原文作者：Mark Peplow

銅冶鎮(zhèn)是一個骨子里帶煤的小鎮(zhèn)。地處中國河南省，這里的人們上千年來一直從事著采煤和冶煉金屬的工作。如今，銅冶鎮(zhèn)擁有一個龐大的工業(yè)園區(qū)，其中巨大的窯爐將煤炭和石灰石煉制成焦炭和石灰，二者都是鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵原料。意料中的，銅冶鎮(zhèn)是中國霧霾最嚴重的地方之一。

乍一看銅冶鎮(zhèn)不太像是會產(chǎn)生清潔技術(shù)里程碑的地方。但今年下半年，當?shù)匾患一S將會成為世界上最大的將二氧化碳回收并轉(zhuǎn)化為燃料的工廠。該工廠將把石灰窯中的二氧化碳與焦化爐中的過量氫氣和二氧化碳結(jié)合起來，生產(chǎn)甲醇——一種作為燃料和用于制造塑料的工業(yè)化學品?？偛课挥诶卓搜盼纯说奶蓟厥諊H公司（CRI）表示，銅冶鎮(zhèn)工廠每年將回收約16萬噸二氧化碳——相當于數(shù)萬輛汽車的排放量。若不回收，這些氣體則會進入大氣。

這是一個誘人的想法：工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放正在導致氣候變暖，許多國家正在努力捕獲溫室氣體并將其儲存在地下。但何不回收再將之轉(zhuǎn)化成既有益又有利的產(chǎn)品呢？只要避免回收過程產(chǎn)生更多的碳排放——通過使用可再生能源或使用原本會被浪費的多余資源——就可以減少工業(yè)向大氣排放的二氧化碳量，并降低制造過程中對化石燃料的需求。支持者表示，這是一項氣候雙贏策略。

這種類型的回收（有時稱為升級再造）是一個越來越熱門的領(lǐng)域，大大小小的公司都在競相推銷一系列令人眼花繚亂的二氧化碳產(chǎn)品。有些是提供給注重氣候的消費者的精致產(chǎn)品（例如伏特加或鉆石），但大多數(shù)是全球經(jīng)濟的支柱產(chǎn)品：燃料、高分子聚合物、其他化學品和建筑材料。波士頓的一家市場研究公司Lux Research在2021年的報告中指出，全球超過80家公司正在研究使用二氧化碳的新方法。今天這些產(chǎn)品的市場雖然很小，不到10億美元——但Lux預測，到2030年市場將增長到700億美元，到2040年可能達到 5500億美元。

回收并轉(zhuǎn)換二氧化碳的驅(qū)動力，在于可再生能源成本下降、碳稅的增加以及其他氣候激勵措施，這些激勵措施說服公司減少二氧化碳排放。與此同時，化學家們提高了基礎(chǔ)技術(shù)的效率。

但是，關(guān)于回收二氧化碳是否真正有益于氣候，仍存在一些棘手的問題。以這種方式制造的許多產(chǎn)品只是暫時延緩了碳進入大氣的過程——燃料依然燃燒，由化學品制成的產(chǎn)品依然降解，在制造過程中消耗的二氧化碳又被再次釋放。這個情況也將發(fā)生在銅冶鎮(zhèn)的工廠：其生產(chǎn)的大部分甲醇注定要在中國不斷增長的甲醇動力汽車大軍中作為燃料被燃燒。

與此同時，一些估計表明，回收二氧化碳制產(chǎn)品的全球市場最多只能鎖定人類通過燃燒化石燃料釋放到大氣中二氧化碳的百分之幾，去年總量為360億噸。例如，CRI的工廠只能轉(zhuǎn)化相當于2分鐘多點的全球二氧化碳年排放量。倫敦帝國理工學院的能源系統(tǒng)工程師Niall Mac Dowell說：“與其把二氧化碳變成別的東西，我們可以花更少的錢來避免掉其中許多排放。”

他說，“我們假定說，解決氣候變化問題的辦法可以既經(jīng)濟又簡單——這種想法往好了說是天真，往壞了說就是虛偽?！彪S著二氧化碳回收成為主流，這個觀點也開始升溫。

使用二氧化碳作為化學原料的想法并不新鮮。每年約有2億噸二氧化碳參與數(shù)種生產(chǎn)過程，其中大部分的二氧化碳與氨反應(yīng)制造用于肥料的尿素。（生產(chǎn)氨會排放額外的二氧化碳，且尿素的碳施用到田間后會迅速釋放，因此對氣候無益。）石油工業(yè)將二氧化碳注入地下以提高石油采收率，但使用這些油產(chǎn)生的二氧化碳可能比被儲存二氧化碳還多。

