使用生物能源，把二氧化碳“打入地牢”
礦物燃料燃燒的過程中產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w，這是引起全球氣候變化的原因之一。氣候變化會引起高溫?zé)崂恕O端天氣和其他惡性環(huán)境影響。我們該如何面對并且阻止氣候變化呢？首要的辦法是減少大氣中的二氧化碳。本文給大家介紹一種清除二氧化碳的方法，即生物能源結(jié)合碳捕獲與封存法（bioenergy with carbon capture and sequestration，簡稱BECCS）。這種方法在產(chǎn)生能量的同時可將大氣中的二氧化碳清除掉?？茖W(xué)家們已經(jīng)開始探索如何用BECCS法減緩全球氣候變化。與利用礦物燃料發(fā)電的系統(tǒng)不同，由BECCS技術(shù)建立起來的能源輸送系統(tǒng)不僅不會產(chǎn)生二氧化碳，還能幫助清除大氣中的溫室氣體。
“給少年的科學(xué)前沿”系列（11）
作者 Daniel L. Sanchez（美國加州大學(xué)伯克利分校能源資源組）、Daniel M. Kammen（美國加州大學(xué)伯克利分校公共政策學(xué)院）
翻譯 BiotinQ
編輯 李娟
賽先生“中小學(xué)生評審”麥天承為本文撰寫了點(diǎn)評。
小黑板
氣候變化：世界范圍或局部地區(qū)內(nèi)氣候的改變。
減緩氣候變化方案：為對抗氣候改變采取的措施。
二氧化碳清除技術(shù)：能從大氣中把二氧化碳去除的技術(shù)，用來減少氣候變化。
政府間氣候變化合作小組：由各個國家的科學(xué)家組成的專門研究氣候變化及其危害的研究組。
生物能源結(jié)合碳捕獲與封存技術(shù)：利用生物資源生產(chǎn)電力或燃料，并同時清除大氣中的二氧化碳的技術(shù)。
生物能源：從生物資源中獲取的能量。這些能量來自植物，草類，樹木等干凈能源。
零碳排放能源：是指在生產(chǎn)和消耗過程中零碳排放的能源。
碳捕獲與封存法：是指把二氧化碳從產(chǎn)生地轉(zhuǎn)移并且封存到地下的方法。
電力系統(tǒng)：提供、輸送以及使用電力的網(wǎng)絡(luò)。
在一間溫室里，照進(jìn)來的陽光帶來絲絲溫暖，熱量并不會就此消失，它們會被墻壁和天花板吸收，使溫室內(nèi)比室外溫暖很多。好比大熱天里的一輛車，百分之九十以上的光可以進(jìn)入汽車內(nèi)，熱量被車座以及車內(nèi)的裝飾物吸收后重新釋放，再經(jīng)窗戶反射到車內(nèi)。因此，無法逸出車外的熱能使車內(nèi)溫度升高。地球也擁有類似溫室的大氣層，它能鎖住熱能，引起所謂的“溫室效應(yīng)”。適度的溫室效應(yīng)是有益于人類生存的，如果沒有大氣層，地表溫度可能會比現(xiàn)在低33攝氏度，水將只以冰的形式存在。大氣中能引起溫室效應(yīng)的氣體統(tǒng)稱“溫室氣體”，其中最著名的就是二氧化碳。
然而，大氣中如果存在太多的二氧化碳并非一件好事。人類活動產(chǎn)生了大量的二氧化碳。比如，出行用車或者電廠發(fā)電，都會燃燒掉大量從地底開采的不同形態(tài)的礦物能源，如煤、石油和天然氣，或者消耗森林的伐木資源。這些活動導(dǎo)致了大氣內(nèi)二氧化碳量達(dá)到了過去5500萬年內(nèi)的最高值。溫室氣體使地球變暖，進(jìn)而引起全球氣候變化，造成海平面升高、高溫?zé)崂?、極端天氣、物種滅絕和其他惡性環(huán)境問題。
所幸我們可以共同努力來減少溫室效應(yīng)對氣候變化的影響。為了減緩氣候變化，可以采取的措施有三類：減少大氣中二氧化碳和其他溫室氣體的含量（即減少此類氣體的排放）；減少陽光的照射量；從大氣中把二氧化碳清除出去。每種措施都能帶來不同的好處，但各有各的代價和風(fēng)險。仔細(xì)分析和評估以上各種方法在對抗氣候變化中的作用是政府在制定相關(guān)政策時的重要工作。
那我們怎樣才能清除二氧化碳?xì)怏w（carbon dioxide removal，CDR技術(shù)）呢？到底需要從大氣中去除多少二氧化碳才能減緩氣候變化？來自各個國家的科學(xué)家們組成了政府間氣候變化研究合作組（IPCC），就這個問題進(jìn)行了分析。
合作組為此制定了嚴(yán)格的計劃，包括如何減少二氧化碳的排放，如何清除大氣內(nèi)已有的二氧化碳。預(yù)計到2100年，CDR技術(shù)需要清除世界范圍內(nèi)四分之一的二氧化碳產(chǎn)生量。其他減少二氧化碳的辦法，包括發(fā)展清潔能源如太陽能和風(fēng)能。圖1中模擬了在采取或不采取“減緩氣候變化”措施的情況下未來二氧化碳每年的排放量。
圖1. 在采?。ㄋ{(lán)線）和不采取（黃線）減碳措施下，未來全世界每年碳排放量（PgC/年）的比較。黃線代表在不采取任何減碳措施的情況下，依據(jù)目前使用礦物能源的量計算出來的未來二氧化碳的年排放量。藍(lán)線代表假設(shè)政府采取了減碳措施之后的二氧化碳年排放量。此圖來自IPCC。
