范佳佳　陳鈺什　代楊

推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展、積極應(yīng)對(duì)氣候變化是從國(guó)家、企業(yè)到個(gè)人承擔(dān)的義務(wù)和責(zé)任，這一進(jìn)程離不開我們對(duì)碳循環(huán)的深刻認(rèn)識(shí)和對(duì)負(fù)碳技術(shù)的促進(jìn)發(fā)展。本文從“彩虹碳”的角度剖析碳移除技術(shù)路徑，并強(qiáng)調(diào)直接空氣捕集二氧化碳（DAC）技術(shù)的重要性。

日益豐富的“彩虹碳”

對(duì)碳采取多樣化的分類方法可以使科學(xué)家、企業(yè)和機(jī)構(gòu)區(qū)分其來源，為環(huán)境影響評(píng)估提供信息并做出更好的可持續(xù)決策。當(dāng)前，各領(lǐng)域研究人員已經(jīng)基于全光譜對(duì)有機(jī)碳的性質(zhì)和分布描述對(duì)碳進(jìn)行了分類，陸續(xù)將碳分為黑碳、灰碳、棕碳、紅碳、藍(lán)碳、綠碳、藍(lán)綠碳等不同類型1。這種基于顏色的分類方式，超越了傳統(tǒng)而簡(jiǎn)單的無機(jī)碳和有機(jī)碳類型分類，反映了碳的功能和屬性，有助于加強(qiáng)人們對(duì)碳循環(huán)的理解。

黑碳。黑碳主要來源于化石燃料的燃燒和人類工業(yè)活動(dòng)，另有一部分通過自然過程產(chǎn)生，如野火燃燒。根據(jù)世界觀察研究所和政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的研究，全球每年排放的黑碳當(dāng)量為70億～150億噸。黑碳加速氣候變化的效應(yīng)是不可忽視的，具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，黑碳加劇了大氣中的溫室氣體效應(yīng)；另一方面，黑碳降低了冰雪反照率，致使地面上雪和冰變成渾濁的污泥，從而吸收更多來自太陽的熱量并加速冰蓋的融化，這種狀況在北半球尤其普遍。邁克·伯納斯-李（Mike Berners-Lee）在《香蕉有多糟糕》一書中指出，42%的黑碳來自戶外火災(zāi)，四分之一來自燃燒木材、煤炭、糞便、泥炭和有機(jī)物，四分之一來自運(yùn)輸（主要是柴油），其余約10%來自燃煤發(fā)電站２。人們最初是通過視覺識(shí)別到黑碳的，且長(zhǎng)期認(rèn)為黑碳是加快氣候變化的主要碳類型。但美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校的埃倫·德魯菲爾（Ellen Druffel）教授等人指出，隨著碳封存技術(shù)的升級(jí)，生物炭也可以作為儲(chǔ)存碳的一種方式，這一發(fā)展趨勢(shì)讓黑碳在與氣候變化的交互中具備了更多可能性3。

灰碳。目前國(guó)際上對(duì)“灰碳”的定義存在多種觀點(diǎn)。以中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院副院長(zhǎng)鄒才能為代表的部分學(xué)者指出4，二氧化碳是地球碳循環(huán)的重要介質(zhì)，具有實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物轉(zhuǎn)換和造成地球表面溫室效應(yīng)的雙重屬性。對(duì)應(yīng)這兩種屬性，他將大氣圈中的二氧化碳分成兩類：可被固定或利用的二氧化碳為“灰碳”；無法被固定或利用并留存在大氣圈中的二氧化碳被稱為“黑碳”?；诖耍瑢?shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的方式是對(duì)“灰碳”進(jìn)行捕集、地質(zhì)封存或循環(huán)利用，使其與大氣隔離，同時(shí)通過以可再生能源替代化石能源、節(jié)能等方式，從源頭上減少“黑碳”的產(chǎn)生。以美國(guó)節(jié)能經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ACEEE）為代表的一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)則提出，“灰碳”是指占全球溫室氣體排放量的五分之一以上、處于碳減排關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工業(yè)部門碳排放。在工業(yè)領(lǐng)域，解決方案主要分為兩大類別：行業(yè)特定解決方案和跨領(lǐng)域解決方案。行業(yè)特定解決方案強(qiáng)調(diào)處理工業(yè)流程中的直接溫室氣體排放，可選擇的措施包括改進(jìn)工藝、進(jìn)一步探索碳捕獲和儲(chǔ)存，以及轉(zhuǎn)向碳密集度較低的材料等?？珙I(lǐng)域解決方案則側(cè)重包括能源效率、蒸汽等一些化石燃料過程的電氣化，以及轉(zhuǎn)向氫和生物質(zhì)等非碳燃料等5。

