头图来源：XPRIZE 官网从技术到商业的碳捕捉路径如何解决气候问题？
作者|郑玥 编辑|靖宇
来源：极客公园
‘硅谷钢铁侠’马斯克有两个人生目标，一个是推广电动车，一个是移民火星。前一个基本已经实现，后一个正在进行中，但什么时候实现不好说。
现在，马斯克有了第三个目标。
就在马斯克宣布花 440 亿美元收购推特的前几天，4 月 22 日，他花 1 亿美元支持的除碳大赛公布了第一批大奖里程碑奖的获奖名单。
这 15 支团队平分了 1500 万美金，各显神通地将空气中的二氧化碳捕捉并封存或者利用起来，它们都要证明自己的技术可以每年去除 1000 吨二氧化碳。
这场大赛的最终大奖将在 2025 年颁发，前三名将分别获得 5000 万美元、2000 万美元、1000 万美元的奖励。
除了这场大赛，上半年在碳捕集技术领域发生的融资都以亿美元为单位。4 月初，瑞士初创企业 Climeworks 完成 6.5 亿美元融资； Alphabet（谷歌母公司）、 Meta（Facebook 和 Instagram 所有者）、Stripe、Shopify 和麦肯锡联手发起一个投资项目，这些公司表示，他们将在未来十年投资 9.25 亿美元用于碳去除技术。
在一些预测中，2022 年有关碳捕获与封存商业项目的总支出就将达到 44 亿美元，预计 2023 年全年达到 110 亿美元，甚至到 2040 年，碳捕集与利用的市场规模可能达到 5500 亿美元。
这个把排放的二氧化碳再‘抽’出来封存的技术，如何有千亿美元市场？
更重要的是，它能否真的解决气候问题？
马氏‘大奖赛’
2021 年 1 月 21 日，马斯克在推特发起这场除碳大赛。在推文中，马斯克称将捐赠 1 亿美元以奖励优秀碳捕集技术。2 月 8 日，美国非营利性基金会 XPRIZE 宣布，由马斯克和马斯克基金会赞助的 1 亿美元 XPRIZE 碳捕集大赛（$100M XPRIZE for Carbon Removal）即日成立。
马斯克和 XPRIZE 基金会想用竞赛奖励的方式，来推动碳捕集技术的创新。XPRIZE 基金会本就是一家致力于以竞赛的方式推动技术发展造福人类的非盈利组织，1995 年在美国加州创立。这场大赛旨在用碳捕集技术解决人类面临的最大威胁：应对气候变化和重新平衡地球的碳循环。
‘时间就是生命！’煽动力极强的马斯克，在推文中呼吁大家‘不惜一切代价’，希望‘参赛团队能够构建可实施的十亿吨级碳去除方案。’
马斯克呼吁|图片来源： XPRIZE 官网截图竞赛的规则简单，需要参赛团队展示现有的每年去除 1000 吨二氧化碳的技术方案，同时要以除碳 100 万吨的规模建模进行成本估算，证明未来如何实现每年 10 亿吨二氧化碳去除的长远目标，以赢得丰厚奖金。
大赛分阶段进行，去年 11 月，XPRIZE 基金会公布了‘碳去除竞赛’（Carbon Removal Competition）发放了第一笔学生组别的奖金共 500 万美元，奖金由 23 个团队获得。
一年后的世界地球日，2022 年 4 月 22 日，大赛的第一批里程碑大奖获奖名单公布，15 支获奖团队来自澳大利亚、加拿大、法国、冰岛、肯尼亚、荷兰、菲律宾、英国和美国，平分了 1500 万美金的里程碑奖，每个团队获得 100 万美元。同时有 25 支学生团队分别获得 20 万美元的支持。
四年后，在 2025 年的决赛中，前三名将分别获得 5000 万美元、2000 万美元、1000 万美元的奖励。
诱人的奖励背后所需要的核心技术‘碳去除’，是一项早就存在的技术，解释起来也并不复杂，就是把空气中的二氧化碳捕捉、封存和利用起来。专业名词叫做碳捕捉、封存和利用技术‘CCSU’，是在二氧化碳捕集与封存（CCS，Carbon Capture andStorag）的基础上增加了‘利用’（Utilization）。