現(xiàn)在有了變化：越來越多的公司回收二氧化碳的新方法推向市場，并宣傳其氣候效益。這些公司使用的方法包括從選擇生物過程到使用電化學電池或催化劑（見“二氧化碳再利用”）。

許多大公司使用催化劑促進二氧化碳與氫氣結(jié)合，來制造燃料和商品化學品。這么做的關(guān)鍵成本圍繞著能量：需要這些能量以制造氫氣、捕獲二氧化碳流，以及打破二氧化碳分子的強碳-氧鍵以形成新分子。這就是為什么早期工廠大多位于有大量高純度廢二氧化碳流、有大量可用的氫氣和熱能（為銅冶鎮(zhèn)的甲醇生產(chǎn)供能）或可再生能源電成本較低的地方。

例如，2012年CRI在冰島的地熱發(fā)電站旁邊開設(shè)了第一家二氧化碳制甲醇工廠。在那里，鉆孔帶來熱水和蒸汽的同時，也帶出了多余的二氧化碳?？恐鶏u相對低碳的電網(wǎng)，CRI的工廠通過電解從水中產(chǎn)生“綠色”氫氣。然后將氣體進行混合、加熱、加壓并通過催化劑，催化劑幫助CO₂鍵的斷裂。每年，冰島的工廠回收5500噸二氧化碳。

CRI首席技術(shù)官Emeric Sarron說：“這種方法比生產(chǎn)傳統(tǒng)甲醇的方法貴，這一點毫無疑問?！钡芙^透露具體貴多少?！安贿^，需要采購可再生燃料的公司愿意為此支付溢價?！痹摴居胁簧倏蛻簦撼算~冶鎮(zhèn)的工廠外，CRI還正在中國江蘇省和挪威北部建設(shè)其他全尺寸工廠。與比利時、瑞典和丹麥公司合作的其他聯(lián)營項目則將回收二氧化碳并轉(zhuǎn)化為甲醇，用作化學原料和航運燃料，這些項目旨在于2023年至2025年之間開始運營。

一些初創(chuàng)企業(yè)認為，與其建造如此大型的集中式項目，不如在更小的模塊化電化學電池中轉(zhuǎn)換二氧化碳，這么做更便宜、更高效。例如，總部位于加利福尼亞州的初創(chuàng)公司Twelve計劃在今年年底之前擁有一個集裝箱大小的電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)每天將用電把超過一噸的二氧化碳生成合成氣——這是一種一氧化碳和氫氣的混合物，被廣泛用于制造其他化學品，包括燃料。Twelve計劃為希望減少碳排放的公司提供二氧化碳轉(zhuǎn)化服務(wù)；按每噸轉(zhuǎn)化收費，并出售其最終產(chǎn)品以支付成本。2021年7月，該公司籌集到了5700萬美元的風險投資資金?！拔覀兘^對認為自己是溫室氣體減排事業(yè)的一員?！痹摴镜穆?lián)合創(chuàng)始人兼首席科學官Etosha Cave說。

傳統(tǒng)制造合成燃氣是通過一種能源密集型工藝——在高溫和高壓下將甲烷和水一起粉碎。與此相反，Twelve公司則是使用改進的商業(yè)電解槽，它通常將水分解成氫氣和氧氣。在該設(shè)備一個電極（陰極）上添加金屬催化劑，使其能夠同時將CO₂轉(zhuǎn)化為CO，從而使系統(tǒng)在室溫下產(chǎn)生合成氣。Twelve的目標是使用可再生電能來運行這些二氧化碳回收裝置。

學術(shù)界化學家們通過對陰極催化劑的重大改進，推動了電化學回收利用。一個關(guān)鍵指標稱為法拉第效率——生成CO而不是無用的副產(chǎn)品的電子比例——目前某些時候已能超過90%[1]?；瘜W家在另一個方面也取得了進展：提高催化劑支持高電流密度的能力。這能夠使給定區(qū)域的電極轉(zhuǎn)化更多的CO₂分子。然而，比利時佛蘭芒技術(shù)研究所（VITO）的可持續(xù)化學項目經(jīng)理Jan Vaes說，許多催化劑工作不上幾百個小時就要降解了。

