我们能把二氧化碳这种造成全球变暖的废气转化成有价值的原料吗?这个问题最早出现在20世纪70年代的石油危机中，当时人们正在寻找稀缺石油的替代品。

这一想法在循环经济思想的浪潮中重新出现，这是由于对气候的担忧引发的，并旨在激励碳捕获。但对二氧化碳利用的看法在怀疑和热情之间摇摆不定。

新的方法不断出现。“避免二氧化碳”、“去除二氧化碳”或“减少二氧化碳排放”的说法很容易被混淆，企业和政府开始投资各种候选技术，却没有掌握全局。

在《自然》杂志的新视角下，我们开始确定二氧化碳的利用是什么，它与二氧化碳的去除和减排有何关系，以及这些技术是否有利可图或可扩展。

作为一个团队，我们代表着经济学家、工程师、化学家、土壤科学家和气候模型学家——对利用的所有观点。我们的研究是迄今为止关于二氧化碳不同使用方式的相对规模和成本方面最全面的。

1.什么是CO2利用？

传统上，“CO2利用”是一种工业过程，利用浓度大于大气水平的CO2生产具有经济价值的产品。CO2要么通过化学反应转化为材料、化学品和燃料，要么直接用于提高石油采收率等过程。

这一定义有其历史原因，但并不是唯一一种CO2利用方式。很长一段时间以来，人们也一直在思考如何利用天然碳（植物从大气CO2中提取的碳）作为原料来生产有价值的产品。使用CO2的技术，如土壤固碳，通过其提高作物产量的能力，也可以制造经济产品。

在我们的论文中研究了10种具体的CO2利用途径，并根据碳在地球周围流动的容易程度和最终的去向来进行分类，如图1所示。

图1中紫色箭头代表“开放的”的利用途径，它们将CO2封存在泄漏的自然系统中，比如森林，这些系统可以很快地从碳汇转为碳源。红色箭头代表建筑材料等“封闭的”路径，这是一种可提供近乎永久CO2封存的方式。黄色箭头代表“循环”利用，例如以CO2为基础的燃料，在短时间内将碳转移。

图1.人类和自然世界的CO2存量和净流量（大的淡蓝色箭头），10条编号表示潜在的利用和碳去除途径。（Hepburn等，年）。

2.CO2利用将如何帮助缓解气候变化？

图1中的所有十种CO2利用途径都提供了某种经济动机，以及某种程度的气候缓解潜力。

CO2的利用主要有两种方式：清除和长期储存大气中的CO2；以及减少CO2排放到大气中。利用CO2生产有价值的产品也有可能抵消缓解气候变化的一些成本。

我们的估计显示，在最高端，每年可以利用多亿吨二氧化碳(GtCO2)，而全球的排放量是40亿吨CO2，每吨成本不到美元。

大部分的利用都与在开放和封闭的路径中进行中期或长期储存有关。然而，在实现如此大规模的利用之前，还有几个问题和挑战需要克服。

此外，即使CO2利用成功，也不一定意味着它对气候有利。如果没有充分的考虑，CO2利用——与其他清除和/或封存CO2的方法一样——可能根本无助于缓解气候变化。

可能的问题不仅包括直接的CO2排放，还包括其他温室气体排放、直接和间接的土地利用变化、过程其他部分的排放、泄漏、以及无规律排放。

由于这些问题，CO2利用技术的实施是否有利于气候将取决于一系列因素。其中最重要的是：

能源：CO2利用技术可能是能源密集型的。这种能源需要可再生，要么直接来自太阳，要么通过可再生技术。

更广泛的脱碳背景：其中一些技术仅在全球脱碳过程的某些阶段作为缓解策略才有意义。例如，在能源和运输系统脱碳之前，可以在短期内使用强化驱油来封存CO2。

规模：为了对全球CO2流量产生显著影响，路径需要具有快速扩展的潜力。气候行动的窗口很小，在需要的时间内建立一个全新的CO2利用产业是一个不小的挑战。

永久性：最具影响力的技术将是永久性地去除大气中的CO2，或永久性地取代CO2排放的技术。

3.10条途径及其前景

下面，我们比较了不同CO2利用途径的潜在规模和成本。总体而言，CO2利用具有大规模低成本运营的潜力，这意味着它在未来可能会成为一项大业务。

（1）CO2化学品

到年，使用催化剂和化学反应来制造产品，如甲醇、尿素（用作肥料）或聚合物（用作建筑物或汽车的耐用产品），将CO2减少到其组成成分，每年可利用0.3-0.6GtCO2，成本在每吨CO美元到美元之间。