從大氣中清除二氧化碳可以采取若干種方法。每種方法移除氣體的量不同，所消耗的成本也不同。一種方法費(fèi)用比較昂貴，它直接固定空氣中的二氧化碳。另一些方法是把二氧化碳鎖住封存到植物、土壤或者海洋中。譬如一項被稱為“生物能源結(jié)合碳捕獲與封存法”（BECCS）的新技術(shù)。它可以在發(fā)電或者生成燃料等能源產(chǎn)品的同時清除二氧化碳。更重要的是，這項技術(shù)是清潔的產(chǎn)能方式，它的應(yīng)用能夠減少因為燃燒礦物能源而產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家們認(rèn)為這項技術(shù)可以在人類對抗氣候變化中起到重要作用。
那BECCS到底是怎么做到清除二氧化碳的呢？它巧妙地利用并發(fā)揮了植物的作用。
人類自古就會從燃燒生物能源如植被、樹木或者草類中獲取能量。我們把這類能源統(tǒng)稱為生物能源。舉個例子，早期人類就會用火點(diǎn)燃植物來獲取熱量，就像我們點(diǎn)燃的篝火那樣。如今，世界范圍內(nèi)的人們也開始利用生物能源生產(chǎn)熱能、電力或者運(yùn)輸燃料。生物能源可以被視為清潔能源。因為它產(chǎn)能時排放的二氧化碳量，和植物生長過程中所使用的二氧化碳量相差無幾。然而，也只有在保證植物可持續(xù)生長的情況下，才能達(dá)到減少碳排放的可能。和其他清潔能源一樣，生物能源是減少二氧化碳排放的重要方法和途徑。
圖2. A，生物質(zhì)能發(fā)電廠。B，采用生物質(zhì)能集合碳捕獲與封存技術(shù)的發(fā)電廠。植物的生長過程需要二氧化碳。我們可以利用燃燒生物質(zhì)燃料如植物來產(chǎn)電。在采用BECCS技術(shù)產(chǎn)能的發(fā)電廠內(nèi)，發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳并沒有完全釋放到環(huán)境中，而是巧妙地分離捕獲后后封存到地下。
碳固存法（Carbon capture and sequestration ，CCS）是指從二氧化碳排放源如發(fā)電廠中捕獲二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)移封存到地下的方法。利用這種技術(shù)，原來需要排放的氣體可以在地下封存幾百年甚至更長時間，由此達(dá)到減緩氣候改變的目的?？茖W(xué)家們認(rèn)為，未來CCS可以將礦物能源發(fā)電廠所排放的將近90%左右的二氧化碳封存起來。雖然這項技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是很多發(fā)電廠并沒有使用。希望在不久的將來，各個國家的電力系統(tǒng)都能采用這套技術(shù)來減少碳排放。結(jié)合了生物能源的碳捕獲與封存技術(shù)，在產(chǎn)能的同時又能清除空氣中的二氧化碳（圖2B），將來該技術(shù)可以取代傳統(tǒng)發(fā)電廠發(fā)電所需的礦物能源。
對BECCS技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的研究才剛剛開始。IPCC小組的科學(xué)家們利用計算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)BECCS或者其他固碳技術(shù)的確可以減少碳排放，但是目前仍需解決幾個關(guān)鍵問題。比如，我們首先要弄清適合產(chǎn)能的生物量有多少，以及從何處獲得它們，從而了解到底能用這些資源生產(chǎn)多少能量。另外，還要解決如何在地下儲存二氧化碳的問題，因為用于封存的地方很有可能不是生物能源的來源地。最后，解決如何把BECCS技術(shù)應(yīng)用到各大產(chǎn)能系統(tǒng)（如電力系統(tǒng)）中。目前，世界各地的科學(xué)家、工程師和地質(zhì)學(xué)家們都在為解決這些難題不懈努力。
為了讓BECCS技術(shù)得到更好的實際應(yīng)用，北美的科學(xué)家們利用計算機(jī)來模擬在電力系統(tǒng)引入BECCS的方法，發(fā)掘生物能源和地下封存二氧化碳的可能地點(diǎn)，同時也幫助政府規(guī)劃未來的電力系統(tǒng)網(wǎng)。處理這些信息需要有強(qiáng)大計算能力的超級計算機(jī)，它們處理數(shù)據(jù)的速度是普通筆記本電腦的5千萬倍。超級計算機(jī)所取得的數(shù)據(jù)能幫我們更好地了解BECCS，甚至比IPCC科學(xué)家們得到的數(shù)據(jù)模型更有用。
