企业正争先恐后地将温室气体转化为有用的产品——但这能减缓气候变化吗？

铜冶镇是一个骨子里带煤的小镇。地处中国河南省，这里的人们上千年来一直从事着采煤和冶炼金属的工作。如今，铜冶镇拥有一个庞大的工业园区，其中巨大的窑炉将煤炭和石灰石炼制成焦炭和石灰，二者都是钢铁生产的关键原料。意料中的，铜冶镇是中国雾霾最严重的地方之一。

乍一看铜冶镇不太像是会产生清洁技术里程碑的地方。但今年下半年，当地一家化工厂将会成为世界上最大的将二氧化碳回收并转化为燃料的工厂。该工厂将把石灰窑中的二氧化碳与焦化炉中的过量氢气和二氧化碳结合起来，生产甲醇——一种作为燃料和用于制造塑料的工业化学品。总部位于雷克雅未克的碳回收国际公司（CRI）表示，铜冶镇工厂每年将回收约16万吨二氧化碳——相当于数万辆汽车的排放量。若不回收，这些气体则会进入大气。

这是一个诱人的想法：工业产生的二氧化碳排放正在导致气候变暖，许多国家正在努力捕获温室气体并将其储存在地下。但何不回收再将之转化成既有益又有利的产品呢？只要避免回收过程产生更多的碳排放——通过使用可再生能源或使用原本会被浪费的多余资源——就可以减少工业向大气排放的二氧化碳量，并降低制造过程中对化石燃料的需求。支持者表示，这是一项气候双赢策略。

中国铜冶镇一家化工厂每年将回收约16万吨二氧化碳并转化为燃料。

图源：Carbon Recycling International

这种类型的回收（有时称为升级再造）是一个越来越热门的领域，大大小小的公司都在竞相推销一系列令人眼花缭乱的二氧化碳产品。有些是提供给注重气候的消费者的精致产品（例如伏特加或钻石），但大多数是全球经济的支柱产品：燃料、高分子聚合物、其他化学品和建筑材料。波士顿的一家市场研究公司Lux Research在2021年的报告中指出，全球超过80家公司正在研究使用二氧化碳的新方法。今天这些产品的市场虽然很小，不到10亿美元——但Lux预测，到2030年市场将增长到700亿美元，到2040年可能达到 5500亿美元。

回收并转换二氧化碳的驱动力，在于可再生能源成本下降、碳税的增加以及其他气候激励措施，这些激励措施说服公司减少二氧化碳排放。与此同时，化学家们提高了基础技术的效率。

但是，关于回收二氧化碳是否真正有益于气候，仍存在一些棘手的问题。以这种方式制造的许多产品只是暂时延缓了碳进入大气的过程——燃料依然燃烧，由化学品制成的产品依然降解，在制造过程中消耗的二氧化碳又被再次释放。这个情况也将发生在铜冶镇的工厂：其生产的大部分甲醇注定要在中国不断增长的甲醇动力汽车大军中作为燃料被燃烧。

与此同时，一些估计表明，回收二氧化碳制产品的全球市场最多只能锁定人类通过燃烧化石燃料释放到大气中二氧化碳的百分之几，去年总量为360亿吨。例如，CRI的工厂只能转化相当于2分钟多点的全球二氧化碳年排放量。伦敦帝国理工学院的能源系统工程师Niall Mac Dowell说：“与其把二氧化碳变成别的东西，我们可以花更少的钱来避免掉其中许多排放。”

他说，“我们假定说，解决气候变化问题的办法可以既经济又简单——这种想法往好了说是天真，往坏了说就是虚伪。”随着二氧化碳回收成为主流，这个观点也开始升温。

优质产品

使用二氧化碳作为化学原料的想法并不新鲜。每年约有2亿吨二氧化碳参与数种生产过程，其中大部分的二氧化碳与氨反应制造用于肥料的尿素。（生产氨会排放额外的二氧化碳，且尿素的碳施用到田间后会迅速释放，因此对气候无益。）石油工业将二氧化碳注入地下以提高石油采收率，但使用这些油产生的二氧化碳可能比被储存二氧化碳还多。

现在有了变化：越来越多的公司回收二氧化碳的新方法推向市场，并宣传其气候效益。这些公司使用的方法包括从选择生物过程到使用电化学电池或催化剂（见“二氧化碳再利用”）。

改编自参考文献[10]

许多大公司使用催化剂促进二氧化碳与氢气结合，来制造燃料和商品化学品。这么做的关键成本围绕着能量：需要这些能量以制造氢气、捕获二氧化碳流，以及打破二氧化碳分子的强碳-氧键以形成新分子。这就是为什么早期工厂大多位于有大量高纯度废二氧化碳流、有大量可用的氢气和热能（为铜冶镇的甲醇生产供能）或可再生能源电成本较低的地方。