棕碳。棕碳是大氣中一類重要的吸光性含碳?xì)馊苣z，主要源自焦油材料、煤炭燃燒、生物質(zhì)燃燒產(chǎn)物的分解以及土壤排放或植被釋放的有機(jī)化合物。作為一種吸光顆粒，它在大氣層頂部具有變暖作用，同時(shí)對(duì)地球表面具有冷卻作用，因而一直在氣候變化中發(fā)揮著復(fù)雜的作用。值得一提的是，棕碳和黑碳都是由有機(jī)物的不完全氧化產(chǎn)生的，通常在有機(jī)物燃燒時(shí)相伴而生，因此直到2006年，科學(xué)家才將二者區(qū)分開來。

紅碳。紅碳通常指的是能夠在雪和冰面上降低反照率并得以生存的所有活體生物顆粒，主要由雪地微生物產(chǎn)生，如雪藻、冰藻6。紅碳會(huì)吸收大量藍(lán)色和綠色的可見光波長(zhǎng)，并將多余的輻射能作為熱量消散，加速冰雪融化，并釋放冰晶內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮和磷）。

綠碳?；谧匀唤鉀Q方案的興起激發(fā)了更多學(xué)者對(duì)綠碳、藍(lán)碳和藍(lán)綠碳的研究。這類顏色描述不是根據(jù)碳固有的物理性質(zhì)，而是通過碳的空間位置進(jìn)行統(tǒng)一歸類。其中，綠碳的名稱來源于植物光合作用所依賴的葉綠素。這一概念通常反映的是貯存在陸地生態(tài)系統(tǒng)（如森林）的碳，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在影響大氣中溫室氣體濃度水平方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

藍(lán)碳。藍(lán)碳是貯存在海洋中的碳，其最初的定義僅局限于紅樹林、鹽沼和海草床，但現(xiàn)在廣義上的藍(lán)碳還包括海藻、海底沉積物，甚至鯨魚7。近年來，藍(lán)碳因被公認(rèn)為是應(yīng)對(duì)氣候變化的長(zhǎng)期解決方案而吸引了眾多關(guān)注。除了被封存在海洋中的碳不易像綠碳一樣受到野火等自然災(zāi)害影響外，作為藍(lán)碳棲息地的海草、鹽沼、紅樹林等生態(tài)還會(huì)通過抬高海底和緩沖波浪來提高氣候適應(yīng)性，降低海平面上升和海岸線侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，增加漁業(yè)資源，實(shí)現(xiàn)多重效益。

藍(lán)綠碳。藍(lán)綠碳是近年來被納入碳光譜的全新類型，主要指的是儲(chǔ)藏在內(nèi)陸淡水濕地中（如城市水庫、湖泊和沼澤）的碳。濕地以占地不到十分之一的面積儲(chǔ)藏了全球超過四分之一的土壤碳，并兼具增強(qiáng)生物多樣性、緩解洪水等功能。土地利用變化、污染、農(nóng)業(yè)、采礦等人為行為會(huì)導(dǎo)致濕地退化，致使內(nèi)陸濕地從碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚础?/p>

以“彩虹碳”視角對(duì)碳移除項(xiàng)目進(jìn)行再分類

隨著“雙碳”政策出臺(tái)以及越來越多國(guó)家、企業(yè)設(shè)立凈零目標(biāo)，如何移除二氧化碳愈發(fā)成為焦點(diǎn)。碳移除也稱為負(fù)排放，是指從大氣中移除二氧化碳的過程，側(cè)重于消除大氣中已經(jīng)存在的排放物。

