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应对气候变化, 保护地球未来

2015 年, 联合国制定了 17 项可持续发展目标（SDG）, 供所有成员国采纳, 以改善全球整体生活质量并保护环境。SDG 13——气候行动, 便是其中之一。它要求所有国家"采取紧急行动, 应对气候变化及其影响"。因此, SDG 13 旨在帮助各国做好准备, 应对气候变化以及随之而来的自然灾害。SDG 13 设定了多个具体目标, 以帮助人类在 2030 年将二氧化碳 (CO₂) 排放量减少 45%, 并到 2050 年实现净零排放。这些目标包括对人们进行气候变化教育、筹集资金支持发展中国家应对气候变化影响, 以及确保所有国家制定计划保护其人民免受气候灾害。SDG 13 与 SDG 7（经济适用的清洁能源）和 SDG 11 （可持续城市与社区）相关联[1]。为了应对气候变化, 我们需要使用清洁能源并减少污染。许多人仍然使用化石燃料（例如煤、石油和天然气）, 因为它们便宜, 但会释放大量温室气体。如果我们找到成本相对低廉的清洁能源替代品, 化石燃料需求就会减少, 这意味着更清洁的空气、更少的污染、更健康的环境以及更小的气候变化。但什么是气候变化, 它又从何而来呢？

我们如何走到这一步, 为何需要改变

在人类历史的大部分时间里, 我们使用简单的工具, 并依赖火和风等基本能源形式。然而, 大约 200 年前, 人类社会经历了一次重大变革——工业革命。人们发明了机器来更高效地完成工作, 这带来了巨大的进步, 例如技术和交通运输的发展。然而, 这些机器通过燃烧化石燃料运转, 会将二氧化碳释放到大气中, 滞留的二氧化碳会使地球温度升高, 这就是众所周知的"温室效应"。如果不加以扭转, 温室效应将以各种不良方式改变气候, 从长期温度升高到飓风、干旱、洪水和海平面上升等极端天气事件。我们甚至可能看到北极出现热浪, 或热带气温降到零度以下。全球变暖还可能导致一些动植物灭绝。

科学在实现 SDG 13 中发挥着重要作用。例如, 科学家可以根据气象资料创建气候模型来预测自然灾害。但科学最大的贡献在于寻找产生清洁能源的新方法。科学家们现在已经知道, 脱碳——即减少释放到空气中的二氧化碳量——可能会扭转气候变化。

探索新能源

有没有好奇过, 我们的地球内部是什么样子, 脚下深处究竟藏着什么？首先, 地球是分层的。它由中心非常炽热的地核、包裹地核的地幔以及我们所有人赖以生存的地壳组成。地壳是地球的表面薄层, 在里面可以找到像黄金、钻石、石油和天然气这样的珍贵宝藏（图 1）。地壳由不同类型的岩石构成, 这些岩石内部有微小的通道和孔隙, 就像蚁穴一样。大多数人很少关注地球表面之下是什么, 但我们正在探索它如何帮助人类应对气候变化并生产清洁能源。我们常听到太阳能和风能等化石燃料替代品, 但你知道吗？地下深处还蕴藏着巨大的热能等待被提取。我们脚下的深层岩石可为人类的能源需求提供解决方案, 并减少大气中的二氧化碳。

科学家们正在开发解决方案, 从空气中捕获二氧化碳并将其安全地封存于地下, 从而有效且永久地清除有害排放。地壳岩石中的微小孔隙和通道可能比头发丝还细, 但其数量却高达数十亿。它们组合在一起, 构成巨大的空间, 大到足以轻松容纳工业排放的所有二氧化碳[2]。因此, 我们可将二氧化碳注入地下深处的这些孔隙中封存起来, 防止其逃逸回地表。

不过, 这些二氧化碳如何产生能源呢？不妨把地球想象成一个烤土豆, 内部充满浓稠的热黄油, 外面裹着一层铝箔（地壳）。地核的具体温度尚不明确, 但据信约为 6000^∘C, 这比我们厨房烤箱的最高温度还要高 30 倍[3]！当然, 越靠近地壳, 温度越低。尽管如此, 我们仍然可以利用流体（通常是水）从炽热的岩石中提取这部分热能, 并将其作为一种名叫地热能的可再生能源输送到地表。

