ICEF 路线图 （ 2018 年 ） ： 二氧化碳的直接空气捕获

作者:David Sandalow哥伦比亚大学全球能源政策中心ICEF 创新路线图主席项目Julio Friedmann哥伦比亚大学全球能源政策中心能源期货倡议科林 · 麦考密克乔治敦大学沃尔什外交学院Valence 战略肖恩 · 麦考伊卡尔加里大学化学与石油工程系该路线图旨在促进第五届 “冷地球创新论坛 ” （ 2018 年 10 月东京 ） 的对话 ， 并在 COP - 24 上最终发布。（ 卡托维兹 2018 年 12 月 ） 。 iii2018 年 12 月1Contentsiv导言第 1 章二氧化碳去除技术Chapter 2直接空气捕获技术Chapter 3直接空气捕获的优点Chapter 4直接空中捕获面临的挑战第 5 章直接空气捕获技术途径第 6 章政策考虑因素第 7 章调查结果和建议91519213137 iv2018 年 12 月Introduction大气中的二氧化碳浓度已达到大约 300 万年来的最高水平。这些浓度年复一年地继续攀升。政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 警告说 ， 除非大气中二氧化碳的积累减缓 ， 然后在未来几十年逆转 ， 否则将面临非同寻常的风险 (包括风暴、洪水、干旱、热浪和海平面上升) 。目前已有超过 175 个国家批准了巴黎协议 ， 呼吁各国实现净自 1940 年代以来一直在潜艇中使用 ， 自 1950 年代以来一直在宇宙飞船中使用。电影 Apollo 13 讲述了在前往月球途中的受损航天器上设计 CO2 洗涤器的巨大努力。该路线图探讨了直接空气捕获二氧化碳的潜力 ， 以促进缓解气候变化 （ 并为商业工艺提供原料 ） 。Chapter 1路线图的内容广泛地审查了二氧化碳去除的必要性 ， 并调查了可用的 CDR 方法的范围。Chapter 2描述了直接空气捕获技术。Chapter 3讨论了直接空气捕获的优点。Chapter 4探索直接空中捕获面临的挑战 ， 以及第 5 章考虑解决这些问题的研究途径。第 6 章讨论政策选择。第 7 章提供调查结果和建议。第二温室气体零排放一半 然而 ， 实现这一目标的进展缓慢。现在 ， 很少有主要经济体实现《巴黎协定》规定的初始减排目标。全球经济某些部门深度脱碳的战略仍不清楚。在这种背景下，二氧化碳去除 （ CDR ） 已成为全球气候战略的重要组成部分。CDR 是指使用生物、工程或混合手段从大气中提取二氧化碳 (CO2) 的一系列方法。CDR 的实例包括植树造林、具有碳捕获和储存的生物能源 (BECCS) 和二氧化碳的直接空气捕获 (DAC) 。从大气中去除二氧化碳有可能在缓解气候变化方面发挥重要作用，首先是减少和防止二氧化碳排放的许多至关重要的战略的补充。实际上，IPCC 的全球变暖 1.5 ° C 报告 （ 2018 年 ） 指出，本世纪将需要 100 - 1000 千兆吨 （ GT ） 的二氧化碳去除量，以防止全球平均温度比工业化前的水平攀升 1.5 ° C （ 2.7 ° F ） 。可以使用化学品 ， 制冷或膜直接从空气中捕获二氧化碳。其中一些技术至少可以追溯到 1930 年代 ， 当时空气设计用于产生氧气的分离装置产生作为副产品的 CO2 。 （ 这种 CO2 通常出售给食品和饮料行业。 ） 大气 CO2 洗涤器有1见 IPCC，1.5 ° C 的全球变暖 ： 政策制定者摘要 （ 2018 年 ），第 13 页，http: / / report 。ipcc.ch / sr15 / pdf / sr15 _ spm _ fial.pdf，IPCC，第五次评估报告工作组 1 - 来自古气候记录 (2013 年) 的信息，第 1 页。394，http ： / / www 。ipcc.ch / site / assets / ploads / 2018 / 02 / WG1AR5 _ Chapter05 _ FINAL.pdf ； NASA，二氧化碳达到新高，https: / / 气候。