電化學家們不僅僅著眼于生產(chǎn)合成氣。阿姆斯特丹一家可再生化學公司 Avantium正在使用改進的催化劑[2]來制造甲酸，甲酸可以轉(zhuǎn)化為更有價值的化學品。該公司目前正在德國的一家化石燃料發(fā)電廠測試電化學反應(yīng)器。

一些化學家希望制造出價格更高、更復雜的碳分子。但是生產(chǎn)更大的分子就更麻煩——更多的化學鍵，意味著電子有更多機會轉(zhuǎn)移到副產(chǎn)物中，從而降低效率——不過這方面研究正在取得進展。例如，今年多倫多大學的電氣工程師和材料科學家Edward Sargent及其團隊推出了一種電化學系統(tǒng)，可將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為廣泛用于制造聚合物的環(huán)氧乙烷。該團隊的催化劑在轉(zhuǎn)化過程中的法拉第效率達到了創(chuàng)紀錄的35%[3]。

人們尚不清楚將工業(yè)排放的二氧化碳回收生成產(chǎn)品是否能真正地保護氣候——因為如果產(chǎn)品被燃燒或分解，它們捕獲的二氧化碳仍會釋放到大氣中。而直接從大氣中提取二氧化碳可能會帶來更明顯的氣候效益，但從空氣中捕獲二氧化碳非常昂貴，以這種方式制造的產(chǎn)品也一樣。

支持者認為，回收工業(yè)二氧化碳并制成化學品，可以通過另一種方式減少排放：這么做避免了一些基于化石燃料的產(chǎn)品生產(chǎn)?！拔覀兊墓に嚹軌蛲ㄟ^利用現(xiàn)有的二氧化碳流，幫助將化石燃料留在地下?！盩welve公司的一位發(fā)言人告訴《自然》。

嚴格檢驗這一點的方法是對產(chǎn)品進行生命周期分析（LCA）——從產(chǎn)品二氧化碳的來源到其最終去向，詳細計算制造和使用該產(chǎn)品所涉及的碳。許多二氧化碳回收公司表示他們已經(jīng)完成了這些審計，但由于其中包含專有信息而沒有公布。

總部位于伊利諾伊州的LanzaTech公司發(fā)布了LCA。該公司用充滿自產(chǎn)乙醇梭菌細菌（Clostridium autoethanogenum）的生物反應(yīng)器，將工業(yè)CO₂、CO和氫廢物排放物發(fā)酵成乙醇。其首席執(zhí)行官Jennifer Holmgren指出，與化學工藝相比，這種生物轉(zhuǎn)化可以更好地處理雜亂的廢氣流，例如來自城市垃圾氣化爐的廢氣。自2018年以來，該公司位于中國天津附近的首鋼集團鋼鐵廠的反應(yīng)器一直在生產(chǎn)乙醇。第二家工廠于去年起在中國一家合金廠開始運營。位于比利時和印度的商業(yè)工廠則預計將在年底前投產(chǎn)。

3月8日，LanzaTech宣布其將公開上市，公司的估值為18億美元。今年該公司公布稱，通過基因改造，它的細菌也可以制造更大的分子，例如丙酮和異丙醇[4]。丙酮和異丙醇的常規(guī)生產(chǎn)會導致大量的CO₂排放。相比之下，LanzaTech的LCA表明其生產(chǎn)路線是負碳的——消耗的碳遠多于排放的碳[4]。但該分析并未包括使用產(chǎn)品時是否會產(chǎn)生二氧化碳。

Holmgren認為，通過取代傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品，基于二氧化碳的產(chǎn)品無論如何都會減少碳排放。但她承認這點確實很難被確定——基于二氧化碳的產(chǎn)品可能只會增加全球燃料和其他化學品的消費量，而不是取代現(xiàn)有的生產(chǎn)。Sarron補充說，在這樣一個新興市場中確定取代的直接證據(jù)也很困難。

荷蘭代爾夫特理工大學研究低碳系統(tǒng)與技術(shù)的Andrea Ramírez Ramírez說：“問題在于，使用替代產(chǎn)品的人們認為，在全球范圍里某處，市場能夠做到這個取代過程。但你如何監(jiān)測這個取代過程？這是非常非常困難的。”

她補充說，所謂的“無負罪感”二氧化碳衍生產(chǎn)品越來越多，也會導致消耗資源增加。例如，如果有人試圖減少國際飛行，而如果他們乘坐的航空公司鼓吹其使用氣候友好型燃料，那他們就有可能更頻繁地飛行。Ramírez Ramírez說，人們在一些能效措施中已經(jīng)觀察到了這種“反彈效應(yīng)”，盡管尚無基于二氧化碳商品的研究。

