范佳佳　陈钰什　代杨

推动低碳经济发展、积极应对气候变化是从国家、企业到个人承担的义务和责任，这一进程离不开我们对碳循环的深刻认识和对负碳技术的促进发展。本文从“彩虹碳”的角度剖析碳移除技术路径，并强调直接空气捕集二氧化碳（DAC）技术的重要性。

日益丰富的“彩虹碳”

对碳采取多样化的分类方法可以使科学家、企业和机构区分其来源，为环境影响评估提供信息并做出更好的可持续决策。当前，各领域研究人员已经基于全光谱对有机碳的性质和分布描述对碳进行了分类，陆续将碳分为黑碳、灰碳、棕碳、红碳、蓝碳、绿碳、蓝绿碳等不同类型1。这种基于颜色的分类方式，超越了传统而简单的无机碳和有机碳类型分类，反映了碳的功能和属性，有助于加强人们对碳循环的理解。

黑碳。黑碳主要来源于化石燃料的燃烧和人类工业活动，另有一部分通过自然过程产生，如野火燃烧。根据世界观察研究所和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的研究，全球每年排放的黑碳当量为70亿～150亿吨。黑碳加速气候变化的效应是不可忽视的，具体体现在两个方面。一方面，黑碳加剧了大气中的温室气体效应；另一方面，黑碳降低了冰雪反照率，致使地面上雪和冰变成浑浊的污泥，从而吸收更多来自太阳的热量并加速冰盖的融化，这种状况在北半球尤其普遍。迈克·伯纳斯-李（Mike Berners-Lee）在《香蕉有多糟糕》一书中指出，42%的黑碳来自户外火灾，四分之一来自燃烧木材、煤炭、粪便、泥炭和有机物，四分之一来自运输（主要是柴油），其余约10%来自燃煤发电站２。人们最初是通过视觉识别到黑碳的，且长期认为黑碳是加快气候变化的主要碳类型。但美国加州大学尔湾分校的埃伦·德鲁菲尔（Ellen Druffel）教授等人指出，随着碳封存技术的升级，生物炭也可以作为储存碳的一种方式，这一发展趋势让黑碳在与气候变化的交互中具备了更多可能性3。

灰碳。目前国际上对“灰碳”的定义存在多种观点。以中国科学院院士、中国石油勘探开发研究院副院长邹才能为代表的部分学者指出4，二氧化碳是地球碳循环的重要介质，具有实现生态系统有机物转换和造成地球表面温室效应的双重属性。对应这两种属性，他将大气圈中的二氧化碳分成两类：可被固定或利用的二氧化碳为“灰碳”；无法被固定或利用并留存在大气圈中的二氧化碳被称为“黑碳”。基于此，实现碳中和目标的方式是对“灰碳”进行捕集、地质封存或循环利用，使其与大气隔离，同时通过以可再生能源替代化石能源、节能等方式，从源头上减少“黑碳”的产生。以美国节能经济委员会（ACEEE）为代表的一些学术机构则提出，“灰碳”是指占全球温室气体排放量的五分之一以上、处于碳减排关键环节的工业部门碳排放。在工业领域，解决方案主要分为两大类别：行业特定解决方案和跨领域解决方案。行业特定解决方案强调处理工业流程中的直接温室气体排放，可选择的措施包括改进工艺、进一步探索碳捕获和储存，以及转向碳密集度较低的材料等。跨领域解决方案则侧重包括能源效率、蒸汽等一些化石燃料过程的电气化，以及转向氢和生物质等非碳燃料等5。

棕碳。棕碳是大气中一类重要的吸光性含碳气溶胶，主要源自焦油材料、煤炭燃烧、生物质燃烧产物的分解以及土壤排放或植被释放的有机化合物。作为一种吸光颗粒，它在大气层顶部具有变暖作用，同时对地球表面具有冷却作用，因而一直在气候变化中发挥着复杂的作用。值得一提的是，棕碳和黑碳都是由有机物的不完全氧化产生的，通常在有机物燃烧时相伴而生，因此直到2006年，科学家才将二者区分开来。