asa.政府 / 气候 _ 资源 / 7 / 图形 - 二氧化碳 - 命中 - 新高。2IPCC ， 全球变暖 1.5 ° C ： 政策制定者摘要 （ 2018 年 ） ， 第 19 页 ， http: / / report. ipcc. ch / sr15 / pdf / sr15 _ spm _ final. pdf 。图 1 - 1 。阿波罗 13 号登月舱上的简易二氧化碳洗涤器。来源: nasa. gov 12018 年 12 月Chapter 1二氧化碳去除技术A.需要去除二氧化碳由于温室气体的排放 ， 全球平均气温正在上升 ， 最重要的是这是巴黎协定中的 CO2.1 ， 超过 180各国同意 ：“将全球平均温度的升高保持在比工业化前水平高 2 ° C 以下 ， 并努力将温度升高限制在比工业化前水平高 1.5 ° C 。 ” 2IPCC 估计，为了有 67 ％ 的机会防止全球平均温度比工业化前水平 （ “低于 2 ° C 的碳预算 ” ） 升高 2 ° C （ 3.6 ° F ） 。2018 年初后的 CO2 排放量必须保持在 1170 GtCO2 （ 319 GtC ） 以下。 3 IPCC 还估计，为了有 67 ％ 的机会防止全球平均温度升高 1.5 ° C （ 2.7 ° F ） 高于工业化前的水平 （ “低于 1.5 ° C 的碳预算 ” ），2018 年初后的 CO2 排放量必须保持在 420 GtCO2 （ 114 GtC ） 以下。从这个角度来看 ， 每年的二氧化碳排放量来自人类活动约为 42 Gt (11 GtC) 。 5 因此 ，低于 2 ° C 的碳预算的剩余量相当于当前速率下大约 28 年的全球 CO2 排放量。低于 1.5 ° C 的碳预算的剩余量相当于当前速率下大约 10 年的全球 CO2 排放量。 6由于包括辐射强迫估计的差异 ， 非 CO2 气体 （ 例如甲烷 ， 一氧化二氮和气溶胶 ） 排放途径以及其他因素在内的因素 ， 这两种估计都存在不确定性。 （ 请参阅。方框 1.)尽管对于任何稳定目标的碳预算的精确值存在不确定性 ， 11 对于三个重要结论没有不确定性 ：1.为了防止全球平均温度比工业化前的水平上升 2 ° C （ 3.6 ° F ） 或 1.5 ° C （ 2.7 ° F ） ， 剩余的碳预算与过去人类温室气体排放量相比很小 ，2.随着这些预算逐年减少 ， 而且3.与向零排放社会过渡所需的时间相比, 我们耗尽这些碳预算之前剩余的时间非常短 12.CDR 的主要动机是期望 CO2 排放量不会迅速减少或降低到足够低的水平以保持在碳预算之内。这意味着将来有必要从大气中提取 CO2 。 13 寻求将温度增加限制为 2 ° C （ 3.6 ° F ） 的未来气候情景非 CO2 温室气体和气溶胶对气候有很大影响 ， 但也往往是短暂的。例如，甲烷 （ CH4 ） 和一氧化二氮 （ N2O ） 在大气中的寿命分别约为 12 年和 121 年。 7 相比之下，今天排放的很大一部分二氧化碳将持续数千年，导致整个变暖时间 8 - 决定碳预算的一个因素。如果今天停止所有非二氧化碳温室气体和气溶胶排放，它们对气候的影响将在几十年内减少，而二氧化碳排放将继续使地球变暖几个世纪。 9 非二氧化碳温室气体和气溶胶未来排放轨迹的微小差异可能会对碳预算产生重大影响。应对气候变化必须解决 CO2 和非 CO2 温室气体排放问题。BOX 1非 CO2 温室气体对碳预算的影响 22018 年 12 月(例如 ， IPCC RCP2.6) 反映了这一预期 ， 因为大多数都需要 CDR 技术在 2050.14 年之后提供 “净负 ” 排放 (见方框 2.)即使排放量大幅减少 - 远远超过当前国家确定的隐含贡献 （ NDC ） - CDR 需要实现限制在 1.5 ° C （ 2.7 ° F ） 的变暖。 