如果你在谷歌地图上搜索夏威夷的Keāhole Point将其置于屏幕中央然后不断缩小直到能看到地球的边缘你会清晰地意识到一件事太平洋实在太大了。几个月后在夏威夷大岛这片火山岬角上海洋科技初创公司Captura将开始尽可能多地将太平洋海水泵入其管道和储罐。该公司的计划是通过电化学方式从海水中提取二氧化碳储存或利用这些二氧化碳再将海水送回大海——届时海水将自然地从空气中吸收更多二氧化碳。Captura是一批将地球海洋视为可待开发碳汇的初创公司之一。它所采用的生物工程策略旨在加速海洋本已在做的事大规模吸收碳排放。这一自然过程在数百万年间帮助维持了大气中二氧化碳的平衡但如今已无法跟上现代工业排放的速度。目前数十个实地试验和试点项目已经启动Captura及其他几家公司将在2025年开始扩大设施规模。各家公司的方案既多元又大胆。一些团队正在海中培育海带森林或微藻另一些则提议在浅层和深层海水之间抽水以转移碳还有两种策略引起了《IEEE Spectrum》的关注——Captura的海洋二氧化碳去除方案从海水中抽取碳和海洋碱度增强方案将碳储存在海洋中。这两种方案都推动了新型高效电化学系统的研发用于处理大量海水。这些想法获得了大型资助机构的支持。美国能源部1亿美元XPrize碳捕获奖和3500万美元碳去除采购试点奖的入围名单中均包含海洋类方案。然而海洋碳捕获公司面临的挑战与其雄心壮志一样庞大。大多数公司的商业模式最终依赖于在自愿碳市场上出售碳信用额度。而要出售碳信用必须量化其促使海洋从空气中吸收了多少二氧化碳。这一过程仅凭物理测量无法实现必须借助存在相当不确定性的数值模型。此外还需要进行大量环境监测以证明海洋碳去除策略不会危害水生生物。规模问题同样不容忽视。要在地球大气层中超过1000亿吨的超量二氧化碳面前有所作为公司需要以圣经级别的规模处理海水。如果你想从海洋中去除10亿吨二氧化碳每年大概需要把大西洋上层几米的海水全部过一遍你的机器德国基尔Geomar亥姆霍兹海洋研究中心生物地球化学模型负责人Andreas Oschlies说这是一个巨大的水量但并非不可能。抱着并非不可能的信念全球各地的公司将在2025年付诸实践。海洋碳捕获的原理为维持平衡地球的海洋和大气不断交换二氧化碳。工业革命后大气中二氧化碳浓度升高海洋吸收量也随之增加。目前海洋约吸收四分之一的碳排放陆地吸收约30%其余部分则滞留在大气中加剧全球变暖。许多团队已投身于利用直接空气捕获DAC系统从空气中抽取二氧化碳的事业。这种高耗能方式需要将环境空气通过化学溶剂或过滤器再储存或再利用捕获的碳。但海洋中的二氧化碳浓度是空气中的150倍。利用海洋的优势在于它本身就在大规模地做这项工作曾从事DAC行业的Captura首席执行官Steve Oldham表示。过去一年Captura一直在一艘退役美国海军驳船甲板上建造的试点工厂进行测试。这艘驳船停泊在洛杉矶港的一个废旧区域停靠在一个偶有海狮造访的闲置码头旁。在参观过程中Captura海洋学家Sophie Chu和机械工程师Eric Marks向《IEEE Spectrum》介绍了系统的核心设备——一台定制电渗析机。海水被泵上驳船后该机器对一部分海水施加电压使其通过一系列离子选择性膜将海水分子氢、氧和氯化钠按离子电荷重新排列产生酸盐酸和碱氢氧化钠。酸与海水中的溶解无机碳反应将其转化为溶解二氧化碳再通过真空气液膜接触器将二氧化碳分离捕获。