红碳。红碳通常指的是能够在雪和冰面上降低反照率并得以生存的所有活体生物颗粒，主要由雪地微生物产生，如雪藻、冰藻6。红碳会吸收大量蓝色和绿色的可见光波长，并将多余的辐射能作为热量消散，加速冰雪融化，并释放冰晶内的营养物质（如氮和磷）。

绿碳。基于自然解决方案的兴起激发了更多学者对绿碳、蓝碳和蓝绿碳的研究。这类颜色描述不是根据碳固有的物理性质，而是通过碳的空间位置进行统一归类。其中，绿碳的名称来源于植物光合作用所依赖的叶绿素。这一概念通常反映的是贮存在陆地生态系统（如森林）的碳，是全球碳循环的重要组成部分，在影响大气中温室气体浓度水平方面发挥着关键作用。

蓝碳。蓝碳是贮存在海洋中的碳，其最初的定义仅局限于红树林、盐沼和海草床，但现在广义上的蓝碳还包括海藻、海底沉积物，甚至鲸鱼7。近年来，蓝碳因被公认为是应对气候变化的长期解决方案而吸引了众多关注。除了被封存在海洋中的碳不易像绿碳一样受到野火等自然灾害影响外，作为蓝碳栖息地的海草、盐沼、红树林等生态还会通过抬高海底和缓冲波浪来提高气候适应性，降低海平面上升和海岸线侵蚀的风险，增加渔业资源，实现多重效益。

蓝绿碳。蓝绿碳是近年来被纳入碳光谱的全新类型，主要指的是储藏在内陆淡水湿地中（如城市水库、湖泊和沼泽）的碳。湿地以占地不到十分之一的面积储藏了全球超过四分之一的土壤碳，并兼具增强生物多样性、缓解洪水等功能。土地利用变化、污染、农业、采矿等人为行为会导致湿地退化，致使内陆湿地从碳汇转变为碳源。

以“彩虹碳”视角对碳移除项目进行再分类

随着“双碳”政策出台以及越来越多国家、企业设立净零目标，如何移除二氧化碳愈发成为焦点。碳移除也称为负排放，是指从大气中移除二氧化碳的过程，侧重于消除大气中已经存在的排放物。

“彩虹碳”提供了一个全新视角来分类碳循环体系中不同类型的碳移除项目。基于此，笔者提出可对碳移除项目进行类似的“彩虹碳移除”分类。不同于上文中对碳的单纯分类，这种分类方式以颜色方式强调碳移除项目的功能、屬性及地理位置，有助于加强对碳减排项目侧重点的具象化理解，以此帮助现代企业更有效地制定减碳策略，应用减碳措施，减缓气候变化。

通常，碳移除项目分为基于自然的解决方案（Nature-based Solutions， NbS）和基于技术的解决方案（Technology-based Solutions， TbS）。顾名思义，基于自然的解决方案依靠生物体（如藻类）或自然发生的现象（如化学矿化）从大气中吸收碳。基于技术的解决方案依赖于人类开发的机械、化学或其他工程移除形式来处理我们周围的环境空气并移除现有的二氧化碳。

基于NbS与TbS两个大的方向，碳移除项目可以被进一步进行颜色分类。在NbS层面，可分为：①绿碳移除：植树造林和恢复生态系统，以实现地上和地下生物量的长期的储存；②蓝碳移除：为海洋生态系统施肥以加速浮游植物的生长，将大气中的碳输送到海底；③黄碳移除：通过在陆地上提取、研磨和分散碳结合矿物，或向海洋中添加碱性矿物，加快岩石的自然风化，增加碳吸收；④棕碳移除：在低氧条件下燃烧生物质，产生木炭“生物炭”，添加到土壤中提高土壤碳水平；等等。

在TbS层面，则可分为：①灰碳移除（BECCS）：燃烧生物质以产生能源，以及捕获并永久储存产生的二氧化碳；②白碳移除（DAC）：采用化学工艺直接从环境空气中捕获二氧化碳，以及使用或永久储存二氧化碳。

