海水變身吸碳神器？新創公司引領海洋碳捕獲技術革命，碳信用額度交易新藍海？

如果你在 Google 地圖上搜尋夏威夷的基阿霍爾角 (Keāhole Point)，將它置於螢幕中央，然後縮小直到可以看到地球的邊緣，有一件事會變得非常清楚：太平洋真的非常、非常大。 

幾個月後，在這座位於夏威夷大島的火山岬角上，海洋科技新創公司 Captura 將開始盡可能地將浩瀚的太平洋海水抽入其管道和儲罐中。該公司的計劃是通過電化學方式從海水中去除二氧化碳，儲存或利用這些二氧化碳，然後將水排回大海，在那裡海水會自然地從空氣中吸收更多的二氧化碳。 

Captura 是眾多將地球海洋視為可利用碳匯的新創公司之一。它所部署的生物工程策略旨在加速海洋已經在做的事情：大規模吸收碳排放。數百萬年來，這種自然過程幫助控制了大氣中的二氧化碳含量，但它無法跟上當今的工業排放量。目前已經開始了數十項現場試驗和先導測試項目，到 2025 年，Captura 和其他幾家公司將開始擴大其設施規模。

碳匯，簡單來說，就是可以吸收並儲存二氧化碳的「倉庫」。就像銀行一樣，可以把錢存進去，碳匯則是可以把二氧化碳儲存起來，減少大氣中的二氧化碳含量，進而減緩地球暖化。

他們的方法既大膽又多樣。一些團體正在海中種植海帶森林或微藻。另一些則建議在淺水層和深水層之間抽取海水來移動碳。其中兩種策略引起了 IEEE Spectrum 的關注——Captura 的海洋二氧化碳去除方法，即從海水中吸取碳，以及海洋鹼度增強法，即將碳儲存在海水中。這兩種方法都激發了新型高效電化學系統的工程設計，用於處理大量的海水。 

大型融資機構也支持這些想法。美國 1 億美元的 XPrize 碳去除獎和美國能源部 3500 萬美元的二氧化碳去除購買創新激勵獎的決賽入圍者都包括基於海洋的策略以及大氣策略。 

但是，海洋碳公司面臨的挑戰與這些公司的計劃一樣巨大。他們的大多數商業模式最終都依賴於在自願市場上銷售碳信用額度。而要銷售碳信用額度，他們必須量化他們導致海洋從空氣中吸收了多少二氧化碳。僅靠物理測量是無法做到這一點的；相反，他們必須依賴具有相當大不確定性的數值模型。 

最重要的是，需要進行大量的環境監測，以證明海洋碳去除策略不會危害水生生物。然後是規模問題。為了減少地球大氣中殘留的 1,000 多億噸過量二氧化碳，以及人類活動每年持續排放的幾十億噸二氧化碳，這些公司必須處理相當於聖經中描述的洪水般規模的海水量。 

「如果你想從海洋中去除 10 億噸二氧化碳，你可能每年都必須將大西洋上層幾公尺的水通過你的機器，」德國基爾 Geomar Helmholtz 海洋研究中心的生物地球化學建模負責人安德烈亞斯‧奧施利斯 (Andreas Oschlies) 說。「那是非常大量的水。但這並非不可能。」 

抱持著「並非不可能」的想法，世界各地的公司將在 2025 年付諸實踐。

Captura 如何從海洋中去除碳 

為了保持平衡，地球的海洋和大氣不斷交換二氧化碳氣體。在包括工業革命後的時代在內的大氣二氧化碳含量較高的時期，海洋吸收的二氧化碳更多。目前，海洋吸收了大約四分之一的碳排放量，陸地吸收了另外 30%，其餘的則留在大氣中，使地球變暖。 

許多團體已經開始執行使用直接空氣捕獲 (DAC) 系統從空氣中吸取二氧化碳的任務。這種能源密集型方法包括使環境空氣透過化學溶劑或過濾器，然後儲存或重複利用捕獲的碳。 

▲ 火山岩海灘工業園區的鳥瞰圖位於 Keāhole Point 的夏威夷海洋科技園區將成為 Captura 的下一個工廠的所在地，該工廠將從太平洋中去除約 10,000 噸 二氧化碳。

但是海洋中的二氧化碳濃度是空氣中的 150 倍。「利用海洋的優勢在於它已經在那里大規模地進行著這項工作，」Captura 位於加州帕薩迪納市的首席執行官史蒂夫‧奧爾德姆 (Steve Oldham) 說，他之前曾在 DAC 行業工作。 

