二氧化碳移除

二氧化碳移除（Carbon dioxide removal，简称CDR），也称为碳移除（carbon removal）、温室气体移除（greenhouse gas removal，简称GGR），或是负排放（negative emissions），由透过刻意的人类行动将大气中的二氧化碳气体（CO2）长存下来，并储存在地质结构内、陆地上、海洋中，或是任何产品里面的过程。在温室气体净零排放（参见碳中和）目标下，CDR措施持续纳入气候政策，作为气候变化缓解战略中的一个要素。实现净零排放需要大幅削减排放，加上采用CDR。CDR可用来抵消某些技术上难以消除的排放（例如农业和工业排放）。

CDR的方法包括有：

- 植树造林。
- 林地复育。
- 利用土壤封存碳的农业措施（农地存碳）。
- 湿地复育和开发蓝碳。
- 生物能源与碳捕获和储存（BECCS）。
- 海洋施肥。
- 海洋碱度增强和直接空气捕获后封存。

须对措施进行全面的生命周期评估后才能确定特定的过程是否能有实现负排放的效果。

截至2023年，估计CDR每年可为全球移除约2吉吨（Gt，十亿吨）二氧化碳，相当于人类活动所产生温室气体排放中的4%。使用既有CDR，具有可安全及经济的移除和封存二氧化碳，达到每年10吉吨的潜力。

## 定义

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）将CDR定义为：

与CDR同义的名词包括温室气体移除(GGR)、负排放技术、和碳移除。虽然目前已有从大气中去除甲烷等非二氧化碳温室气体的技术，但目前可做大规模移除的仅有二氧化碳一项。因此在大多数的情况，所谓温室气体移除即指二氧化碳移除。

如果此类技术是在涵盖全球的规模下使用，可能在科学文献中会以地球工程（或称气候工程）来代表CDR或是SRM（太阳辐射管理）。但IPCC的报告中已不再使用地球工程或是气候工程这类名称。

### 分类

可根据不同的标准为CDR作分类：

- 根据在碳循环中的作用（陆基生物性、海洋生物性、地球化学性及化学性），或是
- 根据封存的时间尺度（几十年到几个世纪、几个世纪到几千年以及几千年或是更久远）

### 类似名词包含的概念

CDR可能会与碳捕获与封存（CCS）相互混淆，后者是指从点源（例如燃气发电厂的烟囱以浓缩流形式排放二氧化碳）捕集二氧化碳的过程，之后二氧化碳经处理及压缩，再封存，或是利用。当CCS用在封存燃气发电厂的二氧化碳时，仅会减少点源造成的排放，但不会减少大气中已存在的二氧化碳数量。

## 在缓解气候变化中的作用

采用CDR可降低人类向大气排放二氧化碳的速度。只有在全球排放量减少到净零后，地表的气温才有机会稳定，这就需要积极努力减少排放，同时部署CDR。如果没利用CDR，就难以达到净排放量为零的程度，因为某些类型的排放在技术上很难移除：例如农业排放的一氧化二氮、航空活动排放、和一些工业排放。在气候变化缓解战略中部署CDR，可用其移除这类排放。

当抵达净零排放的程度后，即可使用CDR来降低大气中二氧化碳的浓度，有把变暖趋势扭转的机会。预定在2100年将全球升温程度控制在不超过第一次工业革命前平均气温的1.5°C或2°C，所有设定的减排途径中均包含CDR措施。

在2018年，因考虑到大规模部署CDR的速度存有不确定性，而被视为实现全球升温幅度不高于1.5°C目标的"主要风险"。在缓解气候变化战略上，若是减少依赖CDR，更加依赖使用永续能源，会具有较小的风险。在将来大规模部署CDR的做法被描述为一种道德危机，因为这样做会导致人们在近期内减少采用永续能源以缓解气候变化的作为。反之，一份由美国国家学院（NASEM）于2019年提出的报告，其结论为：