碱则被加回水中以恢复碱度处理后的海水被排回大海在与大气平衡的过程中自然吸收更多二氧化碳。为使电渗析系统适用于碳捕获Captura工程师研发了高性能膜降低了成本和能耗并改变了膜堆的几何形状。为进一步降低能耗并使系统能在间歇性可再生能源下运行Captura还将电渗析设计为短时运行模式例如在电价低廉或阳光充足时工作。Captura在洛杉矶港的试点每年可从海水中去除约100吨二氧化碳而在夏威夷正在建造的新工厂将达到10倍的捕获量。量化与碳信用难题被去除了二氧化碳的海水排回大海后会发生什么却难以量化。理论上若从海洋表层人工抽出1000吨二氧化碳海洋最终将从空气中再吸收等量的二氧化碳。但实现这一平衡的速度取决于洋流、温度和风力条件。Sophie Chu表示当空气与海洋二氧化碳浓度差较小时通过自然海气交换实现平衡平均需要约一年时间而人工二氧化碳去除将造成更大的浓度差平衡过程可能更长。仅凭物理测量来证明这一点几乎不可能因为这需要在大片海域采集水样并运回陆地实验室。加拿大达尔豪西大学海洋学家Katja Fennel表示理想情况下我们希望将传感器微型化放置在海洋中的自主平台上在时间和空间维度上收集大量数据。这些传感器将测量碱度、溶解无机碳、pH值和二氧化碳分压等关键指标。与此同时海洋碳公司必须依赖数值模型。[C]Worthy首席技术官Alicia Karspeck表示ROMS区域海洋模型系统和MARBL海洋生物地球化学库等模型已被用于气候和海洋的常规研究可进一步优化以量化海洋碳去除量。Karspeck的组织正在构建软件基础设施以帮助标准化和部署这些模型并计划在2025年推出首个版本。此外还有对捕获二氧化碳如何处置的问题。它可用于制造塑料或合成燃料这会将碳再度排放回大气也可以被永久封存于地下成本高昂。Oldham设想在退役的油气平台上建设Captura工厂利用现有管道将捕获的二氧化碳封存在海底。海洋碱度增强让海洋永久储碳为消除运输和封存捕获的二氧化碳的挑战一些研究团队着眼于将海洋本身作为永久碳储库这就是海洋碱度增强方案。在数十亿年的地质过程中大气中的二氧化碳与陆地上的碱性岩石反应形成碳酸氢根和碳酸根离子随降雨流入河流最终汇入海洋。这一过程称为风化它提升了海洋碱度和pH值削弱了化石燃料排放带来的酸化并使溶解无机碳向碳酸氢根和碳酸根离子的形式转变。以这种形式存在的碳可在海洋中锁定数千年。海洋碱度增强绕过了风化过程直接提升海洋碱度将溶解的二氧化碳转化为更稳定的碳酸氢根和碳酸根离子。这可以通过向海洋或海滩添加碱性物质来实现。今年7月Vesta宣布在北卡罗来纳州Duck海岸附近添加了8200吨橄榄石沙新斯科舍省的Planetary Technologies则向海水中添加氢氧化镁并于11月宣布已去除138吨二氧化碳并向Shopify和Stripe出售了碳信用额度。海洋碱度增强也可通过电化学方式实现。Ebb Carbon在华盛顿州Sequim的美国太平洋西北国家实验室建立了一个集装箱大小的试点工厂对此进行了逾一年的测试。该工厂从Sequim湾抽入海水通过电渗析机处理最终产生酸流和碱流。碱流排回海洋后与海水混合将溶解的二氧化碳转化为碳酸根和碳酸氢根离子为更多空气中的二氧化碳进入创造空间。2025年Ebb Carbon计划在华盛顿州Port Angeles建造第二座工厂预计每年可去除约500吨二氧化碳。公司联合创始人兼首席科学家Matthew Eisaman表示该公司最终将其系统与脱盐工厂及其他向海洋排放盐水的工业场所联合部署。