除了马斯克，向来致力于气候问题的比尔·盖茨也花了大量时间精力投入到碳捕集技术中。盖茨和他的气候基金，曾投资过多家碳捕集公司——Carbon Engineering、Sustaera 和 Verdox Inc。 等。
两大超级富豪同时看中的碳捕捉技术背后，是气候问题的严重性——达到碳中和的目标，仅仅‘减碳’不够，还需要‘负碳’。
目前人类为阻止全球变暖已经作出了种种努力，2015 年《巴黎协定》设定的指导性长期目标，希望将本世纪全球的升温幅度控制在工业化前水平的 1.5℃内，去年于英国格拉斯哥召开的 COP 26 亦使各国作出承诺。
但全球变暖的趋势没有减缓。
今年 4 月，世界气象组织国际气候变化专门委员会（IPCC）最新发布的一份气候通报《全球升温 1.5℃特别报告》称，2022 年至 2026 年中的某一年，将很可能成为有记录以来最热的一年，并且有 50% 的概率比工业化前水平高出 1.5℃，这一数字暂时达到了《巴黎协定》设定的较低目标。
世界气象组织秘书长塔拉斯表示，1.5 摄氏度这个数字并不是随机统计数字，这个指标表明气候变化将给人类乃至整个地球造成损害。
根据 IPCC 的估计，在一切照旧的情境下，本世纪末的全球平均气温最高可能会升高 6℃；若要在 2050 年要将全球气温上升幅度控制在 2℃以内，每年则需净移除 100 亿吨二氧化碳，人类必须在 21 世纪结束之前，除掉大气中一千亿至一万亿吨 CO₂。
人类社会的发展仍旧无法离开碳排放，要实现碳中和解决气候问题，就必须将已经产生的碳进行‘去除’。而马斯克赞助的大赛瞄准的，正是直接清除空气中的二氧化碳的技术。
‘除碳’看技术，也看成本
赢得除碳大赛的奖金的标准只有一个，就是看团队的技术方案能去除多少吨‘碳’。
本次里程碑奖的 15 支获奖团队都需要有实现年均去除二氧化碳 1000 吨的实力，并且要具备扩展至年均十亿吨规模除碳能力的潜力。三年后，有资格争夺 XPRIZE 碳捕集大赛 5000 万美元大奖的团队，也同样最少要具有年均去除二氧化碳 1000 吨的能力。
这 15 支团队的技术路径主要涉及空气、土地、海洋和岩石四个，致力于降低碳捕捉、输送、封存和利用这一些动作中各个环节的成本，或者提供更多有益可能，比如改善土壤、海洋的环境。
空气去碳
空气路径是目前最主要的碳去除途径之一，即直接从空气中捕获并封存二氧化碳。根据国际能源署的统计，自 2020 年初以来，各国政府已承诺投入近 40 亿美元开发和部署直接空气捕集（Direct Air Capture， DAC）。该路径也是本次里程碑奖中获奖数量最多的一类，共有六个项目。
从空气路径捕捉二氧化碳的流程可以简单理解为，先通过装置收集空气中的二氧化碳，再将收集到的二氧化碳封存或利用起来。
荷兰初创企业 Carbyon 致力于用新的材料降低空气捕碳成本。其研制出一种有巨大内表面的纤维膜材料，通过转鼓装置快速摆动，可以有效地从空气中捕获二氧化碳，这项设计使其相比同类技术有着更高的能源效率和更低廉的制造成本——目标是实现 50 欧元/吨二氧化碳捕获成本。
目标是实现 50 欧元/吨二氧化碳捕获成本|图片来源：Carbyon 官网截图土地去碳
土地路径的主要思路为把二氧化碳和土地结合达到去除目的，包括利用土壤碳和生物炭等技术进行碳捕获与封存。在土壤中，本就存在大量二氧化碳，土壤碳库在陆地生态系统碳库中占比达到 90% 以上，是大气碳库的 3 倍。这也给捕集到的二氧化碳提供了好去处，——这一技术路径中，二氧化碳固化后的生物炭，既能进行稳定的碳封存，也可作为一种高效的土壤肥料。
有五个获奖团队采纳了这一路径。美国艾奥瓦州立大学生物经济研究所（BEI）的团队的固碳技术核心‘热解’过程中，生物质可以在没有氧气的情况下被加热，产生的‘生物炭’。在其案例中，该技术在一年时间里以生物炭形式封存了多达 4600 吨的二氧化碳。