“彩虹碳”提供了一個(gè)全新視角來分類碳循環(huán)體系中不同類型的碳移除項(xiàng)目?；诖耍P者提出可對(duì)碳移除項(xiàng)目進(jìn)行類似的“彩虹碳移除”分類。不同于上文中對(duì)碳的單純分類，這種分類方式以顏色方式強(qiáng)調(diào)碳移除項(xiàng)目的功能、屬性及地理位置，有助于加強(qiáng)對(duì)碳減排項(xiàng)目側(cè)重點(diǎn)的具象化理解，以此幫助現(xiàn)代企業(yè)更有效地制定減碳策略，應(yīng)用減碳措施，減緩氣候變化。

通常，碳移除項(xiàng)目分為基于自然的解決方案（Nature-based Solutions， NbS）和基于技術(shù)的解決方案（Technology-based Solutions， TbS）。顧名思義，基于自然的解決方案依靠生物體（如藻類）或自然發(fā)生的現(xiàn)象（如化學(xué)礦化）從大氣中吸收碳?；诩夹g(shù)的解決方案依賴于人類開發(fā)的機(jī)械、化學(xué)或其他工程移除形式來處理我們周圍的環(huán)境空氣并移除現(xiàn)有的二氧化碳。

基于NbS與TbS兩個(gè)大的方向，碳移除項(xiàng)目可以被進(jìn)一步進(jìn)行顏色分類。在NbS層面，可分為：①綠碳移除：植樹造林和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)地上和地下生物量的長(zhǎng)期的儲(chǔ)存；②藍(lán)碳移除：為海洋生態(tài)系統(tǒng)施肥以加速浮游植物的生長(zhǎng)，將大氣中的碳輸送到海底；③黃碳移除：通過在陸地上提取、研磨和分散碳結(jié)合礦物，或向海洋中添加堿性礦物，加快巖石的自然風(fēng)化，增加碳吸收；④棕碳移除：在低氧條件下燃燒生物質(zhì)，產(chǎn)生木炭“生物炭”，添加到土壤中提高土壤碳水平；等等。

在TbS層面，則可分為：①灰碳移除（BECCS）：燃燒生物質(zhì)以產(chǎn)生能源，以及捕獲并永久儲(chǔ)存產(chǎn)生的二氧化碳；②白碳移除（DAC）：采用化學(xué)工藝直接從環(huán)境空氣中捕獲二氧化碳，以及使用或永久儲(chǔ)存二氧化碳。

以DAC技術(shù)實(shí)現(xiàn)“白碳移除”

上文提及的“白碳移除”，意即直接空氣捕集技術(shù)（Direct Air Capture，DAC）。該技術(shù)可以直接從空氣中捕獲二氧化碳并永久儲(chǔ)存，筆者認(rèn)為，這一過程應(yīng)該形成一種單獨(dú)的碳移除類型——“白碳移除”。

DAC技術(shù)開發(fā)最早可以追溯到20世紀(jì)40年代的潛艇和50年代的航天器利用，因早期捕集成本高、耗能大等，該技術(shù)一直未能進(jìn)入減碳領(lǐng)域的主流視線。近年來，隨著溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)重，以及碳捕集技術(shù)的快速發(fā)展，這一技術(shù)再次成為關(guān)注重點(diǎn)，并于2019年被《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)選為“十大突破性技術(shù)”之一。

就當(dāng)前發(fā)展來看，DAC技術(shù)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)影響仍是復(fù)雜多樣的。在環(huán)境影響方面，DAC技術(shù)提供了一種潛在的改變游戲規(guī)則的解決方案。一方面，與其他碳捕集技術(shù)相比，DAC技術(shù)無地域限制，可將捕集點(diǎn)與封存點(diǎn)置于一處，可解決交通、建筑行業(yè)等諸多碳分布源的排放問題，同時(shí)顯著降低運(yùn)輸成本，更可避免吸附/吸收劑性能受煙氣中高濃度污染物（如NOx、SOx等）影響。這一特點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榧s75%的二氧化碳排放來自航空、航運(yùn)和農(nóng)業(yè)等難以通過傳統(tǒng)CCS方法捕獲的領(lǐng)域。另一方面，DAC技術(shù)可以與氫氣生產(chǎn)、燃料合成工藝等其他技術(shù)結(jié)合，在移除碳排放的同時(shí)，生成更多具有環(huán)保效益的綠色新能源。由此可見，DAC技術(shù)可以在降低大氣中的總碳濃度方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，在對(duì)抗全球變暖、幫助實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)方面具有巨大潛力。

