11月1日，联合国气候变化框架公约缔约方大会第二十六次会议(COP26)即将在英国苏格兰的格拉斯哥召开。这场有关全球气候危机的谈判，被普遍认为是推动世界走上“实现其气候目标正轨的最后机会”。碳排放作为气候变化的重要原因之一，将是这次会议的重要议题，参会各国领导人将围绕减少空气中二氧化碳排放量进行讨论。
就在会议召开的50天前，全球规模最大的碳捕集工厂“奥卡”在冰岛开始运营。其主要工作为从空气中捕集二氧化碳，经提取后与水混合，最终被泵入地下约1000米深处进行封存。按照设计，这座工厂每年可从空气中捕集4000吨二氧化碳，相当于大约800辆燃油小汽车一年的排放量。
碳捕集(又称碳捕捉)，被公认为最具潜力的二氧化碳等温室气体减量技术之一，被科学家视为减缓全球变暖的关键，而近年来全球变暖造成了世界各地频发的热浪、山火、洪水以及海平面上升。因此在对待二氧化碳排放的问题上，人们开始探索除自然光合作用外的其他固碳手段。
自1972年第一个大型碳捕集、封存(CCS)项目在美国得克萨斯州沙隆里奇油田开始运营以来，人类对于碳捕集技术的探索，已经经历了近50年的历程。在碳达峰、碳中和的大背景下，碳捕集技术已经成为世界关注的新焦点。
背景
全球碳预算总额或在2045年耗尽
今年8月，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出，未来20年，全球温升将达到或超过1.5℃。然而，仅仅2011-2020年全球地表温度比工业革命时期上升了1.09℃，其中约1.07℃的增温是人类活动造成的，而二氧化碳等温室气体排放则被认为是地球温度快速升高的主要元凶。
数据显示，在工业革命之前，地球大气中的二氧化碳浓度约为百万分之280，而2021年，地球碳浓度则超过了百万分之420，高于200万年以来的任何时候。如果想要地球保持正常温度的话，需要把这个数字保持在百万分之350以下。显然，地球上的二氧化碳浓度严重超标了。
因此，1970年以来的50年是过去2000年里最暖的50年，1901-2018年全球平均海平面上升了0.2米，上升速度比过去3000年任何一个世纪都快，这样一系列刺眼的数据便也显得不再意外。
面对这样的局面，世界各国先后签订了《京都议定书》以及《巴黎协定》。其中，2015年12月12日签署的《巴黎协定》约定，各国的长期目标是将全球平均气温，较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并尽力将其限制在1.5℃以内。如果以目标上限2℃计算，全球碳排放允许的总量为1万亿吨。据IPCC测算，自19世纪工业革命以来，全世界累积排放已超过6000亿吨，超过该预算总额的60%。根据当前的排放速度估算，若不采取强力干涉措施，全球碳预算总额将在2045年耗尽。
因此，控制大气中二氧化碳浓度，便成了遏制地球升温的关键。
从逻辑上讲，减少大气中的二氧化碳有两个努力方向：一是减少输入，即减少甚至不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料，减少人类活动产生的二氧化碳;二是增加去路，提高环境和人工二氧化碳的固定能力。其中植物光合作用固碳曾被视为重要手段，但其时效慢，难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势。因此，通过技术工程干预进行碳捕集的思路便应运而生。
现状
每年“捕捉”4000万吨二氧化碳
当前碳捕集技术的核心目的，是将人类活动产生的二氧化碳收集起来，加以储存甚至利用，避免其排放到大气中。主要技术方向有三个，分别是：碳捕集与储存、碳捕集与能源化利用、碳捕集与资源化利用。
根据全球碳捕集与封存研究院的统计，目前世界上的碳捕集、利用与封存(CCUS)项目超过400个，有65个商业碳捕集与封存(CCS)设施。在2020年启动的17个商业设施中，12个位于美国。正在运行中的CCS设施每年可捕集和永久封存约4000万吨二氧化碳，其中美国驱油利用二氧化碳已达每年1000万吨以上，迄今美国已经封存二氧化碳约10亿吨，形成了较为成熟的驱油技术和配套设施。在运行、在建和规划的项目中，年捕集量在40万吨以上的大规模综合性项目有43个，62%的捕集量集中在北美和欧洲地区。
