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题 目：Diverse carbon dioxide removal approaches could reduce impacts on the energy–water–land system
作 者：Jay Fuhrman, Candelaria Bergero, Maridee Weber, Seth Monteith, Frances M. Wang, Andres F. Clarens, Scott C. Doney, William Shobe & Haewon McJeon
期 刊：Nature Climate Change
时 间：2023.03.09
一作单位：Joint Global Change Research Institute, University of Maryland and Pacific Northwest National Laboratory, College Park, MD, USA
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41558-023-01604-9
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研究背景
IPCC的第六次评估报告发现，要将全球气温上升限制在1.5℃或远低于2℃，二氧化碳去除(CDR)将是不可避免的。许多国家的国家自主贡献和支持深度缓解战略都提到了植被和土壤中新的或持续的碳储存能力，但在具体的清除方法或定量细节上往往模糊不清。2020年，美国国会在其CDR的立法定义中确定了具有碳捕获和储存功能的生物能源(BECCS)、植树造林(AF)、具有碳储存功能的直接空气捕获(DACCS)、增强风化(EW)、土壤碳增强和具有碳储存的直接海洋捕获(DOCCS)。然而，尽管政策制定者对额外的CDR途径感兴趣，但大多数IAM研究仅包括CDR的土地密集型BECCS和AF，以及能源密集型DACCS。这阻碍了人们充分理解额外的CDR途径如何与其他形式的缓解措施一起做出贡献，以及它们对深度减排工作下的能源、水和土地系统的集体影响。
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研究结果
文章考虑了三种主要情景，其中(1)不适用气候政策，(2)二氧化碳排放量被限制，即在2100年将变暖限制在1.5°C以下，(3)情景2的1.5°C排放限制被应用，但技术和行为变化使GHG减排能够独立于碳政策。
在情景1中，温室气体总排放量继续增加，到2100年达到80 GtCO2e yr−1，导致2100年相对于工业化前水平变暖约3.5°C。在情景2和情景3中，二氧化碳排放量在2045年左右达到净零，但在本世纪的大部分时间里，所有温室气体的二氧化碳当量排放总量仍为净正。在情景2中，非二氧化碳温室气体占残余排放量的55%，在情景3中占60%。到2050年，总CDR在情景2中约为12 GtCO2yr-1，在情景3中约为10 GtCO2yr-1(图1a)。与情景2相比，情景3中对生物能源的假设限制降低了BECCS的份额，增加了DACCS和土地使用负排放的份额。
EW的CDR迅速扩大，到2050年达到约4 GtCO2 yr−1，此后保持相对稳定。到2050年，中国、美国、印度、巴西和欧盟15国的二氧化碳排放量都达到了每年数亿吨的规模，在墨西哥、印度尼西亚和撒哈拉以南非洲的部署规模较小(图1e)。2050年，在情景2中，生物炭的全球二氧化碳清除量达到300 MtCO2 yr−1；在情景3中，由于生物质供应的限制，生物炭的部署量较低，为200 MtCO2 yr−1。印度的生物炭部署量最大，到2050年达到每年数亿吨二氧化碳的规模，其次是西非、美国和东南亚，每年的二氧化碳清除量均为数千万吨(图1f)。由于海水淡化和碳去除之间分担成本和能源需求，DOCCS主要由与海水淡化厂配对的系统主导。因此，对脱盐水的需求将其DOCCS的去除潜力限制在10 MtCO2 yr−1以下，并将其部署限制在中东等预计对脱盐水有大量需求的地区(图1g)。
