2025年1月，德国环境署发布《从大气中去除甲烷的技术方法》报告，系统分析了从大气中去除甲烷的技术方法的发展现状，探讨了甲烷减排的背景、技术手段、不确定性和风险，强调预防甲烷形成和减排的重要性，同时指出直接去除甲烷技术的未来潜在意义及面临的挑战。

一、背景

1、当前气候政策聚焦与其他温室气体的影响：当前气候政策主要围绕避免全球变暖超过 1.5°C 这一目标，通过减少温室气体排放来实现，其中二氧化碳是人为气候变化的主要贡献者，是减排重点。但甲烷、一氧化二氮和各种氟碳化合物等其他温室气体，因其高气候影响也不容忽视，同样是减排工作的对象。

2、现有减排措施的局限性：技术和社会经济措施在减少温室气体排放方面存在不足。一方面，这些措施可能不足以实现巴黎协定中 1.5°C 的温控目标，或无法快速实施到位；另一方面，部分减排策略成本高昂，且在一些领域，如农业，完全避免人为温室气体排放难以做到，会产生难以避免的残余排放。

3、二氧化碳去除技术的发展：鉴于现有减排措施的局限，近年来人们开始研究从大气中去除已排放二氧化碳的技术，即负排放技术（NET），如直接空气碳捕获与封存（DACCS）、生物能源与碳捕获和储存（BECCS）以及岩石加速风化等。这些二氧化碳去除（CDR）技术虽被视为应对难以避免的二氧化碳排放的补充手段，但因成本高、能源需求大以及存在技术和社会经济风险而颇具争议。

4、甲烷去除技术研究的兴起：受二氧化碳去除技术研究的启发，人们开始探讨从大气中去除甲烷的方法。与处理高浓度含甲烷废气的成熟技术不同，从大气中去除甲烷面临诸多难题，如甲烷在大气中浓度低、化学性质稳定、分离难度大，且其在大气中自然氧化为二氧化碳的平均停留时间约 12 年，这就要求甲烷去除技术必须比自然氧化过程更快才有效。

5、甲烷释放的潜在风险：全球变暖导致微生物对有机碳的分解增加，使得永久冻土和海洋沉积物中的甲烷可能额外释放。这些自然甲烷库目前已不稳定，一旦达到气候相关的临界点，大量甲烷将在短时间内不可逆地释放，形成气候反馈循环，加剧全球变暖，使大气中甲烷浓度急剧上升。

二、降低大气中甲烷浓度的方法

1、预防甲烷形成：主要通过技术措施和管理方法，防止生物过程在封闭系统外将生物质转化为甲烷，从源头控制甲烷的产生，这是一种较为主动的减排方式。

2、针对不同排放源的措施

人为点源：像钻孔、管道、工业工厂的泄漏处，煤矿、污水处理厂、牛棚和粪池等，这些排放源位置集中，甲烷浓度高。传统技术可用于减排，如预防泄漏，或收集甲烷并加以利用，也可通过燃烧进行热氧化处理。不过，现有甲烷热氧化技术仅适用于甲烷体积浓度超 5% 的情况，且这些技术只是减少排放，并非从大气中去除甲烷。

扩散性人为源：包括农业活动（如散养养殖、水稻种植）以及土地利用变化和不当管理引发的排放。其特点是环境中甲烷浓度低，技术控制难度大。减排措施侧重于减少致甲烷生成的过程，也有人考虑利用源附近相对较高的甲烷浓度实施技术缓解措施。

自然源：自然形成的甲烷库，如陆地永久冻土和海洋甲烷水合物，因人为影响（尤其是全球变暖）可能变得不稳定，进而大规模突然释放甲烷。目前，除了通过预防性气候保护避免相关区域升温，尚无有效预防甲烷释放的方案。

3、甲烷去除技术（研发阶段，TRL<5）

气相光催化氧化：利用羟基自由基，通过引入水蒸气或人工紫外线辐射刺激羟基自由基的光催化形成，以加速甲烷降解，但这些方法多处于设想或实验阶段，技术和配套基础设施远未成熟；氯介导的反应，向大气中引入氯或含氯化合物可加速甲烷氧化，但增加氯排放的影响复杂，需超过一定阈值才会显著降低甲烷浓度，且该方法存在诸多环境风险。

固体表面光催化氧化：使用如二氧化钛等光催化活性物质，需将其应用于多孔或蜂窝状载体材料以接触低浓度甲烷。太阳能上升气流塔可作为光反应器，但与光催化固体催化剂结合用于甲烷降解的效果尚未经测试，模型计算虽显示其有效性，但实际情况仍不确定。

吸附甲烷：纳米多孔沸石因吸附能力和选择性，可用于富集甲烷。铜掺杂沸石能在相对低温下将低浓度甲烷转化为二氧化碳，但该方法的具体技术可行性和成本尚不明确。

生物甲烷去除：某些甲烷氧化菌可代谢甲烷生成二氧化碳或甲醇，但该方法在大气甲烷浓度下效果不佳，需约 500ppm 的最佳浓度，通常在甲烷源附近才能实现 。

膜分离：目前该技术仅在高甲烷浓度下有效，不适用于大气中低浓度甲烷的分离。

三、去除大气中甲烷方法的不确定性和风险

1、甲烷去除对气候保护的有效性存疑：通过数值气候模拟可知，若选择合适模型参数，技术手段缩短甲烷温室效应停留时间，可减轻气候变暖。如 Jones 等学者计算得出，每年降低 2% 的甲烷浓度，到 2100 年能使温度降低约 0.5°C；Abernethy 等人的模型显示，每有效去除 1 千兆吨甲烷，全球表面温度平均降低 0.21±0.04°C，对流层（地面）臭氧浓度平均降低 1.0±0.2ppm。然而，模型计算结果因使用的模型场景不同而差异巨大。对于实际可行的甲烷去除量，远低于千兆吨范围时，模型计算表明其对大气温度无显著影响，部分场景下甚至在低于 1Pg 甲烷的去除量时，温度还会略有上升 。这意味着在现实中，当前的甲烷去除方法对缓解气候变暖的实际效果难以确定。