在她看來，負排放量[5]，例如LanzaTech公司聲稱的那些，“應(yīng)該是從大氣中去除二氧化碳真實的量，人們可以實際測量到的量?！?/p>

為了最大限度地提高氣候效益，將回收的二氧化碳鎖在可持續(xù)數(shù)十年的產(chǎn)品中更有意義。這就是聚合物的用武之地。英國牛津大學化學家Charlotte Williams說：“人們正在制造絕緣泡沫、床墊、室內(nèi)軟裝等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的使用壽命相當長?！?/p>

Williams開發(fā)的催化劑可以將二氧化碳融入用于制造聚氨酯泡沫的多元醇中。多元醇通常由稱為環(huán)氧化物的昂貴化學品制成，而她開發(fā)的催化劑能夠在聚合物鏈中將二氧化碳取代部分環(huán)氧化物。這么做一來捕獲二氧化碳，二來可以減少環(huán)氧化物的消耗——環(huán)氧化物本身就有很大的碳足跡。

Williams創(chuàng)立了一家衍生公司，Econic Technologies。2021年9月，該公司簽署了一項協(xié)議，在印度建立一個試驗工廠，然后改造現(xiàn)有工廠，將廢棄的二氧化碳融入多元醇中。其他公司也在以類似的方式用二氧化碳調(diào)整聚合物。

盡管取得了這些進展，但預測表明，到2050年，使用二氧化碳作為聚合物成分每年只能鎖定約1000萬至5000萬噸二氧化碳[6]。那么，這真的值得嗎？“我認為這么看問題不對?！盬illiams說?！拔覀儽仨毴嫦鳒p二氧化碳排放量，但我們也必須投資一些可以直接利用二氧化碳的技術(shù)?！?/p>

阿姆斯特丹Lux Research的高級分析師Runeel Daliah表示，將二氧化碳融入產(chǎn)品最好的商機是用于生產(chǎn)混凝土和其他建筑材料。該技術(shù)經(jīng)過驗證且可擴展，可以滿足全球?qū)炷恋木薮笮枨螅瑥亩锌赡苤鲗Ф趸嫁D(zhuǎn)化市場?！盎炷链_實是唯一可以永久將二氧化碳封存在產(chǎn)品中的材料。”Daliah說。

位于哈利法克斯的加拿大公司CarbonCure是該領(lǐng)域的領(lǐng)導者之一。該公司成立于2012年，業(yè)務(wù)是將廢棄的二氧化碳泵入新鮮混凝土中，形成碳酸鈣納米顆粒。這提高了混凝土的抗壓強度，從而減小了對水泥的需求[7]。由于制造水泥占混凝土碳排放的絕大部分，該公司表示，此舉可以將每噸混凝土的碳足跡減少約5%（約合6公斤二氧化碳）。

該公司已在世界各地的混凝土廠安裝了550多臺CO₂注入裝置，其中大部分位于北美，迄今已減少和礦化了5萬噸CO₂排放。但全球還有約十萬家工廠每年生產(chǎn)約330億噸混凝土，“我們做的只是杯水車薪?！盋arbonCure總裁 Jennifer Wagner說。

Ramírez Ramírez說，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為礦物比將其轉(zhuǎn)化為燃料具有更明顯的氣候效益?！皬纳芷诜治鲋锌梢钥闯?，這項技術(shù)的益處要大得多，而且我認為也穩(wěn)健得多。”

科羅拉多州的美國國家可再生能源實驗室里，Josh Schaidle對11種由二氧化碳轉(zhuǎn)換制成的產(chǎn)品進行分析，他說，在制造燃料和其他化學品方面，目前大多數(shù)二氧化碳衍生產(chǎn)品都比傳統(tǒng)競爭對手更昂貴[8]。不過，如果這些產(chǎn)品能夠利用低成本的可再生電力，以及享受旨在讓世界擺脫化石資源的減稅、補貼和配額政策，它們?nèi)匀痪哂袕姶蟮纳虡I(yè)價值。

例如，歐盟公布的歐洲綠色協(xié)議提出了一攬子政策激勵措施，旨在到2050年使歐盟實現(xiàn)氣候中和。待立法案規(guī)定了二氧化碳衍生燃料在航空業(yè)使用的配額。還提出將對基于二氧化碳的燃料減稅，并承諾提供大量創(chuàng)新資金以幫助技術(shù)推向市場。