（2）CO2燃料

将氢气与CO2结合起来生产碳氢燃料，包括甲醇、合成燃料和合成气，可以解决一个巨大的市场，比如在现有的交通基础设施中进行利用，但目前的成本很高。到年，CO2燃料每年可利用1-4.2GtCO2，但成本高达每吨CO美元。

（3）微藻

多年来，利用微藻高效固定CO2，然后将生物质加工成燃料和高价值化学品等一直是研究工作的重点。由于生产经济复杂，每吨CO2的成本在美元到美元之间，年的利用率可能为每年0.2-0.9GtCO2。

（4）混凝土建筑材料

CO2可用于“固化”水泥，或用于制造骨料。这样做会长期储存一些CO2，并可能取代排放密集的传统水泥。虽然随着全球城市化进程的加快，但同时也面临监管环境的挑战，我们估计年的利用率和储存潜力为0.1-1.4GtCO2，目前每吨CO2的成本在-30美元到70美元之间。

（5）CO2提高原油采收率（EOR）

向油井注入CO2可以增加石油产量。通常情况下，运营商会最大限度地利用从油井中回收的石油和CO2，但关键的是，要坚持长期开展CO2-EOR，以便注入和封存的CO2比最终石油产品消耗的CO2更多。我们估计，到年，每年可以以这种方式利用和储存0.1-1.8GtCO2，成本在每吨CO2-60美元到-40美元之间。

（6）生物质能源碳捕集和封存（BECCS）

在生物能源碳捕集中，运营商通过种植树木捕集CO2，通过生物能源发电，并封存由此产生的CO2排放。根据电力收入的粗略估算，我们估计每吨CO2的利用成本在60美元到美元之间。到年，每年大约有0.5-5GtCO2可以通过这种方式利用和封存。这低于之前公布的一些BECCS估算值，代表了一个与其他可持续性目标相关的部署水平。

（7）增强风化

破碎岩石，如玄武岩，并将其散布在陆地上，会导致大气中的CO2加速形成稳定的碳酸盐。在农田上这样做可能会提高产量。然而，由于这一途径还处于非常早期的阶段，我们还没有对其进行年的估计

（8）森林

来自新森林和现有森林的木材都是一种具有经济价值的产品，可能会在建筑物中封存CO2，从而取代水泥的使用。我们估计，到年，通过这种方式最多可以利用1.5GtCO2，成本在每吨CO2在40美元到10美元之间。

（9）土壤固碳

土壤固碳的土地管理技术不仅可以将CO2储存在土壤中，还可以提高农业产量。我们估计，在年，以增加产量的形式使用的CO2可能高达每年0.9至1.9GtCO2，成本为每吨CO2在90美元至-20美元。

（10）生物炭

生物炭是“热解”的生物质：在低氧环境下高温燃烧的植物材料。在农业土壤中使用生物炭有可能提高作物产量10%——但很难做出一致的产品或预测土壤反应。我们估计，年，生物炭可以利用0.2到1GtCO2，成本约为每吨CO2在65美元。

4.总体潜力

图2显示了每个路径可使用的CO2量（每列的宽度）和相关的盈亏平衡成本（列的高度）的估计值。

低情景（左图）和高情景（右图）反映了到年投资、吸收和技术进步水平所决定的结果范围。底纹指的是技术成熟度，从低或可变（浅色调）到高（深色调）。星号指的是CO2封存的持续时间，从几天或几个月（单星号）到几个世纪或更多（三星号）。

图2.低（左）和高（右）情景下不同路径的CO2利用潜力（年的GtCO2）和盈亏平衡成本（美元/吨）。灰色的传统路径是工业利用方法；绿色的非传统途径是生物利用途径。TRL指的是技术准备水平，范围在1到9之间。SCS是土壤固碳；EOR是提高原油采收率；BECCS是具有碳捕集功能的生物能源；DME是二甲醚（一种CO2燃料）。随着研发的进步，这些成本和规模潜力可能会发生重大变化（Hepburn等，年）。

上图显示，到年，CO2的利用可能会产生大量的CO2流动，而且一些途径本身有望盈利。我们认为，这可能是一个利用这些资金流缓解气候变化的机会。

然而，这些图表也强调了这一潜力的规模以及挖掘这一潜力的可能成本的巨大不确定性。为了在对抗气候变化的斗争中成功地利用CO2，这些不确定性必须与潜在的挑战一起解决，其中能源强度和碳封存的持久性只是两个问题。