GCNR研报 | 从净零到负碳：碳移除技术（CDR）的前景与挑战（上）

随着温室气体浓度的持续攀升，传统的减排措施已难以全面应对气候变化的挑战，尤其是在一些“难以减排”的领域。碳移除技术（Carbon Dioxide Removal，简称CDR）应运而生，成为应对气候变化的关键工具。特别是在推动从净零排放到负碳排放的转型过程中，碳移除技术的应用显得尤为关键。本文将围绕碳移除的基本概念、技术种类、紧迫性、政策动向及市场发展等方面，深入探讨这一转型过程中的碳移除技术所面临的前景与挑战。

一、碳移除的概念与技术分类

碳移除指的是通过人为活动从大气中去除二氧化碳（CO2），并将其长期储存，从而减少大气中的CO2浓度。与温室气体减排不同，后者主要着眼于减少新增排放的CO2，而碳移除则致力于处理已经存在的大气CO2，从而实现负碳排放。在全球气候目标的推动下，碳移除技术已不再是纯理论性的讨论，而是与《巴黎协定》目标紧密相连的实际应对措施。为了在2050年前实现净零排放，国际能源机构（IEA）和IPCC等机构一致认为，碳移除技术将在补偿那些“难以减排”的部门的剩余排放以及缓解温度过冲过程中，发挥关键作用。根据2022年《政府间气候变化专门委员会》（IPCC）第六次评估报告（AR6），预计到2050年，全球将需要通过负碳技术去除约20至100亿吨二氧化碳，以抵消一些“难以减少”的排放来源，如重工业、航空运输等。

碳移除技术主要基于两种原理：一种是增强自然过程以移除大气中的CO2，如森林、土壤等生态系统碳汇；另一种则是利用工程技术手段直接从空气中捕获CO2。根据不同的技术特点，碳移除技术大致可分为三类：生物源碳移除（Biogenic CDR，简称bCDR）、地球化学碳移除（Geochemical CDR，简称gCDR）和合成碳移除（Synthetic CDR，简称sCDR）。这些技术各自具有不同的特点和应用场景（见图表1）。

图表1：IPCC对负排放技术的分类

来源：IPCC AR6

1.生物源碳移除（bCDR）：

生物源碳移除技术通过增强自然生态系统的碳汇功能，如森林管理、农业草原和湿地的恢复，利用光合作用等自然过程从大气中捕捉二氧化碳（CO2）。此外，生物质产品，如生物炭和建筑木材，也可以长期储存CO2。作为目前最具广泛应用潜力的技术之一，生物源碳移除技术具有较高的成熟度和较低的初期投资成本，不仅能够有效去除碳，还能增强生态系统的健康。

植林与再生林：通过植树造林和恢复退化森林，增加森林碳汇，吸收并长期储存大气中的CO2。
土壤碳储存：此技术通过将生物质（土壤中的有机物）储存于土壤中，防止土壤中的有机物分解并释放二氧化碳。
生物炭：通过低氧条件下对生物质（如木材或农作物废料）进行热解，产生的生物炭可用于长期储存碳。通过将生物质转化为炭，固定碳，避免其再度释放为CO2。

2.地球化学碳移除（gCDR）：

地球化学碳移除技术利用加速自然地球化学过程，将CO2转化为固体碳酸盐矿物或通过增强风化、海水碱度提升等手段将CO2捕获并永久储存。

风化促进：通过将玄武岩等矿石粉碎后散布在大气中，人工加速其自然风化过程，吸收CO2并固定大气中的碳。
海洋肥沃化：向海洋中添加养分，促进植物生长，并通过光合作用吸收更多的CO2。
海洋碱度提升：通过向海水中添加碱性物质来提高其碱度，增强海洋对CO2的吸收能力。
沿岸生态系统的蓝碳管理：通过保护和恢复沿海生态系统，如红树林、盐碱湿地和海草等，促进这些生态系统固定CO2，提升海洋及湿地的碳储存能力。
其他海洋CDR技术：包括一些较少研究的海洋碳移除方法，如大规模海藻养殖和海洋生物质碳储存等。通过创新方法扩大海洋碳吸收的潜力。

3.合成碳移除（sCDR）：

合成碳移除技术通过低碳能源驱动的工程化手段，主要通过现代工程和化学技术直接从大气中捕获CO2。代表性的技术包括直接空气捕集（DAC）和生物质能源碳捕集与封存（BECCS）。