在過去的一年中，Captura 一直在一艘退役的美國海軍駁船的籃球場大小的甲板上建造的先導測試工廠測試其策略。這艘駁船漂浮在洛杉磯港的一個舊區域，繫泊在一個廢棄的碼頭，海獅有時會造訪那裡。 

一百年前，這條狹窄的填海土地曾是水果和棉花箱的裝卸碼頭。現在，這裡有一長排大部分都破舊的倉庫，以及 Captura 的東道主 AltaSea 擁有的唯一一座最近翻新的倉庫。在水面上，北美最繁忙的港口的新碼頭停泊著巨大的國際貨船，這些貨船將集裝箱卸載成堆積如山的貨物。 

▲ 人們在駁船上的管道和船隻上工作Captura 透過開發更有效率的薄膜和改變膜疊層的幾何形狀，改進了商用電滲析設計。

Captura 的海洋學家蘇菲‧朱 (Sophie Chu) 和機械工程師艾瑞克‧馬克斯 (Eric Marks) 穿著繡有公司標誌的相同綠色 Polo 衫，帶領 Spectrum 參觀了他們的工廠。我們穿梭於駁船上擁擠的管道和儲罐之間，並在系統的一個關鍵部件前停了下來：一台客製的電滲析機。 

在將海水抽到船上後，當海水流經一系列離子選擇性膜時，這台機器會對其中一部分海水施加電壓。這會根據其組成離子的電荷化學地重新排列海水分子（氫、氧和氯化鈉），從而產生酸（鹽酸）和鹼（氫氧化鈉）。酸與海水中的溶解無機碳反應，將其轉化為溶解的二氧化碳，然後使用真空將其吸過氣液膜接觸器進行分離和捕獲。然後加入鹼以恢復水的鹼度，然後將其排回大海，在那裡它會在與大氣平衡的過程中自然地吸收更多的二氧化碳 [參見圖表「如何從海水中去除二氧化碳」]。

▲ Captura 正在從太平洋中去除二氧化碳，讓海水自然地從大氣中吸收更多二氧化碳。以下是具體方法：
1、一股經過過濾網過濾的海水被引入設施中。
2、約 0.5% 的海水被分流並進行預處理，生成軟化的鹽水。
3、軟化的鹽水通過電滲析裝置，該裝置施加電壓，利用帶電離子選擇性膜將鹽和水分解為其構成的離子，生成酸（鹽酸）和鹼（氫氧化鈉）流。
4、酸流被加入到原始 99.5% 的海水中，與其中的無機碳反應，將其轉化為溶解的二氧化碳。
5、為了提取溶解的二氧化碳，真空將海水通過氣液膜接觸器。
6、電滲析裝置產生的鹼流則被加入酸化且二氧化碳耗盡的海水中，以中和酸性。
7、二氧化碳耗盡的海水被釋放回海洋，進而能再次吸收大氣中的二氧化碳。

海水淡化廠通常使用電滲析系統。為了使其適用於碳捕獲，Captura 工程師通過開發可降低成本和能源使用的高性能膜，以及改變膜堆的幾何形狀，改進了商業設計。為了進一步降低能耗並使系統能夠使用間歇性可再生能源，Captura 將電滲析設計為在較短的時間內運行，例如在白天電力便宜或陽光充足的時候。 

Captura 位於洛杉磯港的先導測試工廠每年可以從海水中去除約 100 噸二氧化碳。該公司在夏威夷建造的新工廠將捕獲 10 倍的量——這是該公司可以明確量化的指標。

海洋碳捕獲中的問題和解決方案 

不容易量化的是，在將貧二氧化碳的廢水排回大海後會發生什麼。從理論上講，如果從海洋上層人工抽出 1,000 噸二氧化碳，海洋最終將從空氣中吸收 1,000 噸二氧化碳。發生的速度取決於洋流、溫度和風。 

朱女士說，平均而言，二氧化碳通過自然的海氣交換在上層海洋表面達到平衡需要大約一年的時間，此時海氣二氧化碳濃度差異很小。但她說，人工去除二氧化碳會造成更大的濃度差異，因此平衡過程可能會需要更長的時間。 

然而，通過足夠的物理測量來證明任何這些情況幾乎是不可能的，因為這需要費力地在廣闊的海洋中採集水樣，並將其帶回陸地上的實驗室。自動化將有所幫助。「理想情況下，我們希望將傳感器小型化，以便我們可以將其放置在海洋中的自主平台上，並在空間和時間上獲得大量數據，」加拿大哈利法克斯達爾豪斯大學的海洋學家卡佳‧芬內爾 (Katja Fennel) 說。 

