源轉型所必需的金屬。該技術具有十億噸級別的捕獲和永久封存大氣二氧化碳的潛力，致力於解決礦場這個碳排放大戶。

大賽中有中國團隊的身影，學生組別的全球 18 支隊伍從 4251 個參賽團隊中脫穎而出，每支團隊獲得 25 萬美元的獎勵，其中有兩支來自中國。

東北大學的 Answer of Biochar（AOB）團隊利用鍊鋼廠的餘熱資源生產生物炭進行持久穩定的碳封存。該技術的優勢在於能夠進行低成本、低能耗且大規模的應用。

另外一支獲獎隊伍是由河海大學、天津大學、上海海洋大學和中國水產科學研究院的學生與導師聯合組成的 Kelp Farm Career （KFC），他們運用在油氣開採平臺中常見的錨泊技術培育大型海藻養殖牀，利用海藻的光合作用吸收二氧化碳，具有去除千億噸二氧化碳的潛力。

北京的原初科技有限公司也闖入了里程碑獎的 Top 60 決賽圈。原初科技的技術，可以直接從大氣或工業排放點源中捕獲二氧化碳，並將其礦化成爲具有高經濟價值的碳酸鈣產品。這項技術可以實現低能耗、低成本、持續性、規模化的碳去除效果，並正在進行大規模產業化部署。

除了硅谷富豪捐助的大獎賽，‘參賽者’們如此‘內卷’的動力，還有一個重要原因，就是‘碳捕捉’這個市場已經成爲新的風口。

五千億美元的新市場

雖然碳捕捉技術並不新鮮，中文搜索網站能查到的最早學術研究出現在 2003 年，但是這個商業化進程一直以來規模很小。

截至 2021 年年中，全球只有大約 30 個大型項目在運行，每年鎖定 400 萬噸二氧化碳，僅佔全球排放量的 0.1%。到目前，這項技術仍有很大瓶頸，要大規模使用達到去除空氣中大量二氧化碳的水平，所需成本極高。

但當下，隨着全球對氣候問題和碳中和的共識越來越強烈，相關市場規模在急速擴大。PICC《全球升溫 1.5℃特別報告》裏提到實現氣候目標的七種實現途徑，其中只有一種不包括碳捕捉。

碳捕捉技術的減排貢獻量方面，綜合聯合國政府間氣候變化專門委員會、國際能源署、國際可再生能源機構的預測，全球碳捕集、利用和埋存減排貢獻量將在 2030 年達到 1.0 億-16.7 億噸/年，在 2050 年達到 27.9 億-76.0 億噸/年。

市場規模預測中，挪威能源研究機構 Rystad Energy 的研究表明，未來三年的全球碳捕集與封存累計將超過 500 億美元。其預計 2022 年宣佈的有關碳捕獲與封存商業項目的總支出將達到 44 億美元，高於去年的 28 億美元，預計 2023 年全年達到 110 億美元。市場諮詢公司 Lux Research 2021 年的報告指出，到 2040 年，碳捕集與利用的市場規模可能達到 5500 億美元。

相較於國外，國內碳捕捉項目發展仍處於技術積累階段，但需求和市場已經顯現。根據 IEA（國際數據能源基金會）數據，碳中和目標下中國 CCUS 減排需求爲：2030 年 0.2-4.08 億噸、2050 年 6-14.5 億噸、2060 年 10-18.2 億噸。

2021 年 9 月 22 日，我國出臺的《關於完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峯碳中和工作的意見》中，CCUS 被列入綠色低碳重大科技。今年 1 月 29 日，我國首個百萬噸級 CCUS 項目——齊魯石化-勝利油田 CCUS 項目正式建成。該項目捕集齊魯石化生產排放的二氧化碳，後通過管道運輸到 80 公里外的勝利油田，封存到地下，用於驅油增產。

不過碳捕集的‘走紅’一直備受質疑。花費大量成本將如此龐大的空氣‘過濾’，對於其最終目的——阻止氣候變暖來說，究竟有多少作用？

首先對於阻止氣候變暖來說，源頭是控制溫室氣體的排放，排放的大頭是化石能源的使用。人類使用能源的需求不可能消失，化石能源如果不能被清潔能源更大規模地替代，捕捉和封存的這點兒二氧化碳終究趕不上燃燒化石燃料的排放。

另外這項技術自身面臨着成本問題的瓶頸。據全球 CCS 研究所報告《TECHNOLOGY READINESS AND COSTS OF CCS》，碳捕集成本隨捕集源的二氧化碳濃度降低而升高：當二氧化碳濃度較高時（如化肥和煤化工廠等），碳捕集成本目前大約爲 10 美元/噸二氧化碳；對於鋼鐵/水泥廠等濃度稍低的捕集源，碳捕集成本最低約爲 50 美元/噸二氧化碳；對於天然氣發電廠等濃度更低的捕集源，目前的成本大約爲 100 美元/噸二氧化碳甚至更多。

所以直接空氣捕捉技術是最貴的一種。剛剛在 4 月初獲得 6.5 億美元融資的瑞士初創企業 Climeworks 目前的成本爲每噸 600-800 美元，到 2030 年前該技術的成本有望降至 250-300 美元。

Climeworks 在冰島的‘Orca’直接空氣捕集設施|圖片來源：Climeworks 官網

根據中金報告測算，當前國內化工行業 CCS 技術平均成本約爲 403 元/噸，其中碳捕捉、封存、運輸成本佔比分別爲 56%、24%、19%。

對於這項技術過程能否真正減碳也存在質疑。2022 年 2 月發表於《自然-通訊》的一篇文章指出，注入二氧化碳可能會降低混凝土的抗壓強度，而爲了保持抗壓強度所需的輔助膠凝材料生產的碳排放、二氧化碳捕集、傳輸和儲存過程的排放等都不容忽視。在某些情況下，在混凝土行業應用碳捕集與利用技術不僅不能減排，甚至可能排放更多的二氧化碳。

碳捕捉技術在商業化進程中也屢屢碰壁。Climeworks 吸收二氧化碳的機器在獲得 6.5 億美元融資後的兩個星期就停工了，經營方表示，這是因爲機器無法承受冰島的嚴寒。

據英國環境科學作者弗雷德·皮爾的文章指出，15 年前，英國航空企業家理查德·布蘭森發起‘維京地球挑戰’，爲一項大氣溫室氣體移除技術投資了 2500 萬美元。但在 2019 年，這個項目靜悄悄地撤下了。弗萊德曼在最近的一條推文中評價道，這個項目製造了‘一大堆噱頭、糟糕的設計和一場沒有贏家的失敗’。

1 億元獎金的大賽背後，用商業推動氣候問題的解決，可能是一條充滿質疑，但又無法避免的旅途。

參考文章：

https：//spectrum.ieee.org/carbon-removal-x-prize-finalists

https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18242403

http://www.zhishifenzi.com/news/multiple/12364.html

https：//www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2022/03/CCE-CCS-Technology-Readiness-and-Costs-22-1.pdf