2、与二氧化碳去除（CDR）存在显著差异：从基础设施角度看，大气甲烷去除技术与 CDR 技术差别很大。CDR 技术，如 DACCS 或 BECCS，是从空气中捕获二氧化碳，并将其运输和存储在地质储层中。而甲烷去除技术大多是将甲烷在大气中通过各种中间步骤化学转化为对气候影响较小的二氧化碳，生成的二氧化碳会在大气中留存数万年，且很少有捕获和存储甲烷的计划。由于甲烷（2ppm）和二氧化碳（420ppm）在大气中的浓度差异巨大，将两者的捕获方法结合用于存储并不合理。但这两种温室气体的负排放技术，都需要大量的基础设施投入，才能对限制全球变暖产生显著效果 。

3、存在多种其他风险

对其他大气成分的影响：在甲烷光催化氧化过程中，使用羟基自由基会产生一系列问题。一方面，在对流层氧化甲烷时，若存在氮氧化物，会通过光化学过程形成地面臭氧。地面臭氧不仅是强效温室气体，在人口密集地区还是有害空气污染物，会引发呼吸道炎症、哮喘等健康问题，降低肺功能和身体机能。另一方面，随着全球甲烷排放增加，与甲烷的氧化反应更频繁，导致大气中羟基自由基的自然浓度降低，进而延长甲烷在大气中的半衰期，增强其气候影响 。

对气候的潜在影响：向大气中大量输入超过自然水平的水蒸气，根据输入类型和大气扩散动力学，可能会加剧全球变暖，因为水蒸气本身就是重要的温室气体。

使用氯的风险：以氯为原料去除甲烷会带来多种副作用。反应会生成甲基氯，它也是一种温室气体，虽效力比甲烷弱；还会释放副产物氯化氢（HCl），导致酸雨。游离氯原子会引发平流层臭氧消耗，破坏臭氧层，形成极地臭氧空洞。历史上，为保护臭氧层，《蒙特利尔议定书》成功阻止了氯氟烃（CFCs）等含氯物质的排放，而大规模为去除甲烷释放氯，可能破坏这一成果。此外，氯是剧毒且高反应性气体，运输和使用过程中的事故会严重影响健康和环境，在人口密集地区应用不可取，虽考虑在偏远地区（如海洋）使用，但无法排除其被风输送到人口密集地区的风险。而且，使用氯作为去除甲烷的材料，会大幅增加对氯的需求，由于氯目前是氢氧化钠生产的副产品，这意味着需要创建额外的氯生产能力，从而大幅增加氯生产所需的能源 。

四、结论

1、技术发展阶段及应用可行性：目前从大气中直接去除甲烷的技术尚处于早期开发阶段，多数处于概念构想（技术成熟度等级 TRL 为 1 或 2）或实验室小规模实验（TRL 3 - 4）阶段。尽管部分技术组件在其他领域有应用（如上升气流发电厂），但整体的甲烷去除技术体系距离实际应用还有很大差距（TRL 6 - 7 为可进行试验的阶段）。

2、对气候保护的贡献存疑：由于甲烷去除技术进一步研发和扩大规模所需时间较长，在可预见的未来，它们对气候保护的实际贡献存在不确定性。现有的减排技术主要适用于甲烷浓度远高于大气平均浓度（约 2ppm）的情况，对于大气中低浓度的甲烷，缺乏成熟有效的去除技术。

3、成本估算困难：鉴于甲烷去除技术的低成熟度，对其每吨甲烷去除成本的估算充满不确定性。有研究推测，由于甲烷在大气中的高度稀释状态，其去除成本可能显著高于二氧化碳的去除成本。这使得在经济层面评估这些技术的可行性变得复杂，也限制了相关技术的推广和应用。

4、社会经济影响和接受度不明：大气中甲烷去除的地球工程方法在社会经济方面的影响尚未明确，社会对这些方法的接受程度也有待研究。

5、技术应用存在风险：当前讨论的地球工程方法存在显著风险，如释放大量氯或其他化学物质形成光催化活性自由基，以及向大气中释放大量水蒸气等，可能带来生态和健康方面的副作用，但这些影响的具体程度和范围尚不确定。

6、当前优先策略：考虑到以上种种因素，目前更为可行的做法是大规模、持续地采用预防甲烷形成和减少排放的措施，因为这些措施技术成熟度高，可立即实施。从技术和经济角度看，在源头阻止甲烷释放比事后从大气中去除更为合理。

7、未来展望：在全球变暖加剧、现有减排努力失败，导致陆地（永久冻土）和海洋（甲烷水合物）中的甲烷大量释放的极端情况下，直接从大气中去除甲烷的技术可能变得至关重要。然而，目前难以预测这些技术能否及时发展并实现全球范围内的大规模应用，以应对甲烷浓度的持续上升。因此，当前通过预防性气候保护措施减少温室气体排放，避免全球变暖达到危险的临界点，仍然是应对气候变化的关键策略。