然而，DAC技術(shù)應(yīng)用也引發(fā)了一些環(huán)境上的擔(dān)憂。其中一個(gè)主要問題是能源需求。當(dāng)前全球人類活動(dòng)排放的二氧化碳總量與DAC技術(shù)的捕獲能力相比仍有極大差距，DAC技術(shù)系統(tǒng)需要大量能源供應(yīng)來完成碳捕集和儲(chǔ)存，如果這些能源自身不來自可再生能源，就可能會(huì)增加能源消耗，并導(dǎo)致更多的排放。此外，捕獲的碳也需要被安全儲(chǔ)存，以防止泄漏回大氣中，這對(duì)當(dāng)前的碳儲(chǔ)存技術(shù)提出了更高的要求。

在經(jīng)濟(jì)影響方面，DAC技術(shù)同樣存在機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，開發(fā)和應(yīng)用DAC系統(tǒng)可以通過創(chuàng)造新行業(yè)和就業(yè)機(jī)會(huì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，捕獲的碳可以用于多種應(yīng)用，如增強(qiáng)油田采收和合成燃料以及材料生產(chǎn)，潛在創(chuàng)造新的收入來源。當(dāng)前，油氣公司、風(fēng)險(xiǎn)投資、航空公司等商業(yè)機(jī)構(gòu)利用空氣中捕獲的二氧化碳和氫氣開發(fā)合成航空燃料的早期商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)開始，二氧化碳利用機(jī)會(huì)的創(chuàng)新正在為DAC技術(shù)提供市場(chǎng)。

另一方面，DAC技術(shù)的高成本仍是推進(jìn)其廣泛應(yīng)用的重要障礙之一。大氣中二氧化碳濃度為0.04%，僅為火力發(fā)電廠廢氣的0.3%～1%8，這導(dǎo)致DAC技術(shù)的能源需求和成本都更高。與此同時(shí)，當(dāng)前使用DAC技術(shù)捕獲一噸二氧化碳的成本范圍為100～600美元，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的CCS技術(shù)。如何加快技術(shù)進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、平衡經(jīng)濟(jì)效益比，是值得相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步研究的問題。此外，DAC技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性與碳市場(chǎng)的活力密切相關(guān)。如果碳價(jià)格高，企業(yè)就會(huì)更有動(dòng)力投資DAC技術(shù)。然而，當(dāng)前的碳定價(jià)政策在不同國(guó)家存在較大差異，而且在許多情況下，碳價(jià)格過低無法有效激勵(lì)企業(yè)對(duì)DAC技術(shù)進(jìn)行投資。

從國(guó)際發(fā)展來看，迄今為止，全球有30余家在技術(shù)方面較為領(lǐng)先、已初步具備商業(yè)化能力的初創(chuàng)公司或科研機(jī)構(gòu)正在對(duì)DAC技術(shù)進(jìn)行深入研發(fā)，包括Climeworks、Global Thermostat、Carbon Engineering等；已有27座DAC工廠投入運(yùn)行，每年捕獲將近0.01MtCO2；至少有130個(gè)DAC設(shè)施計(jì)劃處于不同的開發(fā)階段。只要當(dāng)前一切規(guī)劃都取得順利進(jìn)展，DAC的全球部署可達(dá)到2050年凈零排放情景下所需的水平，即每年約75MtCO2的捕獲水平。但是，這個(gè)規(guī)模尚達(dá)不到國(guó)際能源署（IEA）《2050年前“凈零”排放設(shè)想方案》所要求達(dá)到的捕獲能力的10%。根據(jù)該方案，DAC設(shè)施的規(guī)模需在2030年擴(kuò)大到每年捕獲近6000萬tCO2，若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還需在全球范圍內(nèi)投入運(yùn)行更多、更大規(guī)模的DAC工廠，同時(shí)不斷完善DAC技術(shù)并降低技術(shù)成本。