当CDR被视为是种气候工程的形式时，人们通常会认为它本质上就有风险。事实上CDR是针对气候变化的根本原因进行处理，属于减少净排放战略的一部分，也能处理与大气二氧化碳水平升高相关的风险。

### 持久性

森林、海藻林和其他形式的植物在生长时会从空气吸收二氧化碳，将其转变为生物质。但这类生物储存被认为是不稳定的碳汇，原因为无法保证封存能长期维系。例如野火或疾病等自然事件，或是经济压力和多变的政治优先事项均可能导致受封存的碳再度释放进入大气。

从大气中捕集的二氧化碳也可透过注入地下或以不溶性碳酸盐的形式储存在地壳中（参见碳捕集与封存）。这种做法可将捕集的二氧化碳长期封存，持续极长的时间（数千到数百万年）。

## 当前和潜在的规模

截至2023年，估计CDR每年可移除约2吉吨的二氧化碳，几乎完全透过林地复育和创造新森林等低技术方法来达成。移除的数量约当人类每年排温室气体的4%。NASEM于2019年发布的共识研究报告，把排除海洋施肥之外的其他形式CDR的潜力予以评估，在不用花大钱，仅利用现有技术作安全部署，如果达到全球规模的程度，预计每年可移除多达10吉吨的二氧化碳。于2018年，所有防止升温超过1.5°C的综合评估模型都包含采用CDR措施。

一些评估模型建议利用大规模部署（把数亿公顷农田转变为种植生物燃料作物）来实现更高的CDR作用，此做法并不符合实际。在直接空气捕集、二氧化碳地质封存和加速风化领域可能会有更精进的技术进展，让CDR有更高的效率，导致在经济上可行。

## 不同的CDR方法

### 根据CDR技术完备程度列表

以下是已有的CDR做法列表，按其技术完备等级 (TRL) 排序。排名在最前的有高的TRL，为8到9（9是最大值，表示已有验证），底部的有较低的TRL，为1到2，表示尚未经验证或仅经过实验室的验证。

- 植树造林/林地复育
- 于农田和草地做土壤固碳
- 沼泽和海岸湿地复育
- 混农林业，改善森林管理
- 生物炭除碳法（BCR），利用生物炭捕集大气中的碳，储存在土壤内或是耐久的建筑材料内
- 直接空气捕获和储存（DACCS）、生物能源与碳捕获和储存（BECCS）
- 加强风化（增强海水碱度）
- 海岸湿地的"蓝碳管理"（复育海岸植被生态系统，此为一种基于海洋的生物CDR方法，涵盖红树林、盐碱滩和浅海海草生长区）
- 海洋施肥，增加浅层海水养分，促进浮游植物生长，加强光合作用，吸收二氧化碳

根据评估模型，最能在气候变化缓解工作发挥作用的CDR方法是位于陆地上的生物CDR方法（主要是植树造林/林地复育 (A/R)）和/或生物能源与碳捕获和储存 (BECCS)。也包括一些直接空气捕获和储存 (DACCS)。

### 植树造林、林地复育与林业管理

树木透过光合作用吸收二氧化碳并将碳储存在木材和土壤中。植树造林指的是在以前没有森林的地区造林。林地复育指的是在曾遭受森林砍伐的地区造林。森林对于人类社会、动物，以及植物物种具有重要作用。除能让空气保持清净外，还能调节气候，并为众多物种提供栖息地。

树木生长时会从大气中吸收二氧化碳，将其储存在活的生物质、死亡的有机物，以及土壤之中。植树造林和林地复育 - 有时就统称为“造林” - 通过建立或重建后的众多树木来促进碳的移除。这样的森林大约需要10年的时间才能达到最大固碳率。

根据不同树木种类，会在大约20至100年后成熟，之后会把吸收的碳留存，但不再主动由大气中移除。这种碳可永久储存在森林中，但储存的时间可能会短得多，因为树木很容易被砍伐、焚烧或因疾病或干旱而死亡。一旦树木成熟，就可当作林产品来收成，这些生物质在木制品中长期留存，或被当作生物能源，或是加工成生物炭。经伐木过后的森林再重新种植，持续担负移除二氧化碳的工作。