在美國，一些公司表示一項名為45Q的稅收抵免政策正在鼓勵二氧化碳轉(zhuǎn)化。這項政策規(guī)定，如果企業(yè)將二氧化碳永久儲存在地下，政府對每噸二氧化碳支付50美元，如果企業(yè)將二氧化碳投入利用，政府則支付每噸35美元。在中國，開發(fā)二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)的商業(yè)活動相對較少[9]。但在2021年，中國龐大化工行業(yè)的一些主力成員承諾投資生產(chǎn)以二氧化碳為基礎(chǔ)的化學品，此舉可能會得到由去年啟動的中國碳交易市場的財政支持。

然而，二氧化碳轉(zhuǎn)化業(yè)務(wù)的成功取決于生命周期評估和其他碳流測量。例如，歐盟委員會正在開發(fā)一種碳去除認證機制，以提供一個更嚴格的框架來驗證一個過程是否真的是負碳。

到目前為止，生命周期分析對大多數(shù)二氧化碳轉(zhuǎn)化策略的評估相當悲觀。在 2月發(fā)表的一份報告中[10]，荷蘭奈梅亨拉德堡德大學的環(huán)境科學家Kiane de Kleijne和她的同事檢索了數(shù)十個已發(fā)表的生命周期分析報告，與通過傳統(tǒng)方法制造的相同產(chǎn)品，比較二氧化碳的轉(zhuǎn)化路線。然后，研究人員將回收過程中的二氧化碳減排量與2015年巴黎協(xié)議的目標進行了比較，該協(xié)議提出的目標是到2030年全球二氧化碳排放量減半，到2050年實現(xiàn)凈零排放?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，極少數(shù)路線能夠滿足巴黎協(xié)議的標準?！眃e Kleijne說。能夠達到標準的路線是通過永久儲存二氧化碳——例如，將氣體與鋼廠的爐渣進行混合以制造建筑砌塊。

著眼于氣候的科學家進行生命周期分析時常常指出，二氧化碳的地質(zhì)儲存比轉(zhuǎn)化更好，因為它可以更大程度地減少碳排放。Sarron表示，這個說法可能是真的，但它忽略了殘酷的經(jīng)濟現(xiàn)實?！皩⑻挤呕氐叵潞馨嘿F，且達不到足夠規(guī)模。我們今天所做的替代方案并不是儲存，是排放到大氣中?！?/p>

如果全球經(jīng)濟最終結(jié)束對煤炭、石油和天然氣的依賴，未來的工業(yè)可能需要這些二氧化碳轉(zhuǎn)化過程來生產(chǎn)人們所依賴的聚合物和其他化學品。

De Kleijne說，進行LCA研究的學者和開發(fā)CO₂轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的公司，在這些問題上經(jīng)常是各說各的。

但至少有一點達成廣泛共識：二氧化碳回收技術(shù)最終應(yīng)該從大氣中盡可能多的獲取原料，而不是從工業(yè)廢氣中提取。奧斯陸一項名為Norsk e-Fuel的項目正朝著這個方向發(fā)展，該項目在挪威埃羅亞建立了一個試驗工廠，旨在開始將二氧化碳衍生的合成氣轉(zhuǎn)化為噴氣燃料。所需的部分二氧化碳將直接來自空氣，由Climeworks公司開發(fā)的碳捕獲技術(shù)捕獲，該公司于2009年分拆自蘇黎世聯(lián)邦理工學院。

該技術(shù)現(xiàn)已在Climeworks的首個大型直接空氣捕獲工廠投入應(yīng)用，該工廠于2021年9月在冰島的赫利舍迪開始運營。它將每年捕獲4000噸二氧化碳并泵入地下。以這種方式封存一噸二氧化碳的成本為600-800美元——一點都不便宜——但該公司表示，隨著規(guī)模的擴大，成本將削減至十分之一。

盡管對于目前來講，將化石能源排放的二氧化碳轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品對氣候帶來的益處有限，一些公司認為開發(fā)這項技術(shù)非常重要。因為一旦直接空氣捕獲技術(shù)成熟，就可以從空氣中汲取二氧化碳?！拔艺J為這個觀點合理，”Ramírez Ramírez說?！?strong>但我們需要注意的是，這只是過渡中的一個階段，我們的最終還是要用可持續(xù)的資源取代化石碳。”