不过，国际能源署(IEA)数据显示，2020年全球二氧化碳排放量达315亿吨，这个数据远远超出了每年全球二氧化碳捕集和封存的数量。近年来全球山火频发，包括“地球之肺”的亚马逊雨林在内的大片森林被烧毁而损失了光合作用的固碳功能，碳捕集技术作为人类与全球气候变暖抗争的有效手段，对减少大气中二氧化碳含量则起着至关重要的作用。
根据市场研究机构埃信华迈清洁能源技术团队的全球项目追踪，目前全球共有23个在建、已融资和设计中的CCUS项目，到2026年全部建成后，CCUS项目的运营能力将增加一倍。不过，要实现当前净零目标，未来30年碳捕集能力至少每五年需翻一番。新兴的碳捕集、利用与封存产业能否保持当前净零目标需要的可观的增长率，还有待观察。超过75%的已宣布项目仍处于早期开发阶段，尚未经历多重挑战，最关键的是还没有获得融资。
利弊
捕集1吨二氧化碳最少100美元
碳捕集与封存，其核心是封存，但是这项技术的最大问题在于高昂的建设和运行成本。根据美国能源部的分析，以每台设备成本4亿到5亿美元计算，工业技术捕获碳的费用约为每吨二氧化碳58.3美元。然而实际情况却是，市场上价格最低的碳捕集解决方案由以色列的High hope公司提供，其最低价也为100美元/吨。而冰岛的“奥卡”碳捕集工厂，由于使用碳捕集技术的装置多数为手工制造，而非自动化生产，加上捕集二氧化碳需要大量能源，目前，从空气中直接捕集1吨二氧化碳，成本约为600至800美元，其技术提供方瑞士Climeworks的未来预测图表显示，到2035年，从空气中提取碳的价格也不会低于250美元/吨。
高昂的费用投入，却将捕捉的二氧化碳封存于地下，显然人们并不满足于这一目标，因此，碳捕集技术从最开始的碳捕集、封存走向了碳捕集、利用与封存——将捕捉的二氧化碳应用到产品生产过程中，通过产品的盈利降低碳捕集成本乃至实现碳捕捉盈利。美国在开采石油时，将捕捉来的二氧化碳加压注入到油井中，使即将枯竭的油田再次采出石油，同时也将二氧化碳永久地贮存在地下。比如世界最大的碳捕集项目美国佩特拉诺瓦工程，虽然安装成本约为10亿美元，但是其根据“清洁煤计划”获得了美国政府的近1.9亿美元赠款，以及日本政府提供的2.5亿美元贷款，并且随着油田采油量的增加，采收率的提高也带来了更多的净收入，碳捕集的成本也大大下降。
驱油技术只是早期碳利用的物理方法，随着技术的日新月异，人们对二氧化碳的处理探索出了更多的方法。比如，化工利用，即以化学转化为主要手段，将二氧化碳和共反应物转化成目标产物，实现二氧化碳资源化利用的过程，主要产品有合成能源、高附加值化学品以及材料三大类。生物利用，以生物转化为主要手段，将二氧化碳用于生物质合成，实现二氧化碳资源化利用的过程，主要产品有碳酸类饮料和饲料、生物肥料、化学品与生物燃料等。其中，生物利用技术的产品附加值较高，经济效益较好。
技术解析
碳捕集技术工程是如何运作的
将空气中看不见的碳“搜”出来，并将其控制住，这显然是一项技术性很强的工作，同时也是难度相当大的工作。涵盖了捕集、运输、利用和封存四个环节。
以冰岛“奥卡”项目为例，其二氧化碳捕集装置是四组巨大的长方形箱体，每组由两个箱体上下排列而成。每个箱体大小与大型标准集装箱相仿，长约12米，内嵌12台风扇。风扇把空气中的二氧化碳“捕捉”到海绵状过滤器中。
关闭收集设备，利用当地丰富的地热能，将收集到的空气加热到80-100℃，从而将二氧化碳气体释放出来。这些高浓度的二氧化碳与水混合，被泵入位于地下约1000米的玄武岩洞穴深处，在那里逐渐冷却，随着时间推移，与玄武岩发生钙镁反应，慢慢变成白云石方解石和菱镁矿等岩石样貌的固体物质。
美国的佩特拉诺瓦项目则是通过一条80公里的管道，将捕捉的二氧化碳输送到附近的一处油田，从而利用二氧化碳驱油以提高油田的开采量。
而位于挪威的北极光项目则是将陆地上收集的二氧化碳用轮船运到海上，注入海洋底部，由于二氧化碳在海平面2.5公里以下，主要以液态形式存在，而且其密度也大于水，因此可以相对稳定地保存在海底。