例如，2012年CRI在冰岛的地热发电站旁边开设了第一家二氧化碳制甲醇工厂。在那里，钻孔带来热水和蒸汽的同时，也带出了多余的二氧化碳。靠着冰岛相对低碳的电网，CRI的工厂通过电解从水中产生“绿色”氢气。然后将气体进行混合、加热、加压并通过催化剂，催化剂帮助CO2键的断裂。每年，冰岛的工厂回收5500吨二氧化碳。

CRI的第一座二氧化碳制甲醇工厂建在冰岛的地热发电站附近。

图源：ARCTIC IMAGES/Alamy

CRI首席技术官Emeric Sarron说：“这种方法比生产传统甲醇的方法贵，这一点毫无疑问。”但他拒绝透露具体贵多少。“不过，需要采购可再生燃料的公司愿意为此支付溢价。”该公司有不少客户：除了铜冶镇的工厂外，CRI还正在中国江苏省和挪威北部建设其他全尺寸工厂。与比利时、瑞典和丹麦公司合作的其他联营项目则将回收二氧化碳并转化为甲醇，用作化学原料和航运燃料，这些项目旨在于2023年至2025年之间开始运营。

电化学燃料

一些初创企业认为，与其建造如此大型的集中式项目，不如在更小的模块化电化学电池中转换二氧化碳，这么做更便宜、更高效。例如，总部位于加利福尼亚州的初创公司Twelve计划在今年年底之前拥有一个集装箱大小的电解系统，该系统每天将用电把超过一吨的二氧化碳生成合成气——这是一种一氧化碳和氢气的混合物，被广泛用于制造其他化学品，包括燃料。Twelve计划为希望减少碳排放的公司提供二氧化碳转化服务；按每吨转化收费，并出售其最终产品以支付成本。2021年7月，该公司筹集到了5700万美元的风险投资资金。“我们绝对认为自己是温室气体减排事业的一员。”该公司的联合创始人兼首席科学官Etosha Cave说。

传统制造合成燃气是通过一种能源密集型工艺——在高温和高压下将甲烷和水一起粉碎。与此相反，Twelve公司则是使用改进的商业电解槽，它通常将水分解成氢气和氧气。在该设备一个电极（阴极）上添加金属催化剂，使其能够同时将CO2转化为CO，从而使系统在室温下产生合成气。Twelve的目标是使用可再生电能来运行这些二氧化碳回收装置。

Twelve 使用电化学电池将二氧化碳转化为化学品和燃料。

图源：Twelve

学术界化学家们通过对阴极催化剂的重大改进，推动了电化学回收利用。一个关键指标称为法拉第效率——生成CO而不是无用的副产品的电子比例——目前某些时候已能超过90%[1]。化学家在另一个方面也取得了进展：提高催化剂支持高电流密度的能力。这能够使给定区域的电极转化更多的CO2分子。然而，比利时佛兰芒技术研究所（VITO）的可持续化学项目经理Jan Vaes说，许多催化剂工作不上几百个小时就要降解了。

电化学家们不仅仅着眼于生产合成气。阿姆斯特丹一家可再生化学公司 Avantium正在使用改进的催化剂[2]来制造甲酸，甲酸可以转化为更有价值的化学品。该公司目前正在德国的一家化石燃料发电厂测试电化学反应器。

Avantium的一个移动容器装置将工厂碳捕获装置中的二氧化碳转化为甲酸。

图源：Avantium

一些化学家希望制造出价格更高、更复杂的碳分子。但是生产更大的分子就更麻烦——更多的化学键，意味着电子有更多机会转移到副产物中，从而降低效率——不过这方面研究正在取得进展。例如，今年多伦多大学的电气工程师和材料科学家Edward Sargent及其团队推出了一种电化学系统，可将二氧化碳和水转化为广泛用于制造聚合物的环氧乙烷。该团队的催化剂在转化过程中的法拉第效率达到了创纪录的35%[3]。

生命周期参数

人们尚不清楚将工业排放的二氧化碳回收生成产品是否能真正地保护气候——因为如果产品被燃烧或分解，它们捕获的二氧化碳仍会释放到大气中。而直接从大气中提取二氧化碳可能会带来更明显的气候效益，但从空气中捕获二氧化碳非常昂贵，以这种方式制造的产品也一样。

支持者认为，回收工业二氧化碳并制成化学品，可以通过另一种方式减少排放：这么做避免了一些基于化石燃料的产品生产。“我们的工艺能够通过利用现有的二氧化碳流，帮助将化石燃料留在地下。”Twelve公司的一位发言人告诉《自然》。