15 事实上 ， 在其全球变暖 1.5 ° C 报告 （ 2018 年 ） 中 ， IPCC 发现所有达到 1.5 ° C （ 2.7 ° F ） 稳定目标的途径都需要大量的 CDR - 100 至 1000 GtCO2 至 2100.16虽然 CDR 的主要动机是期望我们将无法满足碳预算施加的限制 ， 但一些 CDR 方法可能还有助于减少二氧化碳排放的影响。 17 对于例如 ， 海洋碱度改变技术可以帮助抵消由于大气中的二氧化碳混入海洋而导致的海洋酸化。同样 ， 增加土壤碳的方法也可以提高土壤的保水能力 ， 改善植物生长并限制极端降水事件期间的径流 ， 预计极端降水事件将因气候变化而增加。As this section highlights, many of the carbon budget available for limiting warning to 2 ° C (3.6 ° F) has already been expensed and the remaining space in the budget is shrapidly.CDR 途径不能替代传统的减排方法, 但需要作为深度减排的补充 18.LEGEND图 1 - 2 。CDR 组合中的路径汇总表 ， 突出优势、劣势和指示性技术潜力。能源土地水成本风险ofVeri fi 能力实施需求使用消耗反转就绪性重新造林和加强森林管理湿地和沿海恢复土壤碳恢复DACS陆地增强风化海洋碱度改性混合生物能源与 CCS （ BECCS ）生物碳封存生物能源 (BEBCS)一般可接受 / 可用运动注意事项可能无法接受 / 不可用混合技术NATURAL B.二氧化碳去除产品组合直接空气捕获 （ DAC ） 是几种 CDR 路径之一。 19 （ 请参见图 1 - 2 。） 没有单一的 CDR 途径可能能够实现保持在低于 2 ° C 的预算范围内所需的所有二氧化碳去除量。 20这些途径是美国国家科学院进行的一项重大研究的主题 ， 目的是评估当前 CDR 方法的状态 ， 并制定研究 ， 开发和示范 （ RD ＆ D ） 议程许多关键的 CDR 路径. 21 研究得出的结论是，所有方法都有优点和挑战。重要的是，这项研究得出的结论是，美国S.世界也无法使用目前可用的低于 100 美元 / tCO2 成本的途径来实现所需的 CDR 速率和体积。对于所有 2 ° C 途径, 目前需要额外部署 CDR, 成本高于 $100 / tCO2 。报告的结论是，创新、研究、开发和。需要投资来降低成本 ， 增加潜在数量和费率 ， 并管理土地、成本、能源需求和其他重要制约因素之间的权衡。CDR 方法可以分为自然途径、技术途径和混合途径。自然途径是生态系统得到保护、恢复或管理以从大气中去除二氧化碳并增加碳固存的途径。自然途径的例子包括重新造林 ，改善森林管理 ， 使用覆盖作物在农业方面 ， 改变动物放牧方式和恢复湿地 ， 泥炭地和海岸线 （ 通常称为 “蓝碳 ” ）. 22相对于目前的年排放量 ， 自然途径去除二氧化碳的累积潜力很大。此外 ， 除了去除二氧化碳 ， 许多天然Pathways enhances other ecosystem services, such as regulating water flow or reducing erosion. The potential of a wide range of natural patways was recently estimated at 14 GtCO2 / y in 2030 (after accounting对于 “保障措施 ”) 23 ， 其中约 5 GtCO2 / y估计成本不到 100 美元 / tCO224 。但是，这些途径受到土地，水和营养的可获得性的限制。 25 此外，这种方法可能存在缺陷，例如作物或放牧地减少，生物多样性 （ 例如Procedre， 用管理的种植园代替原始森林 ） 或反照率 （ i 。Procedres.， 增加太阳辐射