以DAC技术实现“白碳移除”

上文提及的“白碳移除”，意即直接空气捕集技术（Direct Air Capture，DAC）。该技术可以直接从空气中捕获二氧化碳并永久储存，笔者认为，这一过程应该形成一种单独的碳移除类型——“白碳移除”。

DAC技术开发最早可以追溯到20世纪40年代的潜艇和50年代的航天器利用，因早期捕集成本高、耗能大等，该技术一直未能进入减碳领域的主流视线。近年来，随着温室效应等环境问题日益严重，以及碳捕集技术的快速发展，这一技术再次成为关注重点，并于2019年被《麻省理工科技评论》评选为“十大突破性技术”之一。

就当前发展来看，DAC技术的环境和经济影响仍是复杂多样的。在环境影响方面，DAC技术提供了一种潜在的改变游戏规则的解决方案。一方面，与其他碳捕集技术相比，DAC技术无地域限制，可将捕集点与封存点置于一处，可解决交通、建筑行业等诸多碳分布源的排放问题，同时显著降低运输成本，更可避免吸附/吸收剂性能受烟气中高浓度污染物（如NOx、SOx等）影响。这一特点尤其重要，因为约75%的二氧化碳排放来自航空、航运和农业等难以通过传统CCS方法捕获的领域。另一方面，DAC技术可以与氢气生产、燃料合成工艺等其他技术结合，在移除碳排放的同时，生成更多具有环保效益的绿色新能源。由此可见，DAC技术可以在降低大气中的总碳浓度方面发挥关键作用，在对抗全球变暖、帮助实现《巴黎协定》目标方面具有巨大潜力。

然而，DAC技术应用也引发了一些环境上的担忧。其中一个主要问题是能源需求。当前全球人类活动排放的二氧化碳总量与DAC技术的捕获能力相比仍有极大差距，DAC技术系统需要大量能源供应来完成碳捕集和储存，如果这些能源自身不来自可再生能源，就可能会增加能源消耗，并导致更多的排放。此外，捕获的碳也需要被安全储存，以防止泄漏回大气中，这对当前的碳储存技术提出了更高的要求。

在经济影响方面，DAC技术同样存在机遇和挑战。一方面，开发和应用DAC系统可以通过创造新行业和就业机会促进经济增长，捕获的碳可以用于多种应用，如增强油田采收和合成燃料以及材料生产，潜在创造新的收入来源。当前，油气公司、风险投资、航空公司等商业机构利用空气中捕获的二氧化碳和氢气开发合成航空燃料的早期商业应用已经开始，二氧化碳利用机会的创新正在为DAC技术提供市场。

另一方面，DAC技术的高成本仍是推进其广泛应用的重要障碍之一。大气中二氧化碳浓度为0.04%，仅为火力发电厂废气的0.3%～1%8，这导致DAC技术的能源需求和成本都更高。与此同时，当前使用DAC技术捕获一吨二氧化碳的成本范围为100～600美元，远高于传统的CCS技术。如何加快技术进步、实现规模经济效应、平衡经济效益比，是值得相关领域进一步研究的问题。此外，DAC技术的经济可行性与碳市场的活力密切相关。如果碳价格高，企业就会更有动力投资DAC技术。然而，当前的碳定价政策在不同国家存在较大差异，而且在许多情况下，碳价格过低无法有效激励企业对DAC技术进行投资。

从国际发展来看，迄今为止，全球有30余家在技术方面较为领先、已初步具备商业化能力的初创公司或科研机构正在对DAC技术进行深入研发，包括Climeworks、Global Thermostat、Carbon Engineering等；已有27座DAC工厂投入运行，每年捕获将近0.01MtCO2；至少有130个DAC设施计划处于不同的开发阶段。只要当前一切规划都取得顺利进展，DAC的全球部署可达到2050年净零排放情景下所需的水平，即每年约75MtCO2的捕获水平。但是，这个规模尚达不到国际能源署（IEA）《2050年前“净零”排放设想方案》所要求达到的捕获能力的10%。根据该方案，DAC设施的规模需在2030年扩大到每年捕获近6000万tCO2，若要实现这一目标，还需在全球范围内投入运行更多、更大规模的DAC工厂，同时不断完善DAC技术并降低技术成本。

