矿物燃料燃烧的过程中产生大量二氧化碳气体，这是引起全球气候变化的原因之一。气候变化会引起高温热浪、极端天气和其他恶性环境影响。我们该如何面对并且阻止气候变化呢？首要的办法是减少大气中的二氧化碳。本文给大家介绍一种清除二氧化碳的方法，即生物能源结合碳捕获与封存法（bioenergy with carbon capture and sequestration，简称BECCS）。这种方法在产生能量的同时可将大气中的二氧化碳清除掉。科学家们已经开始探索如何用BECCS法减缓全球气候变化。与利用矿物燃料发电的系统不同，由BECCS技术建立起来的能源输送系统不仅不会产生二氧化碳，还能帮助清除大气中的温室气体。

“给少年的科学前沿”系列（11）

作者 Daniel L. Sanchez（美国加州大学伯克利分校能源资源组）、Daniel M. Kammen（美国加州大学伯克利分校公共政策学院）

翻译  BiotinQ

编辑  李娟

赛先生“中小学生评审”麦天承为本文撰写了点评。

在一间温室里，照进来的阳光带来丝丝温暖，热量并不会就此消失，它们会被墙壁和天花板吸收，使温室内比室外温暖很多。好比大热天里的一辆车，百分之九十以上的光可以进入汽车内，热量被车座以及车内的装饰物吸收后重新释放，再经窗户反射到车内。因此，无法逸出车外的热能使车内温度升高。地球也拥有类似温室的大气层，它能锁住热能，引起所谓的“温室效应”。适度的温室效应是有益于人类生存的，如果没有大气层，地表温度可能会比现在低33摄氏度，水将只以冰的形式存在。大气中能引起温室效应的气体统称“温室气体”，其中最著名的就是二氧化碳。

然而，大气中如果存在太多的二氧化碳并非一件好事。人类活动产生了大量的二氧化碳。比如，出行用车或者电厂发电，都会燃烧掉大量从地底开采的不同形态的矿物能源，如煤、石油和天然气，或者消耗森林的伐木资源。这些活动导致了大气内二氧化碳量达到了过去5500万年内的最高值。温室气体使地球变暖，进而引起全球气候变化，造成海平面升高、高温热浪、极端天气、物种灭绝和其他恶性环境问题。

所幸我们可以共同努力来减少温室效应对气候变化的影响。为了减缓气候变化，可以采取的措施有三类：减少大气中二氧化碳和其他温室气体的含量（即减少此类气体的排放）；减少阳光的照射量；从大气中把二氧化碳清除出去。每种措施都能带来不同的好处，但各有各的代价和风险。仔细分析和评估以上各种方法在对抗气候变化中的作用是政府在制定相关政策时的重要工作。

那我们怎样才能清除二氧化碳气体（carbon dioxide removal，CDR技术）呢？到底需要从大气中去除多少二氧化碳才能减缓气候变化？来自各个国家的科学家们组成了政府间气候变化研究合作组（IPCC），就这个问题进行了分析。

合作组为此制定了严格的计划，包括如何减少二氧化碳的排放，如何清除大气内已有的二氧化碳。预计到2100年，CDR技术需要清除世界范围内四分之一的二氧化碳产生量。其他减少二氧化碳的办法，包括发展清洁能源如太阳能和风能。图1中模拟了在采取或不采取“减缓气候变化”措施的情况下未来二氧化碳每年的排放量。

图1. 在采取（蓝线）和不采取（黄线）减碳措施下，未来全世界每年碳排放量（PgC/年）的比较。黄线代表在不采取任何减碳措施的情况下，依据目前使用矿物能源的量计算出来的未来二氧化碳的年排放量。蓝线代表假设政府采取了减碳措施之后的二氧化碳年排放量。此图来自IPCC。

从大气中清除二氧化碳可以采取若干种方法。每种方法移除气体的量不同，所消耗的成本也不同。一种方法费用比较昂贵，它直接固定空气中的二氧化碳。另一些方法是把二氧化碳锁住封存到植物、土壤或者海洋中。譬如一项被称为“生物能源结合碳捕获与封存法”（BECCS）的新技术。它可以在发电或者生成燃料等能源产品的同时清除二氧化碳。更重要的是，这项技术是清洁的产能方式，它的应用能够减少因为燃烧矿物能源而产生的有毒有害物质。基于这些优点，科学家们认为这项技术可以在人类对抗气候变化中起到重要作用。

那BECCS到底是怎么做到清除二氧化碳的呢？它巧妙地利用并发挥了植物的作用。

人类自古就会从燃烧生物能源如植被、树木或者草类中获取能量。我们把这类能源统称为生物能源。举个例子，早期人类就会用火点燃植物来获取热量，就像我们点燃的篝火那样。如今，世界范围内的人们也开始利用生物能源生产热能、电力或者运输燃料。生物能源可以被视为清洁能源。因为它产能时排放的二氧化碳量，和植物生长过程中所使用的二氧化碳量相差无几。然而，也只有在保证植物可持续生长的情况下，才能达到减少碳排放的可能。和其他清洁能源一样，生物能源是减少二氧化碳排放的重要方法和途径。

图2. A，生物质能发电厂。B，采用生物质能集合碳捕获与封存技术的发电厂。植物的生长过程需要二氧化碳。我们可以利用燃烧生物质燃料如植物来产电。在采用BECCS技术产能的发电厂内，发电产生的二氧化碳并没有完全释放到环境中，而是巧妙地分离捕获后后封存到地下。