严格检验这一点的方法是对产品进行生命周期分析（LCA）——从产品二氧化碳的来源到其最终去向，详细计算制造和使用该产品所涉及的碳。许多二氧化碳回收公司表示他们已经完成了这些审计，但由于其中包含专有信息而没有公布。

总部位于伊利诺伊州的LanzaTech公司发布了LCA。该公司用充满自产乙醇梭菌细菌（Clostridium autoethanogenum）的生物反应器，将工业CO2、CO和氢废物排放物发酵成乙醇。其首席执行官Jennifer Holmgren指出，与化学工艺相比，这种生物转化可以更好地处理杂乱的废气流，例如来自城市垃圾气化炉的废气。自2018年以来，该公司位于中国天津附近的首钢集团钢铁厂的反应器一直在生产乙醇。第二家工厂于去年起在中国一家合金厂开始运营。位于比利时和印度的商业工厂则预计将在年底前投产。

3月8日，LanzaTech宣布其将公开上市，公司的估值为18亿美元。今年该公司公布称，通过基因改造，它的细菌也可以制造更大的分子，例如丙酮和异丙醇[4]。丙酮和异丙醇的常规生产会导致大量的CO2排放。相比之下，LanzaTech的LCA表明其生产路线是负碳的——消耗的碳远多于排放的碳[4]。但该分析并未包括使用产品时是否会产生二氧化碳。

Holmgren认为，通过取代传统制造的同类产品，基于二氧化碳的产品无论如何都会减少碳排放。但她承认这点确实很难被确定——基于二氧化碳的产品可能只会增加全球燃料和其他化学品的消费量，而不是取代现有的生产。Sarron补充说，在这样一个新兴市场中确定取代的直接证据也很困难。

荷兰代尔夫特理工大学研究低碳系统与技术的Andrea Ramírez Ramírez说：“问题在于，使用替代产品的人们认为，在全球范围里某处，市场能够做到这个取代过程。但你如何监测这个取代过程？这是非常非常困难的。”

她补充说，所谓的“无负罪感”二氧化碳衍生产品越来越多，也会导致消耗资源增加。例如，如果有人试图减少国际飞行，而如果他们乘坐的航空公司鼓吹其使用气候友好型燃料，那他们就有可能更频繁地飞行。Ramírez Ramírez说，人们在一些能效措施中已经观察到了这种“反弹效应”，尽管尚无基于二氧化碳商品的研究。

在她看来，负排放量[5]，例如LanzaTech公司声称的那些，“应该是从大气中去除二氧化碳真实的量，人们可以实际测量到的量。”

锁碳

为了最大限度地提高气候效益，将回收的二氧化碳锁在可持续数十年的产品中更有意义。这就是聚合物的用武之地。英国牛津大学化学家Charlotte Williams说：“人们正在制造绝缘泡沫、床垫、室内软装等产品，这些产品的使用寿命相当长。”

Williams开发的催化剂可以将二氧化碳融入用于制造聚氨酯泡沫的多元醇中。多元醇通常由称为环氧化物的昂贵化学品制成，而她开发的催化剂能够在聚合物链中将二氧化碳取代部分环氧化物。这么做一来捕获二氧化碳，二来可以减少环氧化物的消耗——环氧化物本身就有很大的碳足迹。

Williams创立了一家衍生公司，Econic Technologies。2021年9月，该公司签署了一项协议，在印度建立一个试验工厂，然后改造现有工厂，将废弃的二氧化碳融入多元醇中。其他公司也在以类似的方式用二氧化碳调整聚合物。

尽管取得了这些进展，但预测表明，到2050年，使用二氧化碳作为聚合物成分每年只能锁定约1000万至5000万吨二氧化碳[6]。那么，这真的值得吗？“我认为这么看问题不对。”Williams说。“我们必须全面削减二氧化碳排放量，但我们也必须投资一些可以直接利用二氧化碳的技术。”

阿姆斯特丹Lux Research的高级分析师Runeel Daliah表示，将二氧化碳融入产品最好的商机是用于生产混凝土和其他建筑材料。该技术经过验证且可扩展，可以满足全球对混凝土的巨大需求，从而有可能主导二氧化碳转化市场。“混凝土确实是唯一可以永久将二氧化碳封存在产品中的材料。”Daliah说。

位于哈利法克斯的加拿大公司CarbonCure是该领域的领导者之一。该公司成立于2012年，业务是将废弃的二氧化碳泵入新鲜混凝土中，形成碳酸钙纳米颗粒。这提高了混凝土的抗压强度，从而减小了对水泥的需求[7]。由于制造水泥占混凝土碳排放的绝大部分，该公司表示，此举可以将每吨混凝土的碳足迹减少约5%（约合6公斤二氧化碳）。

CarbonCure 在一个建筑项目中浇筑混凝土。将二氧化碳泵入混凝土中，气体会被封存很多年，甚至几个世纪。图源: CarbonCure Technologies