對(duì)于中國(guó)而言，DAC技術(shù)是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。目前，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍以化石燃料為主，化石燃料作為重要的制造業(yè)基礎(chǔ)，在今后一段時(shí)期內(nèi)仍將是主要的能源來源。這意味著，中國(guó)有可能成為全球DAC開發(fā)和部署的最大潛在市場(chǎng)之一，為培育DAC領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)提供肥沃的成長(zhǎng)土壤?，F(xiàn)階段，我國(guó)已開始在DAC領(lǐng)域進(jìn)行探索，但整體仍處于起步階段，如中國(guó)石油集團(tuán)、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)、華能集團(tuán)等能源領(lǐng)域大型企業(yè)已陸續(xù)部署DAC技術(shù)開發(fā)；浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已初步開發(fā)出小型DAC樣機(jī)；初創(chuàng)企業(yè)如黑鯨能源等通過與高等院校進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研成果轉(zhuǎn)化合作探索工業(yè)級(jí)DAC設(shè)備研發(fā)。

未來，中國(guó)政府、科研高校、領(lǐng)頭企業(yè)應(yīng)繼續(xù)采取推進(jìn)措施，將DAC技術(shù)視為實(shí)現(xiàn)凈零排放綜合戰(zhàn)略的一部分，積極探索適合本國(guó)的DAC商業(yè)化路徑；攜手推動(dòng)國(guó)際合作，進(jìn)一步加快DAC在全球最大市場(chǎng)的部署步伐；利用碳市場(chǎng)的市場(chǎng)機(jī)制以及綠色金融的配套政策，促進(jìn)包括DAC技術(shù)在內(nèi)的碳移除技術(shù)發(fā)展，獲取產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的新動(dòng)能；不斷深化社會(huì)公眾對(duì)DAC技術(shù)的理解，協(xié)調(diào)和加強(qiáng)公眾對(duì)DAC技術(shù)的接受程度。

總體來看，DAC技術(shù)是一項(xiàng)在應(yīng)對(duì)氣候變化方面具有巨大潛力的碳移除技術(shù)，但其仍處于成長(zhǎng)階段，在對(duì)其不斷探索的同時(shí)，仍需綜合衡量其在降低大氣中的碳水平方面的技術(shù)潛力，以及利用該技術(shù)所需的能源消耗和潛在的安全儲(chǔ)存等問題，尋求更多的制度性激勵(lì)措施來平衡經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境方面的要素，從而充分發(fā)揮“白碳移除”的潛力，助力碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

注：

1.Laura Zinke， “The colours of carbon，” Nature Reviews Earth & Environment， March 05， 2020， accessed September 11， 2023， https：//www.nature.com/articles/s43017-020-0037-y#citeas.

2.Mike Berners-Lee， How Bad Are Bananas？： The carbon footprint of everything （Profile Books Ltd， 2010）.

3.Alysha I. Coppola， Brett D. Walker， Ellen R.M. Druffel， “Solid phase extraction method for the study of black carbon cycling in dissolved organic carbon using radiocarbon，” Marine Chemistry 177（2015）： 697-705 .

4.鄒才能、薛華慶、熊波等：《“碳中和”的內(nèi)涵，創(chuàng)新與愿景》，《天然氣工業(yè)》2021年第8期。

5.Neal Elliott， “Climate challenge： Cut the ‘gray carbon wedge of industrial emissions，” ACEEE， December 12， 2018， accessed September 11， 2023， https：//www.aceee.org/blog/2018/12/climate-challenge-cut-gray-carbon.

6.Roman J Dial， Gerard Q Ganey， S McKenzie Skiles， “What color should glacier algae be？ An ecological role for red carbon in the cryosphere，”FEMS Microbiology Ecology 94（2018）： fiy007， https：//doi.org/10.1093/femsec/fiy007.

7.Carlos M. Duarte， “To win the Race to Zero， we must reconnect with the ocean，” UNFCCC， June 8， 2021， accessed September 11， 2023， https：//climatechampions.unfccc.int/to-win-the-race-to-zero-we-must-reconnect-with-the-ocean/

8.Alpatent：《新型零碳能源技術(shù)——BECCS和DACCS》，2022年1月11日，https：//x.aipatent.com/detail/05af4570-72c1-11ec-8d61-7378539e3b55，訪問日期：2023 年 9 月11 日。

作者單位：范佳佳，上海社會(huì)科學(xué)院信息研究所智慧城市研究室主任、副研究員、上海市人民政府發(fā)展研究中心與上海交通大學(xué)國(guó)際與公共事務(wù)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士后；陳鈺什，New Energy Nexus氣候金融科技特聘專家、中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)碳達(dá)峰碳中和專委會(huì)委員；代楊，中電科大數(shù)據(jù)研究院有限公司工程師