這些傳感器將測量關鍵指標，例如鹼度、溶解無機碳、pH 值和二氧化碳分壓 (pCO2)，即二氧化碳在海水中施加的壓力，表明存在多少二氧化碳。芬內爾說，pH 值和 pCO2 的傳感器已經可以使用，公司正在為其他特性開發傳感器。 

與此同時，海洋碳公司必須依賴數值模型。[C]Worthy 的首席技術官艾麗西亞‧卡爾斯佩克 (Alicia Karspeck) 說，由大學研究人員開發的 ROMS（區域海洋建模系統）和國家大氣研究中心的 MARBL（海洋生物地球化學庫）已經使用了數十年，用於氣候和海洋的一般研究，並且可以進行改進以量化海洋二氧化碳的去除量。為此，卡爾斯佩克的組織正在構建軟體基礎設施，以幫助標準化和部署這些模型，並希望在 2025 年推出其第一個版本。來自物理測量的數據也將有助於改進建模。 

投資者或碳信用額度買家是否會接受建模預測而不是物理測量還有待觀察。然後是所有捕獲的二氧化碳如何處理的問題。它可以用於製造塑料或合成燃料，這可能會將其送回大氣中，或者可以將其永久封存在地下，但這很昂貴。奧爾德姆設想在退役的石油和天然氣平台上建造 Captura 工廠，利用現有的管道將捕獲的二氧化碳輸送到海底。 

在 Captura 位於夏威夷的工廠附近沒有碳封存設施，該工廠坐落在夏威夷海洋科學與技術園區的火山岩海灘上。因此，該公司希望與園區內的另一家租戶合作，利用捕獲的二氧化碳。

海洋儲存二氧化碳與鹼度增強 

為了消除運輸和封存捕獲的二氧化碳的挑戰，一些研究小組正在將海洋本身視為永久儲存的地方。這種方法稱為海洋鹼度增強，它不是吸取二氧化碳，而是從本質上加速了數十億年來一直在調節海洋 pH 值的酸鹼平衡行為。 

在這個稱為風化的地質過程中，大氣中的二氧化碳與陸地上的鹼性岩石反應形成碳酸氫根和碳酸根離子。雨水將這些離子和其他離子從岩石中帶入河流，最終匯入海洋。這增加了海洋的鹼度和 pH 值，減少了化石燃料排放造成的酸化，並將海水中溶解的無機碳的平衡轉向碳酸氫根和碳酸根離子。海洋生物化學家估計，以這些形式存在的碳可以被鎖定數千年。 

海洋鹼度增強繞過了風化過程，直接提高了海洋的鹼度。這種方法提高了水的 pH 值，將溶解的二氧化碳轉化為更穩定的碳酸氫根和碳酸根離子。這可以通过向海洋或海灘添加鹼性物質來實現。今年 7 月，Vesta 宣布已在北卡羅來納州達克海岸附近添加了 8,200 噸橄欖石砂。而總部位於新斯科舍省的 Planetary Technologies 則向海水中添加氫氧化鎂。該公司在 11 月宣布已去除 138 噸二氧化碳，並將碳信用額度出售給了 Shopify 和 Stripe。 

海洋鹼度增強也可以通過電化學方式實現。一年多來，Ebb Carbon 一直在華盛頓州塞基姆的太平洋西北國家實驗室的一個集裝箱大小的先導測試工廠測試這種策略。該工廠從塞基姆灣吸入鹽水，並將其通過電滲析機。當水通過最多 200 堆塗有催化劑的離子選擇性膜時，會施加電壓。這會選擇性地重新排列水中的離子，產生酸流（鹽酸）和鹼流（氫氧化鈉）。 

▲ Ebb Carbon 正在其位於舊金山南部的總部建造電滲析塔，該塔將用於提高海水的鹼度。該系統將部署到該公司位於華盛頓州安吉利斯港的名為 Project Macoma 的新的實驗工廠。

鹼性流被排回海洋，在那里它與海水混合。在那里，它將溶解的二氧化碳轉化為碳酸根和碳酸氫根離子，為空氣中的額外二氧化碳進入騰出空間。然而，酸流成為廢棄副產品，需要中和。 

Ebb 計劃在 2025 年建造第二家工廠，名為 Macoma 項目，該工廠估計每年可在華盛頓州的洛杉磯港吸收 500 噸二氧化碳。Ebb 的首席科學家兼聯合創始人馬修‧艾薩曼 (Matthew Eisaman) 表示，該公司的目標是最終將其系統並置在海水淡化廠和其他向海中排放鹽水的工業場所的後端。 

