主题：【翻译】可再生能源－－消除温室效应 1序 -- hwd99

31 我们应该谈论的最后一件事

就是从空气中捕集二氧化碳

当我这样说的时候，我是在表达两个意思，第一，从含量很少的空气中捕集二氧化碳所需要的能量巨大，以至于我们谈论捕集都显得很可笑。但是，第二，我确实认为，我们应该讨论它，思考如何做最好。如果气候变化象气候科学家们所说那样糟糕，如果人类无法获得便宜的方法，对付空气是我们最后一道防线。

在我们讨论从空气中捕集碳之前，我们需要了解全球碳情况。

了解二氧化碳

当我开始写作此书时，我打算忽略气候变化。在很多人看来，气候正在变化？是一个矛盾的问题。是否是人类引起的？与什么相关？经常被一串矛盾的结论所困惑。我们需要做什么？我感到，可持续能源是必须解决的问题，不存在需要挣来的问题。但是，我认为，不要介意，化石燃料用完的时候，不要介意气候变化是否发生；燃烧化石燃料不是可持续行为，让我们考虑依靠可持续生活，计算有多少可持续能源。

然而，气候变化引起了公众关注。它引起了各类问题。所以，我决定在最后一章稍微讨论一下气候问题。不是完全的讨论，仅仅是一些有趣的数字。

单位

碳污染收费常以每吨二氧化碳美元或欧元来计算。所以我们使用吨二氧化碳作为表示二氧化碳污染的单位。每年排放的二氧化碳吨数来表示污染速率，人均每年是11吨二氧化碳，等于每人每天30公斤。当讨论化石燃料，蔬菜，土壤和水中碳时，我使用吨碳。在全球范围，我使用亿吨碳。这个数字很大，但是，让它平均到地球上60多亿人，就简单了。假设燃烧1吨煤，这时一年里取暖需要消耗的热能。如果每人都烧1吨煤，则总量就是60亿吨。

碳在那儿？

我们需要知道多少在海洋，多少在陆地，多少在蔬菜，与大气中比较，从而理解二氧化碳排放的后果。

图31.2碳在地球上的分布估计

图31.2给出了碳在地球上的分布。大多数碳，约40万亿吨在海洋，以溶解二氧化碳，碳酸盐，生物质和动物存在。土壤和植物总量约37000亿吨。化石燃料，主要以煤炭形式存在，等于16000亿吨。最后，大气中约有6000亿吨。

直到最近不同形式的碳之间存在动态平衡。所有从一种形式存在的碳流出到流入是相等的。人类燃烧化石燃料，使其偏离了平衡。参见图31.3。

图31.3

化石燃料燃烧速率在1920年是每年10亿吨，到1955年变成20亿吨，到2006年变成84亿吨。图中还包括少量水泥生产中分解石灰石产生的二氧化碳。

这会改变如图31.2中的碳分布吗？现在还不是很清楚。图31.3显示了我们知道的关键一事。每年燃烧排放的84亿吨二氧化碳进入大气，使大气二氧化碳浓度增加。大气二氧化碳与海洋之间能够比较快地建立平衡，每年从大气进入海洋的二氧化碳是20亿吨。虽然最近也有研究认为没有那么大。还有一些进入土壤和植物，约15亿吨每年。但这部分测量数据较少。因为大约排放的一半进入大气，每年以84亿吨速率进入大气，从而使大气二氧化碳浓度增加。

长期以后二氧化碳浓度会如何？因为化石燃料中碳比海洋要少得多，长期以后，过量排放的二氧化碳会进入海洋，大气，植物和土壤会恢复正常水平。但是这个长期代表了数千年。在大气和表层水之间建立的平衡很迅速，但是图31.2和3中显示的点线将海洋分成了表层水和其余水。在50年时间尺度，这个编辑类似一道墙。60和70年代核试验放出来的放射性碳，到现在仅进入水下400米，而海洋深度是4000米。

海洋循环很慢。一块深海水需要1000年才能进入表面。深层水是有温度梯度和盐度梯度驱动的，又叫热盐循环，对应表层水循环是风驱动的。

缓慢循环的海洋有一个关键的后果：我们产生的碳排放影响未来1000年气候。

碳去那儿了

图31.3是一个简图。假设人类引起了额外的碳流，如1997年Borneo森林大火， 释放了7亿吨碳。每年煤炭自然释放2.5亿吨碳

不管怎么说，这个简图帮助我们理解，在不同政策下，中短期会发生什么。如果碳污染看成是一般商业活动，未来50年，燃烧产生5000亿吨，将使空气二氧化碳增加，海水表面也同样增加，每年进入海洋20亿吨。到2055年，5000亿吨中1000亿吨进入表层水，大气二氧化碳浓度比工业革命前加倍。