碳固存法（Carbon capture and sequestration ，CCS）是指从二氧化碳排放源如发电厂中捕获二氧化碳，并将其转移封存到地下的方法。利用这种技术，原来需要排放的气体可以在地下封存几百年甚至更长时间，由此达到减缓气候改变的目的。科学家们认为，未来CCS可以将矿物能源发电厂所排放的将近90%左右的二氧化碳封存起来。虽然这项技术已经相当成熟，但是很多发电厂并没有使用。希望在不久的将来，各个国家的电力系统都能采用这套技术来减少碳排放。结合了生物能源的碳捕获与封存技术，在产能的同时又能清除空气中的二氧化碳（图2B），将来该技术可以取代传统发电厂发电所需的矿物能源。

对BECCS技术开发应用的研究才刚刚开始。IPCC小组的科学家们利用计算机模拟，发现BECCS或者其他固碳技术的确可以减少碳排放，但是目前仍需解决几个关键问题。比如，我们首先要弄清适合产能的生物量有多少，以及从何处获得它们，从而了解到底能用这些资源生产多少能量。另外，还要解决如何在地下储存二氧化碳的问题，因为用于封存的地方很有可能不是生物能源的来源地。最后，解决如何把BECCS技术应用到各大产能系统（如电力系统）中。目前，世界各地的科学家、工程师和地质学家们都在为解决这些难题不懈努力。

为了让BECCS技术得到更好的实际应用，北美的科学家们利用计算机来模拟在电力系统引入BECCS的方法，发掘生物能源和地下封存二氧化碳的可能地点，同时也帮助政府规划未来的电力系统网。处理这些信息需要有强大计算能力的超级计算机，它们处理数据的速度是普通笔记本电脑的5千万倍。超级计算机所取得的数据能帮我们更好地了解BECCS，甚至比IPCC科学家们得到的数据模型更有用。

采用BECCS技术之前，首先我们要知道一个地方的生物资源总量。和传统矿物能源相比，生物能源分布更广，产能率却比较低。北美西部拥有丰富的生物资源，如森林、农作物，以及人类产生的垃圾（比如修建拆毁建筑物留下的木材）。这些生物资源是有限的，我们必须保证在获取资源的同时不破坏土地、水源或者空气，确保重新栽培植物时有足够的土地。通过模型可以预测生物资源的可利用量。图3显示可以得到的生物资源供应曲线，包括资源的可利用量和价格。预计到2050年，北美西部总电力需求的10%将是由BECCS技术开发的能源。

图3. 生物资源供给曲线图。扔掉的垃圾、农场或森林中的余料，以及专门用来发电的植物统称为生物资源。图中显示了每种生物资源的存在量和成本。此图来自Sanchez et al. [3]

从现有数据模型分析，BECCS技术在电力系统中的应用会在未来大大改善气候变化。到2050年，在北美西部地区，BECCS技术和其他技术，如煤-CCS技术，以及可再生能源如风能和太阳能，将共同实现碳排放量为负值（即清除量大于排放量）。二氧化碳清除系统的能量供应将会倚赖可再生能源。模型指出，在2050年这些清洁能源的发电量将会占到总发电量的88%（图4），风能是其中最大的能量来源。传统矿物能源产生的电力只占到剩余的12%左右。  

图4. A，不同能源的年发电量。B，到2050年，BECCS技术将使北美西部地区的某个发电系统减排至负值。

除此之外，由于BECCS能从大气中清除二氧化碳，使用一些矿物燃料产生的二氧化碳就不足为惧。降低汽车尾气或者工厂废气中的二氧化碳所需成本较高，而使用BECCS技术可以降低成本。然而，清除的二氧化碳量将取决于生物资源的可利用量。

BECCS技术虽然前景可观，但是仍然存在风险和不确定性。一个最重要的因素就是生物资源的可持续性。扩大植被的种植率会对环境造成一些负面的影响，比如增加用水量、占用土地以及加大化肥的使用。比如，如果按预测模型计算得到的所需生物资源量，我们必须奉献出整个西弗吉尼亚来。另一个问题就是储存在地下的二氧化碳可能有泄漏的风险。如果封存的气体大量泄漏同样会造成气候变化。

综上所述，目前关于BECCS技术的最大问题是我们的经验有限，仍在摸索中前进。很多问题还是未知，比如有谁来建造这些设施？要建成多大？是否能够盈利？它们的耗能是多少？政府该如何提倡这项技术等等。

接下来，科学家们要共同努力让BECCS技术在未来变成现实，尽量做到低成本、高效率，并且容易操作和使用。

参考文献：

[1] IPCC.2014. IPCC WGIII Fifth Assessment Report – Mitigation of Climate Change 2014. Available at: http://mitigation2014.org/

[2] Smit, B., Reimer, J. R., Oldenburg, C. M., and Bourg, I. C. 2014. Introduction to Carbon Capture and Sequestration. World Scientific. Available at: http://www.worldscientific.com/sda/1043/intro-carbon-capture-sequestration.pdf

[3] Sanchez, D. L., Nelson, J. H., Johnston, J., Mileva, A., and Kammen, D. M. 2015. Biomass enables the transition to a carbon-negative power system across western NorthAmerica. Nat. Clim. Chang. 5:230–234. doi: 10.1038/nclimate2488 

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