为建立新森林，其中的风险包括有土地的可用性、与其他用途间的的竞争以及从种植到成熟需要相对较长的时间。

### 农业做法

所谓农地存碳是各种农法的总称，目的是捕集大气中的碳，然后将其封存到土壤以及作物根部、木材和树叶中。增加土壤有机质的含量可帮助植物生长、增加土壤中总碳含量、提高土壤保水能力并减少施用肥料。农地存碳法通常有其成本，农民和土地所有者需找出方法从这类农法中获利，因此需要政府制定政策及提供奖励予以协助。

### 碳捕获与储存生物能源（BECCS）

本节摘自生物能源与碳捕获和储存。

生物能源与碳捕获和储存（BECCS）是从生物质中提取能源，并且把碳从大气中捕集以及储存的做法。BECCS可作为一种"负排放技术（二氧化碳移除技术）"（NET），生物质中的碳来自其生长时的碳固定作用 - 从大气中提取的温室气体（二氧化碳来）完成。当以燃烧、发酵、热裂解或其他转化方法利用生物质时，就能取得如电、热和生物燃料等有用的能量（"生物能源"）。

生物质中的一些碳会经燃烧而转化为二氧化碳或生物炭，前者可透过地质封存，后者可透过农地存碳的方式来储存，而达到二氧化碳移除的目的。

透过实施BECCS，其潜在负排放能力估计为每年在0至22吉吨之间。截至2019年，世界各地已有五个积极使用BECCS技术的设施存在，每年约捕集150万吨二氧化碳。若要广泛部署BECCS，会受到生物质成本和其可用性的限制。

### 生物炭除碳法（BCR）

生物炭是经由热裂解生物质而产生，目前有将其作为一种碳封存工具的研究。生物炭是种用于农业目的的木炭，也有助于捕集或封存碳。生物质受热裂解（低氧以及高温）过程，之后剩下的固态物质是种类似于木炭但非常稳定的碳，生产生物炭的原料是生物质，属于一种可持续性过程。生物质是由活生物体产生的有机物质，最常见的来源是植物或是基于植物的材料。英国生物炭研究中心（UK Biochar Research Center）进行的一项研究显示在保守的估计，生物炭即具有每年储存一吉吨碳的能力。经推广和接受度加大，生物炭甚至可达到每年在土壤中储存5-9吉吨的程度。但目前生物炭在陆地上储存碳的能力会在系统达到平衡状态时而减缓，同时也需要管理，以避免发生泄漏的风险。

### 直接空气捕获碳与封存 (DACCS)

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本节摘自直接空气捕获。

直接空气捕获 (DAC) 是透过化学或物理过程直接从环境空气中提取二氧化碳。如果提取的二氧化碳随后被安全长期封存（称为直接空气碳捕集与封存（DACCS）），整个过程将达到移除二氧化碳的目的，成为一种"负排放技术"（NET）。截至2022年，DAC的做法尚未产生盈利，因为使用这种做法的成本是碳定价的数倍。

### 直接海洋移除

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有几种方法可在海洋中做碳封存的工作 - 即将溶解的碳酸盐（碳酸形式）与大气中的二氧化碳中和而达成。方法包括海洋施肥，刻意将植物营养素引入海洋上层。虽然海洋施肥是研究较为充分的二氧化碳移除方法之一，但封存碳的时间尺度只能达到10-100年。虽然海洋上层的酸度会因施肥而降低，但下沉的有机物会再矿化，之后增加深海酸度。一份于2021年发表有关CDR的报告显示，人们认为该技术拥有低成本但高效，且可扩展的优点（中高置信度），会造成中等的环境风险。据估计海洋施肥每年能封存0.1至1吉吨二氧化碳，成本为每吨8至80美元。