DAC技术：DAC技术通过化学吸收或电化学过程直接从大气中捕捉CO2，并将其储存于地下或用于商品生产。尽管DAC技术具有大规模去除CO2的潜力，但其高能源消耗和高成本依然是亟待解决的问题。
BECCS技术：BECCS技术将生物能源与碳捕集与封存结合，通过燃烧生物质产生能源的同时捕获释放的二氧化碳并加以储存。这种方法被认为是实现大规模负碳排放的潜力技术之一，但也面临生物质资源供给和存储容量等问题，需要大量资金和技术支持才能实现广泛应用。

这些技术的实施不仅有助于减少大气中的CO2浓度，还能为减缓气候变化带来重要支持。然而，每项技术也有其独特的优缺点及实施挑战，特别是在长期碳储存、成本、社会接受度和环境影响等方面。

二、碳移除的紧迫性与挑战

随着IPCC评估报告的发布，以及近年来应对气候变化目标，特别是1.5℃温控目标的提出，全球对于碳移除技术的必要性和紧迫性有了更深刻的认识。1.5℃温控目标明确要求全球在本世纪中期实现净零排放，而碳移除技术将成为达成这一目标的重要补充手段。碳移除技术不仅有助于减少当前的排放，还能够“逆转”过去的排放，从而实现负碳排放。特别是在应对温室气体浓度超标，尤其是在实现1.5°C气候目标的过程中，碳移除具有至关重要的作用。

根据IEA和IPCC的估算，若全球气温保持在1.5℃以内的情境下，到2030年，全球每年需要移除2.3Gt的CO2，占当前全球年排放量的约6%；到2050年，每年去除的二氧化碳至少需要达到10.8Gt。因此，全球到2050年需要通过负排放技术（NETs）去除大量二氧化碳，这些技术将对实现全球气候目标发挥关键作用，特别是在减排措施受到局限的情况下。

首先，二氧化碳去除（CDR）为那些“难以消除”的排放提供了有效解决方案。CO2排放具有累积性，尽管减少排放至关重要，但排放量不太可能降至零。即使在采取积极的减排策略后，来自航空、钢铁、水泥等行业的排放仍然难以完全消除。在这种背景下，碳移除技术作为应对气候变化的补充手段，具有不可替代的作用。

其次，二氧化碳移除技术有助于有效应对全球气候变暖，促进全球气温回落，从而更稳妥地实现气候目标。随着《巴黎协定》全球温控目标的推进，二氧化碳去除的需求日益增加。根据IPCC第六次评估报告（AR6），到2030年，全球每年二氧化碳去除量将达到2.3Gt，到2050年至少需要10.8Gt。如果出现温度过冲（例如全球短期内超过1.5°C目标），碳移除可以作为应急手段，通过去除历史排放的CO2来帮助温度回落。

最后，碳移除有助于降低极端气候事件的风险，减缓全球变暖的速度，并保护生态系统与生物多样性。除了减少大气中的CO2，二氧化碳去除技术还带来了众多环境、经济和社会效益。许多基于自然的解决方案不仅有助于恢复生态系统、改善土壤健康、保护生物多样性，还能促进粮食和水资源的安全，并创造新的就业机会。尽管工程化二氧化碳去除解决方案的成本较高，但它们能够刺激创新，推动新产业的形成，并为经济带来长期的利益。

尽管碳移除技术展现了巨大的潜力，但其广泛应用仍面临诸多挑战。首先，高能耗和高成本问题是技术大规模部署的主要障碍。例如，植树造林被认为是成本最低的碳移除方法，每吨CO2的去除成本在0-240美元之间，到2050年，植树造林的碳移除潜力可达5-100亿吨/年，但该方法仍需要大量的土地和水资源。合成碳移除技术，如直接空气捕集（DAC），虽然为实现负碳排放提供了可靠的解决方案，但目前仍面临高能源消耗和巨额投资的挑战。DAC和生物质能源碳捕集与封存（BECCS）技术的除碳成本较高，DAC的去除成本为100-300美元/吨，到2050年预计其除碳潜力为50-400亿吨/年；BECCS的去除成本为15-400美元/吨，预计到2050年除碳潜力为5-110亿吨/年。

其次，土地利用冲突是生物源碳移除技术面临的重大问题之一。大规模森林种植和农业草地恢复可能与粮食生产和城市化进程发生冲突，进而影响土地资源的配置。此外，生态系统反馈和环境影响也是必须关注的重要因素。例如，大规模部署地球化学碳移除技术可能对生态系统产生复杂影响，如生物多样性减少或水资源的可用性受限，因此在应用这些技术时，必须谨慎评估其潜在风险（见图表2）。

图表2：IPCC对CDR技术的除碳成本、潜力以及技术成熟度的评估