该公司已在世界各地的混凝土厂安装了550多台CO2注入装置，其中大部分位于北美，迄今已减少和矿化了5万吨CO2排放。但全球还有约十万家工厂每年生产约330亿吨混凝土，“我们做的只是杯水车薪。”CarbonCure总裁 Jennifer Wagner说。

Ramírez Ramírez说，将二氧化碳转化为矿物比将其转化为燃料具有更明显的气候效益。“从生命周期分析中可以看出，这项技术的益处要大得多，而且我认为也稳健得多。”

碳去除激励措施

科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室里，Josh Schaidle对11种由二氧化碳转换制成的产品进行分析，他说，在制造燃料和其他化学品方面，目前大多数二氧化碳衍生产品都比传统竞争对手更昂贵[8]。不过，如果这些产品能够利用低成本的可再生电力，以及享受旨在让世界摆脱化石资源的减税、补贴和配额政策，它们仍然具有强大的商业价值。

例如，欧盟公布的欧洲绿色协议提出了一揽子政策激励措施，旨在到2050年使欧盟实现气候中和。待立法案规定了二氧化碳衍生燃料在航空业使用的配额。还提出将对基于二氧化碳的燃料减税，并承诺提供大量创新资金以帮助技术推向市场。

在美国，一些公司表示一项名为45Q的税收抵免政策正在鼓励二氧化碳转化。这项政策规定，如果企业将二氧化碳永久储存在地下，政府对每吨二氧化碳支付50美元，如果企业将二氧化碳投入利用，政府则支付每吨35美元。在中国，开发二氧化碳转化技术的商业活动相对较少[9]。但在2021年，中国庞大化工行业的一些主力成员承诺投资生产以二氧化碳为基础的化学品，此举可能会得到由去年启动的中国碳交易市场的财政支持。

然而，二氧化碳转化业务的成功取决于生命周期评估和其他碳流测量。例如，欧盟委员会正在开发一种碳去除认证机制，以提供一个更严格的框架来验证一个过程是否真的是负碳。

到目前为止，生命周期分析对大多数二氧化碳转化策略的评估相当悲观。在 2月发表的一份报告中[10]，荷兰奈梅亨拉德堡德大学的环境科学家Kiane de Kleijne和她的同事检索了数十个已发表的生命周期分析报告，与通过传统方法制造的相同产品，比较二氧化碳的转化路线。然后，研究人员将回收过程中的二氧化碳减排量与2015年巴黎协议的目标进行了比较，该协议提出的目标是到2030年全球二氧化碳排放量减半，到2050年实现净零排放。“我们发现，极少数路线能够满足巴黎协议的标准。”de Kleijne说。能够达到标准的路线是通过永久储存二氧化碳——例如，将气体与钢厂的炉渣进行混合以制造建筑砌块。

着眼于气候的科学家进行生命周期分析时常常指出，二氧化碳的地质储存比转化更好，因为它可以更大程度地减少碳排放。Sarron表示，这个说法可能是真的，但它忽略了残酷的经济现实。“将碳放回地下很昂贵，且达不到足够规模。我们今天所做的替代方案并不是储存，是排放到大气中。”

如果全球经济最终结束对煤炭、石油和天然气的依赖，未来的工业可能需要这些二氧化碳转化过程来生产人们所依赖的聚合物和其他化学品。

De Kleijne说，进行LCA研究的学者和开发CO2转化系统的公司，在这些问题上经常是各说各的。

但至少有一点达成广泛共识：二氧化碳回收技术最终应该从大气中尽可能多的获取原料，而不是从工业废气中提取。奥斯陆一项名为Norsk e-Fuel的项目正朝着这个方向发展，该项目在挪威埃罗亚建立了一个试验工厂，旨在开始将二氧化碳衍生的合成气转化为喷气燃料。所需的部分二氧化碳将直接来自空气，由Climeworks公司开发的碳捕获技术捕获，该公司于2009年分拆自苏黎世联邦理工学院。

该技术现已在Climeworks的首个大型直接空气捕获工厂投入应用，该工厂于2021年9月在冰岛的赫利舍迪开始运营。它将每年捕获4000吨二氧化碳并泵入地下。以这种方式封存一吨二氧化碳的成本为600-800美元——一点都不便宜——但该公司表示，随着规模的扩大，成本将削减至十分之一。

尽管对于目前来讲，将化石能源排放的二氧化碳转化为产品对气候带来的益处有限，一些公司认为开发这项技术非常重要。因为一旦直接空气捕获技术成熟，就可以从空气中汲取二氧化碳。“我认为这个观点合理，”Ramírez Ramírez说。“但我们需要注意的是，这只是过渡中的一个阶段，我们的最终还是要用可持续的资源取代化石碳。”