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根據國際能源署 (International Energy Agency) 的數據，2020年全球二氧化碳 (CO2) 排放總量為339億噸。Blunden and Arndt (2019)指出全球大氣CO2濃度從工業革命前280 ppm已成長到2018年的407 ppm，比人類歷史上任何時候都高。同時，過去十年觀察到的CO2濃度增長率，約比自然增長率快100倍，導致增強的溫室效應大大提高了全球平均溫度，進而影響氣候、生態和社會系統。這種氣候變遷不可逆的絕望感，不免令人將整個情況往壞的地方想 (⊙_⊙;)，淨零排碳等問題也再次的浮出檯面被大家所討論。因此，各國正陸續研擬各式解決方案 (圖1)，期望在確保能源需求的同時，能顯著且持續的減少進入大氣的CO2淨流量 (Williams et al., 2021)，並將人為變暖限制在1.5 ~ 2°C。
樹木和植被不是淨零排放 (Negative emissions technologies, NETs) 的唯一形式 (Tapia, 2021)，如圖2所示 ，還能透過生物炭、基於生物能的碳捕獲和儲存 (Bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)、藍碳 (Blue carbon) 棲息地的復育、使用生質材料、鹼化雲或海洋、直接空氣捕獲 (Direct air capture, DAC)、提高海洋生產力、增強風化及土壤碳固存等方法皆能吸收CO2。
其中，BECCS能以最低的成本吸收大量 CO2，被廣泛視為負排放技術。其透過燃燒生物質獲得電力，再將產生的CO2隔離到地下。生物質於成長時已使CO2離開大氣層，同時對發電廠進行碳捕捉及儲存 (carbon capture and storage, CCS)，而產生「雙重收益」以實現凈負排放。反之，DAC為淨零方法中最有潛力的一種方法，但其為昂貴且耗能的負排放技術 (Fuss et al., 2014)。
世界最大DAC工廠於2021年9月8日開始運行。瑞士初創公司Climeworks AG與冰島碳儲存公司Carbfix合作，透過附近地熱發電廠提供的乾淨能源動力，開發一座每年可吸收4,000噸CO2的DAC工廠 (圖3)，其捕獲能力相當於790輛汽車一年的排放量。
要使Carbfix發揮作用，需要滿足三個要求：有利於固碳的岩層、水和CO2 (圖4)。
Carbfix模仿自然界固碳行為並加速這些自然過程，將CO2溶解在水中，使其變成一種『碳酸水/氣泡水 (sparkling water)』，並注入地下與活性岩層 (石灰層) 作用，形成穩定的礦物，提供永久和安全的碳匯。
氣泡水是酸性的，溶入水的碳越多酸性越強，更容易與地下岩層發生反應，並將鈣、鎂和鐵等可用的礦物質釋放。隨著大約2年的自然轉化過程，這些金屬元素與溶解的CO2結合在一起形成碳酸鹽填充岩層內的空隙，最後形成碳酸鹽礦物以達到碳固化的目的。
此外，注入的氣泡水在地質構造中之密度比周圍的水大，能更容易滲入高度斷裂和多孔地層中相互連接的裂縫和空隙。這相較於傳統依賴『蓋岩』來防止氣態CO2洩漏的碳捕獲和儲存方法更為安定。接著Carbfix透過取樣附近的油井中的示蹤劑證實CO2的成功礦化，進而評估CO2品質及量化其礦化程度。而這些碳酸鹽能至少穩定數千年，被視為永久儲存。
然而，DAC仍然是一項新興且成本高昂的技術，但隨著環保意識的抬頭，在減少碳足跡的目標下，更多的機構投入資金以降低DAC研發成本。根據國際能源機構的數據，目前全球有15家DAC工廠，每年捕獲超過9000噸CO2。而目前美國西方石油公司 (Occidental Petroleum Corp.) 正在開發史上規模最大的DAC設施，將在2022年開始每年從德克薩斯州油田捕集100萬噸CO2！
相較於DAC，工研院綠能與環境研究所的團隊，在經濟部能源局補助計畫的支持，研發了新型鈣迴路技術以捕獲工業廢氣中CO2，此技術已於台泥花蓮和平水泥廠實地建置，為規模最大的鈣迴路試驗廠。透過氧化鈣作為吸收劑，從排放源頭直接捕捉CO2形成碳酸鈣，再經高溫分解為氧化鈣與高純度CO2，最後將氧化鈣作為生產水泥的原料回送水泥廠。此技術每小時可捕獲1公噸的CO2，達成工廠零排放，榮獲全球百大科技研發獎（R&D 100 Awards）。
鈣迴路捕獲的高純度CO2透過工研院研發約2公尺高的半透明柱狀光合反應器 (圖5) 進行微藻培養。經過工研院對「戶外微藻固碳系統」及「高單價微藻培養」2個題目進行研究，1公斤微藻能吸收1.83公斤CO2，利用效率約為樹木的300倍。這些藻類不但能有效吸收水泥廠的CO2，又可將藻類的蝦紅素、DHA商品化、創造其後續產值 (圖6)！
Blunden, J., & Arndt, D. S. (2019). State of the Climate in 2018. Bulletin of the American Meteorological Society, 100(9), Si-S306.
Brander, M., Ascui, F., Scott, V., & Tett, S. (2021). Carbon accounting for negative emissions technologies. Climate Policy, 21(5), 699-717.
Fuss, S., Canadell, J. G., Peters, G. P., Tavoni, M., Andrew, R. M., Ciais, P., & Yamagata, Y. (2014). Betting on negative emissions. Nature climate change, 4(10), 850-853.
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