考虑到我们只有大约 11 年的时间来大幅减少排放，避免气候变化的最严重影响，官员们正在提出宏大的目标。加利福尼亚州、夏威夷州和新墨西哥州都计划到 2045 年实现碳中和能源。内华达州希望在 2050 年实现这一目标。在联邦层面，国会仍在讨论“绿色新政”，旨在 10 年内将美国的能源完全转变为可再生能源。
这些计划中提出的许多行动都很熟悉：扩大风能和太阳能发电、建设更多公共交通以及恢复自然景观以在树木、植物和土壤中储存碳。但随后又出现了关于“碳捕集与封存”(CCS) 的讨论，这是一种模糊、听起来很超前的技术。一些气候专家认为，如果没有这项工具，要实现将升温控制在 1.5 摄氏度以下的目标基本上是不可能的。但它究竟是什么呢？
工作原理
基本原理很简单。CCS 不是让发电厂、水泥厂或其他重工业将富含 CO2 的排放物排放到大气中，而是会在排放之前提取碳，并将其储存在地下。但应用这些技术要复杂一些。
燃烧前碳捕集技术在化石燃料燃烧之前将其中的碳分离出来，从而实现更清洁的能源生产。对于天然气，化学反应将碳与甲烷分子分离，产生清洁燃烧的氢气。对于煤炭，您首先需要将其转化为一种称为合成气的气体，然后才能过滤掉碳。
配备燃烧后 CCS 的工厂会像往常一样燃烧化石燃料，但会增加一个额外的步骤，在 CO2 逸入大气之前将其提取出来。有几种方法可以执行这个额外的步骤。最常见的方法是将废气通过胺类水溶液（能与碳结合的液体化学品）进行处理。之后，工厂运营商可以通过加热这些胺来释放 CO2，然后将其加压并通过管道输送走。
伦敦帝国理工学院清洁化石与生物能源研究小组的 Niall Mac Dowell 表示，燃烧后碳捕集的好处在于其适应性。“我们可以对我们现有的所有工厂进行改造，并在不改变它们现有结构的情况下为其添加 CCS。” 但燃烧后碳捕集成本可能很高，因为废气中的碳含量较低，很难将其与其他燃烧副产品分离。富氧燃烧试图解决这个问题。该工艺在燃烧前将空气中的氮气分离出来，因此只有燃料和氧气燃烧。这会浓缩产生的 CO2，使其更容易提取。
还有许多新兴的碳捕集技术需要考虑。根据斯坦福大学能源前沿研究所联合主任 Sally Benson 的说法，其中一项最令人兴奋的技术称为 Allam 循环。它基本上将燃烧产生的 CO2 回收到高压流体中，该流体可以驱动涡轮机，将废物转化为能源。目前，它正在德克萨斯州一家 小型示范发电厂 中使用，该发电厂预计很快就能在炎热的夏日为 5,000 户家庭供电。运营该发电厂的公司 NetPower 估计，未来商业规模的发电厂在考虑当前的税收抵免后，每兆瓦时的售价可能为 20 美元；而现在，美国人平均支付 130 美元/兆瓦时。Benson 说：“您会回收大量的二氧化碳，然后只抽取少量二氧化碳进行储存。”“这会带来非常高的效率，并且是一个完全零排放的发电厂。”
最后一步是将温室气体储存起来。无论如何，碳都需要加压并通过管道输送进行储存。一个有前景的储存方案是 地下深层咸水含水层，这些区域是充满盐水的疏松岩石。这些地点可以将 CO2 困在岩石的孔隙中。将从煤炭、石油、天然气中提取的碳重新注入地下，有点像反向的化石燃料开采。
但实际上从大气中已释放的碳进行捕集则是另一回事。理论上是可能的，但该过程——直接碳捕集——尚未在现实世界中投入运行。一项 2018 年的研究 发现，一个拟议的直接空气捕集系统可以将空气中的 CO2 移除并回收成燃料，成本在每吨 94 美元到 232 美元之间，但这 可能比通过可再生能源来避免排放一吨碳要贵。大气中的 CO2 相对于氧气和氮气来说比较分散，因此直接从空气中捕集需要消耗大量能源。
我们现在使用的