法国团队 NetZero 则尝试从热带发展中国家的农业废弃物中提取碳，并将其转化为生物炭。该团队站点位于喀麦隆最大的咖啡加工厂旁边，能够直接获得咖啡壳，从中生产约为每年 1500 吨生物炭。
从左到右，玉米含：生物炭+肥料、仅生物炭、仅肥料对照|图片来源：NetZero 官网海洋去碳
走海洋路径的有三支团队，能够在捕碳的同时改善海洋生态并扭转过量二氧化碳导致的海水酸化问题。
其中 Climate Foundation 开发的‘海上造林’系统，通过深水灌溉促进大型藻类生长，并以此固定海水中的碳。其捕获的碳可封存数百上千年之久，并将使原本贫瘠的海洋生态得到大大改善。
岩石去碳
本次使用岩石路径仅有一位获奖者，来自加拿大不列颠哥伦比亚大学的 Carbin Minerals 利用尾矿废料，通过碳矿化过程直接从大气中永久去除二氧化碳，可促进矿场的碳中和转变，并同时生产能源转型所必需的金属。该技术具有十亿吨级别的捕获和永久封存大气二氧化碳的潜力，致力于解决矿场这个碳排放大户。
大赛中有中国团队的身影，学生组别的全球 18 支队伍从 4251 个参赛团队中脱颖而出，每支团队获得 25 万美元的奖励，其中有两支来自中国。
东北大学的 Answer of Biochar（AOB）团队利用炼钢厂的余热资源生产生物炭进行持久稳定的碳封存。该技术的优势在于能够进行低成本、低能耗且大规模的应用。
另外一支获奖队伍是由河海大学、天津大学、上海海洋大学和中国水产科学研究院的学生与导师联合组成的 Kelp Farm Career （KFC），他们运用在油气开采平台中常见的锚泊技术培育大型海藻养殖床，利用海藻的光合作用吸收二氧化碳，具有去除千亿吨二氧化碳的潜力。
北京的原初科技有限公司也闯入了里程碑奖的 Top 60 决赛圈。原初科技的技术，可以直接从大气或工业排放点源中捕获二氧化碳，并将其矿化成为具有高经济价值的碳酸钙产品。这项技术可以实现低能耗、低成本、持续性、规模化的碳去除效果，并正在进行大规模产业化部署。
除了硅谷富豪捐助的大奖赛，‘参赛者’们如此‘内卷’的动力，还有一个重要原因，就是‘碳捕捉’这个市场已经成为新的风口。
五千亿美元的新市场
虽然碳捕捉技术并不新鲜，中文搜索网站能查到的最早学术研究出现在 2003 年，但是这个商业化进程一直以来规模很小。
截至 2021 年年中，全球只有大约 30 个大型项目在运行，每年锁定 400 万吨二氧化碳，仅占全球排放量的 0.1%。到目前，这项技术仍有很大瓶颈，要大规模使用达到去除空气中大量二氧化碳的水平，所需成本极高。
但当下，随着全球对气候问题和碳中和的共识越来越强烈，相关市场规模在急速扩大。PICC《全球升温 1.5℃特别报告》里提到实现气候目标的七种实现途径，其中只有一种不包括碳捕捉。
碳捕捉技术的减排贡献量方面，综合联合国政府间气候变化专门委员会、国际能源署、国际可再生能源机构的预测，全球碳捕集、利用和埋存减排贡献量将在 2030 年达到 1.0 亿-16.7 亿吨/年，在 2050 年达到 27.9 亿-76.0 亿吨/年。
市场规模预测中，挪威能源研究机构 Rystad Energy 的研究表明，未来三年的全球碳捕集与封存累计将超过 500 亿美元。其预计 2022 年宣布的有关碳捕获与封存商业项目的总支出将达到 44 亿美元，高于去年的 28 亿美元，预计 2023 年全年达到 110 亿美元。市场咨询公司Lux Research 2021 年的报告指出，到 2040 年，碳捕集与利用的市场规模可能达到 5500 亿美元。
相较于国外，国内碳捕捉项目发展仍处于技术积累阶段，但需求和市场已经显现。根据 IEA（国际数据能源基金会）数据，碳中和目标下中国 CCUS 减排需求为：2030 年 0.2-4.08 亿吨、2050 年 6-14.5 亿吨、2060 年 10-18.2 亿吨。