如果化石燃料燃烧量到2050年降低到0，则从大气中每年吸收20亿吨到海洋将减少到不足20亿吨。我过去常常认为这个吸收将继续几十年，但是，当表层水与大气将会在一段时间后达成平衡。5000亿吨中大多数会进入大气，然后在数千年，随着海水从深处循环到表层，逐渐移到海洋。

我们对二氧化碳的扰动最终会恢复到开始状态，但这需要几千年。假设这个扰动没有对生态系统产生很大影响。可以相象的是，表层水吸收二氧化碳而酸化，将使大量植物灭绝。以前地球曾发生过。例如，一般认为，冰河期结束迅速，因为正反馈效应：温度升高，引起积雪和冰融化，使地面反射太阳光减少，吸收更多太阳光，从而引起进一步升温。另一个正反馈效应例子是甲烷释放。甲烷以数十亿吨水合物形式封存在北极西伯利亚，1000亿吨封存在大陆架。全球温度升高1度，可能融化大量甲烷水合物，释放甲烷到大气中。甲烷的温室效应比二氧化碳强。

不讨论气候变化的不确定性。我推荐《避免危险的气候变化》，《全球气候变化》，以及Hansen等文章（2007）和Charney等文章（1979）

本章目的是讨论通过吸收大气二氧化碳来解决气候变化问题。我们讨论吸收的能量代价。

吸收代价

现在将碳从地下取出，进行的规模很大。今后，会变成将二氧化碳打入地下。

在讨论如何从空气中捕集二氧化碳之前，我们先来看捕集二氧化碳不可避免的能源代价。不管我们采用什么技术，它们都必须遵从基本物理定理，从空气中富集二氧化碳需要能量。捕集二氧化碳能耗至少有0.2kWh/公斤二氧化碳，表31.5。 分析实际工艺，典型效率是35%，如果碳捕集能耗能降低到0.55kWh/kg，我会感到很惊奇。

下面我们假设，固定欧洲每人每年11吨二氧化碳，每人每天30公斤，假设能耗是0.55kWh/kg，则能耗是每天每人是16.5kWh。这等于英国人均电耗。因此，运转这个巨大的脱碳设备等于让我们的发电加倍。

表31.5 从空气中浓缩风力二氧化碳能耗

浓缩 0.13kWh/kg

压缩 0.07kWh/kg

下面来看我们有什么办法从空气中取走二氧化碳？我给出四个技术：

A：化学泵

B：树木

C：加速风化石头

D：海洋营养化

A 化学技术

化学技术对付二氧化碳分两步：

0.03%CO2-纯CO2->液体CO2

第一步，从空气中富集二氧化碳到纯二氧化碳，然后压缩，每一步都要消耗能量。

到2005年，发表的最好的从大气捕集二氧化碳的方法都是效率很低的：能耗是每公斤二氧化碳3.3kWh，成本是每吨140美元。根据这个能耗估计欧洲每人每天30公斤二氧化碳排放，需要每人每天100kWh，几乎等于每人每天能耗125kWh。 还有更好方法吗？

最近，Wallace Broeker,气候科学家说，“地球运行最重要的解释者是生物，化学和物理系统。”他推荐物理学家Klaus Lackner未发表的从空气捕集二氧化碳技术。设想运行6000万个二氧化碳脱除器。它们需要多少能量？Lacker在2007年6月告诉我，发展了一种树脂，在潮湿情况下吸收二氧化碳，干燥时释放二氧化碳。已经取得的结果是每公斤1.3kWh。2008年6月告诉我，最新能耗降低到每公斤0.18-0.37kWh低温热能。压缩能是0.11kWh。从能耗少于每公斤0.48kWh。根据欧洲人均排放量技术，每人每天是14kWh，其中3.3kWh是电能，其余是热能。（译者注：理论计算从大气中分离纯化二氧化碳，需要功0.14kWh/kg，考虑现在分离效率低于20%，需要电能至少0.7kwh /kg，折算为低温热能至少增加10倍，该技术值得怀疑。 另显然直接捕集燃煤电厂废气中含5－15%二氧化碳更好）