目前，二氧化碳驱油技术由于其封存规模大且具有提高采收率的良好效果，是碳捕集、利用与封存的主要技术发展方向。不过，有研究表明，将通过技术手段二氧化碳封存于地下，使化学反应后的固态二氧化碳与地壳岩石结合，可实现稳定存储。但是这些二氧化碳，终究只是以“打盹”的形式，维持着微妙的平衡存在于地壳之中。因此，有科学家担心，频繁的地壳活动，终有一天会将这些气体送回地面，因此碳封存的技术安全性还有待加强。
能源化利用：
二氧化碳也能做燃料
二氧化碳一直是燃料燃烧后的尾气成分，甚至被用来灭火，“二氧化碳燃料”这个名词组合，难免让人感觉有些怪异。但科学家真的让这种奇思妙想变成了现实。以往热机工作都是通过燃料燃烧，加热腔室，获取密闭空间的气体膨胀，从而驱动热机运转。加热不是热机工作的目的，而只是手段。如果我们的燃料原本就是极低温的，恢复到正常温度，也会产生巨大膨压，即便不燃烧，也能驱动热机运转。
二氧化碳恰是这样一种神奇物质。常压下，它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在;到了约10个大气压的环境中，又会变成液体流动，便于输送。如果用干冰作为工作介质，就可以吸收环境中的热量，从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中，就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上，这种高压、常温气体，完全可以推动气动机械做功。
根据这一理念，低温热机迅速诞生。这几乎是蒸汽机革命之后，人类对驱动能源做的最有意思的一次尝试。碳捕捉完成后形成的干冰物质，作为驱动热机运转的燃料，气化后释放到空气中，之后再次被捕捉回来，从而保持一种人类活动与大气状态之间的奇妙平衡。
资源化利用：
代替石油做化工原料
当前，绝大多数的人造材料、合成制品，都是石油化工的产物。换言之，就是都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。理论上，以当下人类对物质的认识和改造水平，完全可以将捕捉到的二氧化碳，用于制备当前从石油中衍生得到的化学品和材料。
二氧化碳是一种极其稳定的分子，作为原料参与化工合成，需要吸收大量能量。这也意味着其转化成本非常高昂。科学家们必须先找到一条低耗能的转化路径。事实上，截至当前，基于二氧化碳的产品开发技术，已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支，比如沙特一家公司将二氧化碳作为生产化肥的原料，印度一家燃煤电厂将捕获的二氧化碳转变成苏打粉，澳大利亚一家公司则通过化学反应将二氧化碳进行封存固化，从而生产砖与水泥。
食品化利用：
作为原料人工合成淀粉
今年9月24日，国际学术期刊《科学》杂志在线发表中国科学院天津工业生物技术研究所的科研成果，首次在实验室里实现了二氧化碳到淀粉的合成。此消息一出，网友们戏称：“空气变馒头不是梦”“喝西北风能饱”。
据介绍，该技术不依赖植物光合作用，不需大面积种地、施肥和农作物加工，经优化，原料只需二氧化碳、氢气和电，便能生成淀粉。而且在充足能量供给条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。
该团队的整体设计思路是，将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电或氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。
不过，上述展望的实现，仍要建立在一定条件的基础上。举例来说，首先该转化过程的成本需进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，才有可能节约耕地和淡水资源，同时避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。
天津工业生物所研究团队表示，目前该研究成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需尽快实现从“0到1”的概念突破，到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题的有效手段和工具。