采用BECCS技術(shù)之前，首先我們要知道一個地方的生物資源總量。和傳統(tǒng)礦物能源相比，生物能源分布更廣，產(chǎn)能率卻比較低。北美西部擁有豐富的生物資源，如森林、農(nóng)作物，以及人類產(chǎn)生的垃圾（比如修建拆毀建筑物留下的木材）。這些生物資源是有限的，我們必須保證在獲取資源的同時不破壞土地、水源或者空氣，確保重新栽培植物時有足夠的土地。通過模型可以預(yù)測生物資源的可利用量。圖3顯示可以得到的生物資源供應(yīng)曲線，包括資源的可利用量和價格。預(yù)計到2050年，北美西部總電力需求的10%將是由BECCS技術(shù)開發(fā)的能源。
圖3. 生物資源供給曲線圖。扔掉的垃圾、農(nóng)場或森林中的余料，以及專門用來發(fā)電的植物統(tǒng)稱為生物資源。圖中顯示了每種生物資源的存在量和成本。此圖來自Sanchez et al. [3]
從現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型分析，BECCS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用會在未來大大改善氣候變化。到2050年，在北美西部地區(qū)，BECCS技術(shù)和其他技術(shù)，如煤-CCS技術(shù)，以及可再生能源如風(fēng)能和太陽能，將共同實現(xiàn)碳排放量為負(fù)值（即清除量大于排放量）。二氧化碳清除系統(tǒng)的能量供應(yīng)將會倚賴可再生能源。模型指出，在2050年這些清潔能源的發(fā)電量將會占到總發(fā)電量的88%（圖4），風(fēng)能是其中最大的能量來源。傳統(tǒng)礦物能源產(chǎn)生的電力只占到剩余的12%左右。
圖4. A，不同能源的年發(fā)電量。B，到2050年，BECCS技術(shù)將使北美西部地區(qū)的某個發(fā)電系統(tǒng)減排至負(fù)值。
除此之外，由于BECCS能從大氣中清除二氧化碳，使用一些礦物燃料產(chǎn)生的二氧化碳就不足為懼。降低汽車尾氣或者工廠廢氣中的二氧化碳所需成本較高，而使用BECCS技術(shù)可以降低成本。然而，清除的二氧化碳量將取決于生物資源的可利用量。
BECCS技術(shù)雖然前景可觀，但是仍然存在風(fēng)險和不確定性。一個最重要的因素就是生物資源的可持續(xù)性。擴(kuò)大植被的種植率會對環(huán)境造成一些負(fù)面的影響，比如增加用水量、占用土地以及加大化肥的使用。比如，如果按預(yù)測模型計算得到的所需生物資源量，我們必須奉獻(xiàn)出整個西弗吉尼亞來。另一個問題就是儲存在地下的二氧化碳可能有泄漏的風(fēng)險。如果封存的氣體大量泄漏同樣會造成氣候變化。
綜上所述，目前關(guān)于BECCS技術(shù)的最大問題是我們的經(jīng)驗有限，仍在摸索中前進(jìn)。很多問題還是未知，比如有誰來建造這些設(shè)施？要建成多大？是否能夠盈利？它們的耗能是多少？政府該如何提倡這項技術(shù)等等。
接下來，科學(xué)家們要共同努力讓BECCS技術(shù)在未來變成現(xiàn)實，盡量做到低成本、高效率，并且容易操作和使用。
參考文獻(xiàn)：
[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
Frontiers for Young Minds青少年評審：
Lausanne國際學(xué)校的學(xué)生：
建于1962年的Lausanne國際學(xué)校位于瑞士Lac Léman地區(qū)中心。是一所非營利性的英語國際學(xué)校。學(xué)校為3到18歲的學(xué)生提供開發(fā)潛能的各項課程與活動，努力給有不同才華的學(xué)生營造多元化的富有運(yùn)動精神和創(chuàng)造力的學(xué)習(xí)環(huán)境。
賽先生青少年評審：
麥天承（17歲，高二年級，人大附中）
簡介：對信息技術(shù)、生物學(xué)、音樂、
點(diǎn)評：
目前，生物質(zhì)能已經(jīng)廣泛地在全球范圍內(nèi)被利用，
同時，
我以上疑問并不是要質(zhì)疑這種新型的技術(shù)，而是說，
雖然BECCS這種新型技術(shù)在短期內(nèi)可能不會迅速普及，
本文譯自Frontiers for Young Minds網(wǎng)站。
原文標(biāo)題：Removing harmful greenhouse gases from the air using energy from plants
原文鏈接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2015.00014
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