Benson 表示，目前全球有 18 个碳捕集与封存项目，它们每年总共储存 3150 万吨二氧化碳。但与我们去年排放的 371 亿吨 相比，这还远远不够。
美国工业厂房每年捕集 6500 万吨 CO2。但其中 6000 万吨用于“提高石油采收率”，这在某种程度上违背了初衷。二氧化碳是一种极好的溶剂，可以帮助公司有效地从地下油气藏中提取最后的油气。因此，虽然它至少得到了回收利用，但大部分 CO2 被用于继续开采化石燃料。
这并不意味着我们不能改变方向，并大幅增加永久储存在地下的量。Mac Dowell 说：“[碳捕集] 的核心技术要素非常成熟，已经使用了很长时间。”“问题在于，目前并没有真正的要求或鼓励去封存这些 CO2。”
CCS 设备安装和维护成本昂贵，因此现在化石燃料公司使用它的动力很小。继续按常规方式经营要便宜得多。政界人士可以通过税收、激励措施或监管来推动化石燃料行业。公司要么需要为污染付出成本，要么需要有办法从捕获碳中获利，才有理由进行 CCS。事实上，去年的联邦预算修订案包括一项名为 45Q 的措施，为储存碳提供税收抵免。Benson 说，将 CO2 注入咸水含水层的公司每储存一吨碳最多可以获得 50 美元的税收抵免。“我们预计，随着这项税收激励措施的到位，我们将看到更多此类项目。”
碳捕集的未来
碳捕集采用缓慢可能是一个坏迹象。许多技术已经存在了几十年，但几乎没有得到应用，一些专家认为这表明它们并不是削减排放的成本效益高的方法。与此同时，环保主义者认为，碳捕集基本上是在弥合化石燃料开采造成的严重环境破坏——为什么不转而发展一个避免使用化石燃料的能源系统呢，因为有 证据表明可再生能源可以扩大规模 并以可负担的成本提供我们大部分能源？
Benson 说：“[CCS 的] 最大机遇在于帮助处理难以消除的排放。”水泥、化肥和其他行业严重依赖化石燃料能源，目前没有简单的办法来电气化这些工艺。重型卡车也是如此，因为为大型卡车充电需要很长时间。Benson 说，取而代之的是，我们可以使用从天然气中分离出的氢气为卡车提供燃料。
一些专家认为，没有碳捕集，在短期内实现经济脱碳几乎是不可能的，他们指出 IPCC 使用的综合评估模型来评估不同能源组合情景，并查看我们实现排放目标的可能性。根据这些分析，Mac Dowell 说：“证据表明，排除 CCS 作为一种选择的成本是巨大的。”“如果我们没有 CCS 技术，我们很可能无法实现[排放]目标。”
但其他人认为，这些模型不公平地惩罚了可再生能源，认为它们比实际更昂贵、更难实施。正如《自然能源》最近的一项研究指出的那样，“评估模型可能存在自身的偏见，阻碍了它们对能源组合的有效考虑，这些组合与当前的能源组合截然不同，从而仅仅作为当前系统的延伸，增加了成本，并默许了 CCS。”
同一项研究比较了运行碳捕集能源工厂与可再生能源所需的能源。研究发现，在发电厂的整个生命周期内，可再生能源的投资回报比碳捕集工厂要高。对于投入的相同能量，风能和太阳能的回报要高于配备 CCS 的化石燃料发电厂。该研究总结道：“鉴于其净能量劣势，我们将碳捕集用于发电视为能源系统中的一个小众和补充性贡献者，而不是一项关键技术选择。”
尽管如此，IPCC 模型和《自然能源》研究都是广泛的、大规模的评估。特定地区为快速减少碳排放所需的理想能源组合可能会因多种因素而异，包括可再生能源的日照和风力资源可用性。因此，Benson 认为，一条可行的前进道路可能是制定一项包容、广泛的“清洁能源标准”。她说，目前许多政策在措辞上强调“可再生能源”，但转向“清洁能源”可能会增加一些重要的灵活性。Benson 说：“那么，在可再生能源是最佳选择的地方，就选择可再生能源，而在 CCS 有意义的地方，就可以这样做。”“[不同地区]都将争夺最低成本、最快实现脱碳的方式。”