对于中国而言，DAC技术是挑战，更是机遇。目前，我国能源结构仍以化石燃料为主，化石燃料作为重要的制造业基础，在今后一段时期内仍将是主要的能源来源。这意味着，中国有可能成为全球DAC开发和部署的最大潜在市场之一，为培育DAC领域的技术创新企业提供肥沃的成长土壤。现阶段，我国已开始在DAC领域进行探索，但整体仍处于起步阶段，如中国石油集团、中国能源建设集团、华能集团等能源领域大型企业已陆续部署DAC技术开发；浙江大学等学術机构已初步开发出小型DAC样机；初创企业如黑鲸能源等通过与高等院校进行产学研成果转化合作探索工业级DAC设备研发。

未来，中国政府、科研高校、领头企业应继续采取推进措施，将DAC技术视为实现净零排放综合战略的一部分，积极探索适合本国的DAC商业化路径；携手推动国际合作，进一步加快DAC在全球最大市场的部署步伐；利用碳市场的市场机制以及绿色金融的配套政策，促进包括DAC技术在内的碳移除技术发展，获取产业转型的新动能；不断深化社会公众对DAC技术的理解，协调和加强公众对DAC技术的接受程度。

总体来看，DAC技术是一项在应对气候变化方面具有巨大潜力的碳移除技术，但其仍处于成长阶段，在对其不断探索的同时，仍需综合衡量其在降低大气中的碳水平方面的技术潜力，以及利用该技术所需的能源消耗和潜在的安全储存等问题，寻求更多的制度性激励措施来平衡经济、技术、环境方面的要素，从而充分发挥“白碳移除”的潜力，助力碳中和目标的实现。

注：

1.Laura Zinke， “The colours of carbon，” Nature Reviews Earth & Environment， March 05， 2020， accessed September 11， 2023， https：//www.nature.com/articles/s43017-020-0037-y#citeas.

2.Mike Berners-Lee， How Bad Are Bananas？： The carbon footprint of everything （Profile Books Ltd， 2010）.

3.Alysha I. Coppola， Brett D. Walker， Ellen R.M. Druffel， “Solid phase extraction method for the study of black carbon cycling in dissolved organic carbon using radiocarbon，” Marine Chemistry 177（2015）： 697-705 .

4.邹才能、薛华庆、熊波等：《“碳中和”的内涵，创新与愿景》，《天然气工业》2021年第8期。

5.Neal Elliott， “Climate challenge： Cut the ‘gray carbon wedge of industrial emissions，” ACEEE， December 12， 2018， accessed September 11， 2023， https：//www.aceee.org/blog/2018/12/climate-challenge-cut-gray-carbon.

6.Roman J Dial， Gerard Q Ganey， S McKenzie Skiles， “What color should glacier algae be？ An ecological role for red carbon in the cryosphere，”FEMS Microbiology Ecology 94（2018）： fiy007， https：//doi.org/10.1093/femsec/fiy007.

7.Carlos M. Duarte， “To win the Race to Zero， we must reconnect with the ocean，” UNFCCC， June 8， 2021， accessed September 11， 2023， https：//climatechampions.unfccc.int/to-win-the-race-to-zero-we-must-reconnect-with-the-ocean/

8.Alpatent：《新型零碳能源技術——BECCS和DACCS》，2022年1月11日，https：//x.aipatent.com/detail/05af4570-72c1-11ec-8d61-7378539e3b55，访问日期：2023 年 9 月11 日。

作者单位：范佳佳，上海社会科学院信息研究所智慧城市研究室主任、副研究员、上海市人民政府发展研究中心与上海交通大学国际与公共事务学院联合培养博士后；陈钰什，New Energy Nexus气候金融科技特聘专家、中国环境科学学会碳达峰碳中和专委会委员；代杨，中电科大数据研究院有限公司工程师