2021 年 9 月 22 日，我国出台的《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中，CCUS 被列入绿色低碳重大科技。今年 1 月 29 日，我国首个百万吨级 CCUS 项目——齐鲁石化-胜利油田 CCUS 项目正式建成。该项目捕集齐鲁石化生产排放的二氧化碳，后通过管道运输到 80 公里外的胜利油田，封存到地下，用于驱油增产。
不过碳捕集的‘走红’一直备受质疑。花费大量成本将如此庞大的空气‘过滤’，对于其最终目的——阻止气候变暖来说，究竟有多少作用？
首先对于阻止气候变暖来说，源头是控制温室气体的排放，排放的大头是化石能源的使用。人类使用能源的需求不可能消失，化石能源如果不能被清洁能源更大规模地替代，捕捉和封存的这点儿二氧化碳终究赶不上燃烧化石燃料的排放。
另外这项技术自身面临着成本问题的瓶颈。据全球 CCS 研究所报告《TECHNOLOGY READINESS AND COSTS OF CCS》，碳捕集成本随捕集源的二氧化碳浓度降低而升高：当二氧化碳浓度较高时（如化肥和煤化工厂等），碳捕集成本目前大约为 10 美元/吨二氧化碳；对于钢铁/水泥厂等浓度稍低的捕集源，碳捕集成本最低约为 50 美元/吨二氧化碳；对于天然气发电厂等浓度更低的捕集源，目前的成本大约为 100 美元/吨二氧化碳甚至更多。
所以直接空气捕捉技术是最贵的一种。刚刚在 4 月初获得 6.5 亿美元融资的瑞士初创企业 Climeworks 目前的成本为每吨 600-800 美元，到 2030 年前该技术的成本有望降至 250-300 美元。
Climeworks 在冰岛的‘Orca’直接空气捕集设施|图片来源：Climeworks 官网根据中金报告测算，当前国内化工行业 CCS 技术平均成本约为 403 元/吨，其中碳捕捉、封存、运输成本占比分别为 56%、24%、19%。
对于这项技术过程能否真正减碳也存在质疑。2022 年 2 月发表于《自然-通讯》的一篇文章指出，注入二氧化碳可能会降低混凝土的抗压强度，而为了保持抗压强度所需的辅助胶凝材料生产的碳排放、二氧化碳捕集、传输和储存过程的排放等都不容忽视。在某些情况下，在混凝土行业应用碳捕集与利用技术不仅不能减排，甚至可能排放更多的二氧化碳。
碳捕捉技术在商业化进程中也屡屡碰壁。Climeworks 吸收二氧化碳的机器在获得 6.5 亿美元融资后的两个星期就停工了，经营方表示，这是因为机器无法承受冰岛的严寒。
据英国环境科学作者弗雷德·皮尔的文章指出，15 年前，英国航空企业家理查德·布兰森发起‘维京地球挑战’，为一项大气温室气体移除技术投资了 2500 万美元。但在 2019 年，这个项目静悄悄地撤下了。弗莱德曼在最近的一条推文中评价道，这个项目制造了‘一大堆噱头、糟糕的设计和一场没有赢家的失败’。
1 亿元奖金的大赛背后，用商业推动气候问题的解决，可能是一条充满质疑，但又无法避免的旅途。
参考文章：
https：//spectrum.ieee.org/carbon-removal-x-prize-finalists
https：//www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18242403
http://www.zhishifenzi.com/news/multiple/12364.html
https：//www.globalccsinstitute.com/wp-content/uploads/2022/03/CCE-CCS-Technology-Readiness-and-Costs-22-1.pdf