科学家们提出了一项名为CO₂ 羽流地热(CPG) 的新技术, 可将封存在地下的二氧化碳输送回地表, 以提取地球热量并发电。

从问题到解决方案

我们在阿卜杜拉国王科技大学开展的研究旨在探明如何使 CPG 技术变得经济可行。这种方法通过深井将二氧化碳泵入地下深处的热岩层, 那里的温度可达到 150–250°C [4]。二氧化碳在流经岩石孔隙和通道时会被加热, 然后到达另一口井, 作为热流体被泵回地表。我们提取其蕴含的地热能量用于发电, 产生的电力可供出售。冷却后的二氧化碳返回地下, 循环由此周而复始（图 2）。这是一个绝妙的方案, 因为地下封存二氧化碳的最大挑战之一是钻深井的高昂成本。这种一举两得的方法让我们可出售产生的清洁能源, 从而降低二氧化碳封存的成本！

要有效运用 CPG 技术, 选择合适的地下位置并理解二氧化碳在地下如何流动至关重要。我们团队在 KAUST 的研究表明, 以这种一举两得的方式使用二氧化碳是可行的, 既能让我们从大气中清除二氧化碳, 又能创造一种经济有效的方式来应对气候变化, 支持清洁能源的未来（图 3）[5]。

在我们的研究地点, CPG 技术平均每年可产生约 164 兆瓦的电力[5], 足以每天为数千户家庭供电, 或相当于约 2300 辆电动汽车的用电量！此外, 我们的计算表明, 这种清洁能源系统具有价格竞争力:其发电平均成本约为每兆瓦时 77 美元——比核能发电便宜, 与风能、太阳能或抽水蓄能发电的成本大致持平[5]。

另一个令人振奋的方面是这种方法能够封存的二氧化碳量。CPG 系统可以在 11.5 年内封存约 11.5 亿吨二氧化碳[5], 这大约相当于 2.3 亿辆汽车一年的排放量。如果将这些汽车首尾相连, 它们可以绕地球近 30 圈！在地下安全地封存如此巨量的二氧化碳, 将是应对气候变化的颠覆性变革。希望我们的地质学家能找到更多地下场所, 以这种方式封存和利用二氧化碳。

总结

通过这篇文章, 我们了解到能源对社会至关重要, 但目前依赖的能源来源对环境有害, 因为它们导致气候变化。SDG 13 旨在寻找清洁能源, 以减少大气中积聚的二氧化碳。通过捕获二氧化碳并将其注入地下高温岩层, 我们将这种有害气体转化为可再生能源。这种一举两得的方法既减缓全球变暖, 又支持可持续的能源未来。二氧化碳从单纯的问题变成了解决方案的一部分。然而, 尽管这是向前迈出的一大步, 要让这种方法真正实现应用, 仍有许多工作要做。此外, 地热能不应成为我们未来唯一使用的可再生能源——我们需要所有可用的解决方案来应对气候变化。事实上, 你们都可以尽自己的一份力！在家中或学校节约能源（比如随手关灯）、学习和分享关于气候变化的知识, 以及鼓励所在社区使用可再生能源来支持 SDG 13。即使是微小的行动, 也能为创造一个更健康的地球添砖加瓦！

术语表

二氧化碳(CO₂) (Carbon Dioxide (CO₂)): ↑ 燃烧化石燃料释放的一种气体, 可在大气中捕获热量, 导致地球变暖并引发气候变化。

净零排放 (Net Zero): ↑ 大气中温室气体的增加量与清除量达到平衡的状态。

清洁能源 (Clean Energy): ↑ 可再生、零排放、使用时不会污染大气的能源, 以及通过节能措施节约的能源。

化石燃料 (Fossil Fuels): ↑ 在地下由死去的生物和植物遗骸经过数百万年形成的天然燃料, 例如煤、石油或天然气。

温室气体(GHG) (Greenhouse Gases (GHGS)): ↑ 大气中能够捕获热量从而升高地表温度的气体。

脱碳 (Decarbonization): ↑ 减少释放到空气中的二氧化碳量的过程, 具体手段通常为使用清洁能源并捕获部分已排放的二氧化碳。

地热能 (Geothermal Energy): ↑ 由地球内部储存的自然热量产生的能量, 是一种清洁且可再生的能源。

CO₂ 羽流地热 (CPG) (CO₂-plume Geothermal (CPG)): ↑ 一种利用二氧化碳在地下热岩中加热并发电以产生清洁能源的方法。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

谨向阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的 Ruben Costa 与 Nicki Talbot 致以诚挚谢意, 感谢他们在本文初期撰写与审校阶段提供的宝贵支持, 本系列的完成离不开他们的专业贡献。我们同时向 KAUST 可持续发展办公室与联合国开发计划署沙特阿拉伯国家办公室表示谢意, 感谢他们始终致力于提升公众对联合国可持续发展目标（SDG）的认知, 共同推动世界走向更可持续的未来。

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