在情景1中，尽管全球可再生能源大幅增加，但石油、天然气和煤炭仍将主导一次能源消费。在2050年情景2中，煤炭、石油和天然气占一次能源需求的50%，在情景3中占35%。化石燃料使用量的减少减少了残余二氧化碳和非二氧化碳排放，这些排放必须在情景3中用CDR抵消。到2050年，BECCS占情景2中一次能源消耗的14%，占情景3中一次能源的7%。在情景2和情景3中，2050年DACCS、EW和DOCCS的天然气和电力合计约占最终能源总消耗的1%(图2a)。CDR部署对能源系统的影响在情景2和情景3中分布不均(图2b，c)。在情景2中，BECCS占中美洲、墨西哥和欧洲国家一次能源消费总量的20%以上。在南美洲东北部和巴西，CDR的电力和天然气占最终能源消耗的2%以上，在南美洲和中美洲、美国和中亚的其他地区占较小比例。情景3降低了BECCS在一次能源中的比例，但增加了CDR的消耗能源使用，使其在所有地区的最终能源中所占比例增加。
在情景2中，到2050年，生物能源农田将增长到280万平方米，森林面积保持相对稳定，约为3000万平方米。在情景3中，生物能源农田将扩大到60万平方米的较低水平，全球林地将扩大100万平方米。假设人口增长率较低和土地利用效率提高，情景3中的粮食生产用地比2015年的水平减少了100万平方米。情景3中生物能源耕地面积的减少是由于行为变化降低了生物燃料在缓解中的作用(图3a)。生物炭农田集中在印度和东南亚，因为这些地区已经有大片农田，气候温暖潮湿，施用生物炭时产量增幅最大。欧洲，北美中部平原、撒哈拉以南非洲和南美洲南锥体也有使用农田的大型投影生物炭。在情景2中，预计生物能源农田对北欧和东欧、美国南部大平原和南美东海岸的土地使用影响最大，所有这些地区至少有10%的土地面积用于生物能源作物种植。大多数地区的森林覆盖率保持相对恒定，但在北美、欧洲、俄罗斯和东南亚热带的一些温带和北方地区，森林覆盖率下降了1%至10%，热带中非、印度和巴西内陆的森林面积也有类似的增加(图3b–d)。
生物能源作物的灌溉在CDR部署的用水影响中占主导地位，在情景2中占全球消耗用水的3%。在情景3中，这一百分比约为1%，主要是由于生物能源和相关灌溉的假设限制。在这两种1.5°C的情况下，DOCCS与海水淡化相结合提供了高达70%的脱盐水需求，并且与无气候政策的情况相比，脱盐水总产量有所增加。之所以会出现这种情况，是因为碳去除补贴使该技术在财务上比未与DOCCS配对的海水淡化技术更具吸引力(图4a)。CDR推广对区域用水的影响是异质的，生物能源作物灌溉、BECCS冷却水和DACCS工艺用水占俄罗斯、美国、墨西哥和阿根廷消耗用水的10%以上(图第4b)。在干旱的西奈半岛和阿拉伯半岛、智利北部以及地中海和里海海岸，海水淡化水占总取水量的很大一部分(2-9%)(图4c)。
除情景2和情景3外，研究还评估了其他五种1.5°C情景的二氧化碳清除量和残余二氧化碳排放量，针对这些情景，研究限制了假设的成本改进或单个CDR途径的可用性，或社会为碳清除付费的意愿(图5a)。最后，将这些情景与AR6情景数据库中达到1.5°C世纪末温度目标的情景进行了比较50(图5b)。与情景3一样，生物量有限的情景增加了DACCS的部署。在包括这种方法在内的所有情况下，生物炭的清除量到2100年将达到每年数亿吨。
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编者按
研究结果表明，在足以将本世纪末的变暖限制在1.5°C以下的全球雄心下，一系列CDR方法各自产生了截然不同的清除量，从每年百万吨到十亿吨不等。为减少残余温室气体排放而进行的雄心勃勃的跨部门努力减少了但并没有消除CDR的要求。这在很大程度上是由非二氧化碳温室气体驱动的，因此，非二氧化碳温室气体是未来负排放要求的一个关键组成部分。
转自：“西农RE学术社”微信公众号
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