所谓海洋碱度增强谈的是把橄榄石、石灰石、硅酸盐或氢氧化钙等矿物质磨碎后在海上散布，溶解于海水后形成碳酸盐，再沉淀到海底。碱度增强的移除潜力尚未被确定，估计的是每年可移除0.1至1吉吨二氧化碳，成本为每吨100美元至150美元。

所谓电渗析等电化学技术可利用电从海水中去除碳酸盐。单独使用这些技术估计每年能够以每吨150至2,500美元的成本去除0.1至1吉吨二氧化碳，但同时与海水处理结合使用时（例如在海水淡化的同时去除盐和碳酸盐），可将成本降低许多。初步估计显示此类移除碳成本中的大部分可通过销售淡水（作为副产品）来支付。

## 问题

### 经济问题

不同CDR做法的成本会有很大差异，具体取决于所采用技术的成熟度以及碳市场中自愿移除和实物产出的经济性。例如，热裂解生物质产生的生物炭具有各种商业应用，包括土壤再生和污水处理。到2021年，DAC的成本为在250美元到600美元之间（捕集每吨二氧化碳），而生物炭的成本为100美元（捕集每吨二氧化碳），利用自然的解决方案（例如林地复育和植树造林）的成本不到50美元。生物炭在除碳市场上的成本高于利用自然的解决方案，这一事实反映的是生物炭是种更耐用的碳汇，可封存碳达数百年甚至数千年，而利用自然的解决方案则是种较不稳定的储存形式，其风险与森林火灾、虫害、经济压力和不断变化的政治优先事项有关联。牛津大学发布的净零碳抵消原则指出，为与《巴黎协定》一致："......每个机构必须致力逐步增加其碳移除的百分比，以期在本世纪中叶达到完全碳移除。"这些做法以及除碳新工程标准（例如Puro标准（Puro Standard），参见碳抵销与碳信用#Voluntary carbon markets and certification programs）的制定将有助于支持除碳市场的增长。

截至2021年，CDR尚未被纳入欧盟碳抵销配额，但欧盟执行委员会正准备碳清除认证，并考虑建立碳差价合约。CDR将来也可能被加入英国排放交易计划中。截至2021年底，目前基于碳减排（而不是碳清除）的限额与交易计划的碳定价仍低于100美元。

截至2023年初，融资还不足以为高科技CDR技术提供所需的资金。但可用资金最近大幅增加，而增长大部分来自私营部门的自愿做法。例如由支付服务提供商Stripe领导的私营部门联盟，其知名成员包括Meta Platforms、Google和 Shopify，此联盟于2022年4月公布一项近10亿美元的基金，以奖励能够永久捕集和封存碳的公司。Stripe的高级职员Nan Ransohoff表示基金"大约是2021年碳移除市场规模的30倍。但距离我们到2050年所需的市场规模仍差1,000 倍。"私营部门在融资所占的主导地位引起人们的担忧，因为从历史上看，自愿市场已被证明比政府政策带来的市场要小"几个数量级"。但从2023年开始，各国政府已加大对CDR的支持力度。其中包括瑞典、瑞士和美国。美国政府最近的活动包括2022年6月发布的意向通知，为两党提案基础设施投资和就业法中的35亿美元CDR计划提供资金，以及签署2022年降低通胀法，其中包含目的在增强CDR市场的章节（45Q） - 碳截存税务减免（Credit for Carbon Oxide Sequestration）。

## 移除其他温室气体

目前已有一些研究人员提出去除大气中甲烷的方法，但有其他人表示由于一氧化二氮在大气中的寿命较长，因此该会是个更好的研究对象。

## 外部链接

- Factsheet about CDR by IPCC Sixth Assessment Report WG III
- Deep Dives by Carbon180. Info about carbon removal solutions.
- The Road to Ten Gigatons - Carbon Removal Scale Up Challenge Game.
- Land - the planet's carbon sink , United Nations.