规模和生态风险始终是主要挑战。若Ebb Carbon将商业版系统安装在全球每一座脱盐工厂每年可从大气中去除约10亿吨二氧化碳但这仍只是全球年排放总量的一小部分。过高的碱度可能破坏生态系统若未能迅速稀释还可能引发石灰石自发沉淀并将二氧化碳重新释放到大气中。监管机构必须对此保持高度关注Oschlies警告说。此外如何向公众解释海洋碱度增强——而不让人觉得是在向大海倾倒化学品——也是一个棘手的公关难题。兼顾直接捕获与海洋储存的创新路径加州大学洛杉矶分校的衍生公司Equatic另辟蹊径将直接空气捕获二氧化碳与海洋储存相结合从而能够精确测量从空气中抽取的二氧化碳量。Equatic的系统从海洋中抽水通过电解槽将其分离为液态酸流、液态碱流、氢气和氧气四个组分。系统同时将含有二氧化碳的空气引入与碱流接触将二氧化碳转化为碳酸氢根离子和固态碳酸钙。酸流则与岩石接触以提升pH值再与碱流合并使处理后的海水化学成分与输入时基本相同最终排入大海。此外电解产生的氢气可作为副产品出售为公司增添了碳信用以外的额外收入来源。使用电解槽分解盐水而非电渗析的问题在于会产生有毒氯气。Equatic于今年9月宣布已研发出一种制造选氧阳极和精细架构催化剂的方法使其不与盐水中的盐分反应从而避免氯气的产生。Equatic在洛杉矶和新加坡的试点工厂每天从空气中去除约100千克二氧化碳。在新加坡建设中的示范工厂将达到约10000千克的日捕获量。2025年Equatic计划与加拿大碳去除初创公司Deep Sky合作在魁北克开始建设商业系统利用300台电解槽依托水电和核能运行每天捕获逾300吨二氧化碳并生产8400千克氢气。海洋碳捕获公司已吸引了大型资助机构的关注。美国能源部在其碳去除奖的24个半决赛入围者中选出了Ebb Carbon、Equatic和VycarbXPrize则在20个决赛入围者中包含了Captura、Ebb Carbon、Kelp Blue和Planetary并计划于明年4月公布获奖者。尽管奖项营造出竞争氛围但应对全球气候危机最终需要多种策略协同发力。Chu总结道碳足够多所有人都有用武之地。QAQ1Captura的海洋碳捕获技术是如何工作的ACaptura通过电渗析机对海水施加电压使其通过离子选择性膜产生盐酸和氢氧化钠。盐酸与海水中的溶解无机碳反应生成溶解二氧化碳再由真空气液膜接触器将其分离捕获。氢氧化钠则被加回水中以恢复碱度处理后的海水排回大海继续自然吸收大气中的二氧化碳。目前洛杉矶港试点工厂每年可去除约100吨二氧化碳夏威夷新工厂将达到1000吨。Q2海洋碱度增强和直接从海水去除二氧化碳有什么区别A直接海洋二氧化碳去除如Captura的方案是将溶解在海水中的二氧化碳抽取出来集中储存或利用。海洋碱度增强如Ebb Carbon的方案则是提升海水的碱度使溶解的二氧化碳转化为碳酸氢根和碳酸根离子让碳以更稳定的形式在海洋中储存数千年无需单独封存但需监控碱度对生态的影响。Q3海洋碳捕获公司如何证明自己真正减少了大气中的二氧化碳A目前仅靠物理测量难以精确证明因为需要在大片海域持续采集水样工程量巨大。各公司主要依赖ROMS、MARBL等数值模型进行推算同时辅以pH值、二氧化碳分压等传感器数据。[C]Worthy等机构正在开发标准化建模软件。Equatic则通过将直接空气捕获与海洋储存结合直接测量从空气中抽取的二氧化碳量在计量精度上更具优势。