技术进步很惊人！但是，别以为很少能耗，这相当于增加全世界20%能耗。

B 植物如何？

植物从空气中吸取二氧化碳，而且不遵从物理定理。它们还是二合一机器，捕集而且由在建的太阳能电站驱动。使用的能量来自太阳能。我们使用的化石燃料就是这个过程制造的。因此，我们的建议就是，做与燃烧化石燃料相反的事情如何？我们生产木材，将它们埋入地下，同时，人类又不懂外出化石化的木材，燃烧它们？这显得很愚蠢，一面从地下挖木头，一面又向地下埋。当然，我们可以多种树，减少从地下挖。下面我们看，需要种多少树来解决环境问题。

在欧洲，最好的植物每年每公顷可以产生10吨干木材，等于15吨二氧化碳。所以弥补11吨二氧化碳排放，需要7500平米森林。这个数字是英国人均2倍。还有找到地方永久储存7.5吨木材。人一生需要的木材，不许烧，安全储存好，需要占地1000平米。体积是房屋的5倍。如果有人想使用树木来解决气候变化，我们需要类似一个国家面积。我不认为这行得通。

C增加岩石风化

是否还有低能耗方法？下面是一个有趣的主意，将岩石磨细，让它们吸收二氧化碳。这个主意加速自然界地址过程，让我来解释。

在图31.3中，从岩石进入海洋的碳流，与自然界岩石风化，自然界碳沉积成为海洋沉积物，最后变成岩石。这些碳流动很低，每年2亿吨碳，等于7亿吨二氧化碳。因此，它们与当前人类碳释放相比，就很小了，差40倍。但是，加速岩石破碎，从而吸收二氧化碳，加速这个过程，解决气候问题。我们需要找到矿藏。合适的矿包括橄榄石矿或硅锰矿，分布广泛。还需要大面积土地来放置矿物。细化矿石，从而加快二氧化碳吸收反应，需要能量是每公斤二氧化碳0.04kWh。前面说，物理定理告诉我们，不可能低于0.2kWh。是的，但是这儿没有错误，因为岩石拥有能量，它们贡献能量用来与二氧化碳作用。

我很喜欢，这个方案能耗低，但是，困难的问题是，到那儿找到一个国家，愿意遍布碎石？

D 海洋营养化

最后一种方法可以避免困难。这个方法让海洋加快吸收碳，作为渔业的副产物。世界一些地区存在食物短缺。许多地区鱼短缺，因为持续50年过度捕捞。海洋富营养化是给海洋施肥，增加食物链，使海洋能够支持更多植物生长和更多鱼来固定二氧化碳。澳大利亚科学家Ian Jones 领导，海洋营养化工程将向海洋施氮肥，如尿素，增加海洋中氮含量。它们生产900平方公里海洋富养化可以增加每年500万吨二氧化碳吸收。Jones和同事预计，海洋富营养化可以在任何缺氮的海洋进行（海洋富营养化是一项非常严重的环境问题，影响渔业和近海水质与环境，译者注）。包括北大西洋。让我们将这个主意放到地图上。英国每年排放6亿吨二氧化碳，完成中和它们，需要120个这样的海洋。图31.6地图显示它们的规模与英伦三岛比例。和其它方法类似，这个主意需要类似国家大小的面积。我们还未估算土地。

图31.6中 120个，每个900平方公里区域，用于进行海洋富营养化，从而固定英国排放的二氧化碳所需要的海洋面积示意图

这个主意还未经测试，目前也不合法。我发现，海洋富营养化很有趣，与碳地下储存相比，即使国际社会不同意高成本的方法固定碳，渔民们也会富营养化海域，从而捕获更多鱼。

“评论员们会反对调节海域，针对不确定性，而不在乎受益。他们会利用公众对未知领域的恐惧。人们会接受现实，如将二氧化碳排放到空气中，但对改善未来的创新却会谨慎从事。他们讨厌冒险。”

Ian Jones

“我们不能向大气中释放过多二氧化碳，否则会带来显著的气候变化，使地球发生根本改变....” J. Hasen 等2007

“避免危险的气候变化是不可能的，危险气候变化已经到来。问题是，我们能否避免灾难性气候变化？“

David King，英国首席科学家 2007