與 Captura 一樣，Ebb 也面臨著巨大的規模挑戰。艾薩曼估計，如果 Ebb 將其商業規模的系統安裝在地球上的每個海水淡化廠中，它每年將從大氣中吸收約 10 億噸二氧化碳。這是一個很大的數字，但它仍然只是每年排放的二氧化碳總量的一小部分。 

限制廢水流濃度的閾值可能會進一步限制 Ebb 等公司擴大規模的能力。Geomar 的奧施利斯說，過高的鹼度會擾亂生態系統，如果不能快速稀釋，會引起化學反應，導致石灰石自發沉澱，去除鹼度並將二氧化碳釋放到大氣中。「監管機構必須非常仔細地觀察這一點，」他說。 

此外，很難向公眾解釋海洋鹼度公司在做什麼，而不讓他們聽起來像是在向海里傾倒化學物質——這是一場等待發生的公共關係災難。

空氣捕獲與海洋儲存相遇 

加州大學洛杉磯分校的衍生公司 Equatic 設計了一種解決方案，可以避開其中的一些挑戰。它的系統結合了二氧化碳的直接空氣捕獲和海洋儲存，使 Equatic 能夠精確測量從空氣中吸收了多少二氧化碳。 

Equatic 的先導測試工廠就停泊在距離 Captura 幾公尺遠的駁船上，與其裝修精良的鄰居相比，Equatic 的先導測試工廠及其工程師散發出一種更具大學與海灘融合的氛圍。加州大學洛杉磯分校碳管理研究所首席工程師亞倫‧薩賓 (Aaron Sabin) 穿着夏威夷襯衫和漁夫帽，與穿着套頭衫的 Equatic 工程主管托馬斯‧特雷納 (Thomas Traynor) 一起帶領 Spectrum 參觀了工廠。 

▲ 在從洛杉磯港 Captura 工廠駛下的下一艘駁船上，Equatic 設計了一套將直接空氣捕獲二氣化碳與海洋儲存相結合的系統。 

Equatic 的系統從海中抽水，並通過電解槽將其分離成四種成分：液態酸流、液態鹼流、氫氣和氧氣。另外，該系統吸入含有二氧化碳的空氣。空氣與鹼流接觸，將二氧化碳轉化為碳酸氫根離子和固體碳酸鈣。 

酸流與岩石接觸以提高 pH 值，然後與鹼流混合。現在，幾乎與吸入系統中的化學成分相似的水被排放到海裡。作為額外的好處，副產物氫氣可以出售，這為公司提供了碳信用額度之外的額外收入來源。 

但是，用電解槽而不是電滲析來分解鹽水的問題在於，電解槽還會產生有毒的氯氣。（這就是為什麼用於制氫的電解槽幾乎總是分解純淨的無氯水。）Equatic 在 9 月份宣布，它已經開發出一種製造氧選擇性陽極和精細構建的催化劑的方法，這些催化劑不會與海水中的鹽發生反應。據该公司稱，這使得鹽水中的氯離子在電解過程中保持穩定，避免了氯氣的產生。 

Equatic 在洛杉磯和新加坡的先導測試工廠每天從空氣中去除約 100 公斤二氧化碳。正在新加坡建造的一個示範工廠將捕獲約 10,000 公斤二氧化碳。2025 年，Equatic 計劃與加拿大一家專注於碳去除項目的初創公司 Deep Sky 合作，在魁北克開始建造商業系統。該工廠將使用 300 台依靠水力和核能運行的電解槽，每天捕獲超過 300 噸二氧化碳，並生產 8,400 公斤氫氣。 

Equatic 和其他海洋碳公司引起了大型融資機構的關注。美國能源部在其二氧化碳去除獎的 24 名半決賽入圍者中選出了三名——Ebb、Equatic 和 Vycarb。XPrize 從其 20 名決賽入圍者中選出了四名——Captura、Ebb、Kelp Blue 和 Planetary，並計劃在 4 月份選出獲勝者。 

儘管這些獎項看起來像是競賽，但最終，要防止全球氣候危機，需要結合許多不同的策略。Captura 的海洋學家蘇菲·朱 (Sophie Chu) 表示：「碳的量足夠大家使用。」

她鼓勵各家公司合作，共同開發和應用各種碳捕獲技術。因為面對氣候變遷，需要發展多元的減碳策略，包括發展再生能源、提高能源效率、改變生活方式等等，而海洋碳捕獲技術只是其中一個環節。只要大家共同努力，就能找到足夠的解決方案，應對氣候變遷的挑戰。

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• 資料來源：spectrum.ieee.org