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「樂活」還是「垃活」?

PanSci_96
・2013/01/29 ・5341字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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文字紀錄:吳秉昱(臺灣科技大學管理學士大三,PanSci活動志工)
影像紀錄:葉人瑋(臺灣科技大學電機所博士生,PanSci活動志工)

「生態…綠…?」我盯著電腦螢幕上的奇怪名字,『原來這是一間咖啡館啊…』靜靜地疑惑著,「咖啡館怎麼不是棕色,而是綠色呢?」我在搜尋網頁中鍵入它令人好奇的名字,發現原來這是一間推行公平貿易的咖啡館。

騎著小50cc機車,奔馳在台北市的街頭。路旁隨處可見的垃圾桶,在丟垃圾這回事變容易後,「垃圾量是不是又增加了呢?」前往活動地點的路上我思索著。

樂活?垃活?樂造成了垃,垃影響了樂。兩個同音字,無法輕易分割。

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迎面而來的公平貿易咖啡香、溫暖的環保燈泡鵝黃光,帶我們走入生態環保與我們的拉鋸戰。


附註:『雙引號』內為兩位講者所言。 「單引號」內為文字紀錄者所思。

講者一:余宛如(Karen)

【生態綠】咖啡館經營者

主題:公平貿易

三公尺高的地下室,擺放著數十張椅子。有種未經萃取的咖啡香,自身旁數十個裝著未焙豆的麻袋靜靜飄出。她是第一位講者,余宛如(Karen),也是【生態綠】咖啡館的經營者。Karen充滿活力的聲音,自焊著重金屬電路板的麥克風中傳出,注意力很快被吸引住。

 

『我想將一些迷思,透過這次機會跟大家釐清』Karen說。

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『為什麼棉花都要種白的?』我們被問道。

答案:因為容易再染色,後續加工成本較便宜。『當大家都要便宜的東西時,物種的多樣性便可能因此消失了。』

接著Karen為我們釐清一些迷思,『消費是很有力量的!』這是她分享給我們的哲學,以消費監督生產。

 

計算食物里程可以救地球?在地消費可以減少碳里程嗎?

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→運輸占「產地到餐桌」流程耗能25%,最大宗的則是保存,占七成。

飲食習慣沒有變更,總體耗能仍然高,例如肉類生產過程較蔬果為高。

在地農夫使用石化肥料,碳排放也仍然高於運輸遠距的有機蔬果。

「那咖啡呢?」

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→國外小農不用農藥、並用海運來台灣的咖啡,較國內使用農藥(高耗能石化產品)的咖啡,碳排放量來得較低。

 

碳排放也引發了不少問題,例如:溫室效應,造成氣候變異與農產量減少。發展中國家的農民與貧困者,是最倒楣的一群。雨季變得更加集中且更短期,需要雨水的在地植物漸漸消失,造成中部非洲的飢荒。

不少人聽過80/20法則※1,在「溫室效應誰該負責呢?」這問題上同樣適用。已開發國家人數只占全球人口的二成,但這二成卻創造了全球將近八成的碳排放,甚至光是北美洲便排出了全球28%的碳量(2010)。

有些已開發國家,還會將原先應屬自己的碳排放量「送」出去,例如移轉工廠至其他國家。『中國驟增的這些碳排放量,其中7%至14%,是為供應美國的消費市場。』我們可以說,美國把自己的外部成本※2移轉出去。他們少了成本,也失了正義。

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我們能做的其中一件事,便是幫助這些農民對抗氣候變遷,避免造成「當代飢荒」的幫兇。當代飢荒?簡單地說,農民們靠出口經濟作物過活,若經濟作物賤價,他們的收入甚至少到不足以購買食物,這種飢荒的成因是人為的。

也許有人想問,「這些農民可以不要出口嗎?」但許多貧窮國家唯一可以創造外匯收入的方式,便是出口農產品,而非種植食物作物。當我們願意付出較多在經濟作物上,他們反而能有較高收入可選擇種植食物。

全球六百多個公平貿易團體,便是在支持這樣子的事情。

「公平貿易不就是賣更貴的產品而已嗎?」有人如此想著。

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但疑惑瞬間被說明。

公平貿易能夠調整社會上的權力結構。合作社的民主運作方式,使得注重人權的消費者,透過獎勵性質的工資,能夠以實際的行動,支持合乎工作權益、女性權益的地區或農莊。

公平貿易並非期待控制價格。反而在保護當地的最低工資,以較為透明與審議※3的方式,就像個保護網一樣保護著農民。工資合理化的過程中,一併帶動改善環境。推展減少農藥、發展農作整合※4等。

 

Karen舉了一個例子:巴西堅果樹只生長在原始熱帶雨林,無法人工繁殖。

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為了生計與填飽肚子,農民砍伐掉沒經濟價值的樹,大量的雨林消失,被置換為一片片的工廠、一條條的公路。咖啡園、可可園、香蕉園、橡膠園快速出現……物種多樣性正在快速減少,以換得經濟發展。

公平貿易組織進入此地區,幫助當地改以巴西堅果樹做為經濟來源。他們開發了數款產品,讓居民不須開發雨林也能自足。

 

這些邊緣的聲音,需要多久才會被聽到呢?而我們又可以做什麼?

『希望大家在購物時,都和我一起把公平正義帶走吧XD』Karen說。


講者二:黃貞祥(Gene)

中研院生物多樣性研究中心博士後研究員

主題:真假環保

Gene的聲音充滿了活力,在接下來的二十分鐘內,試圖喚起我們對於環保的判斷力。

大音量、大震撼!『時間開始跑了』,我們的腦袋也開始動了。

Gene認為,「環境保育」這回事,沒有「絕對好」,只有好以及更好。『環保並沒有一個標準可以定義好壞』。如同科學不是絕對真理,十年前對於環保的認知,與現在,與十年後都不同。

 

五個環保的原則與對立

一、     謙卑原則:人類虧欠地球,沒有謙卑的心,做不好。

二、     公平正義原則:面對環保議題時,我們該保持其執行方式公平且正義!若人類都不愛人類了,如何愛護動物、保全地球?

『我們畢竟不是少年Pi。』大家都笑了。

「但其實我們是少年呆※5。以幼稚的方式殘害地球」我想。

三、     個人選擇-公共政策:環保究竟算是一種個人選擇,還是應納入政策方向?

這兩項不應該對立,而需要相輔相成。因為沒有消費者的關注,即使納入政策,仍然不易成功。

四、     悲觀 V.S. 樂觀:對於環保態度,應該保持樂觀或悲觀?

舉個例子可以幫助我們思考。假如政府推行一個新的環保政策,能夠抵擋住本來會發生的一次破壞,但因為本應發生的破壞沒有發生,因此民眾不會認知到「環境被破壞」這回事。

「二十年前這麼做,地球也沒事啊!」會不會有民眾這麼說,並且而回過頭來,指責政府浪費資源推行無用(但實際有用)的政策呢?這是Gene讓我們思考的一個例子。

「但如果不推行這政策,破壞就會發生了。」我想。

 

五、     現在 V.S. 未來:我們應著眼於未來的發展性,而非現在的技術能否支援。

例如太陽能板發展多年來,技術停滯,能源轉換效率仍不高。但這應是因為市場未投入,而非科技進步停滯。

科技的進展,一旦被市場注意到,便會突飛猛進,例如智慧型手機與數位相機,在近十年來獲得的進展。

現在沒想像中的好,但未來可以變得更好。

接著Gene則批評《假環保》一書,指出其中許多說法根本邏輯不通,違反科學證據,或是不適用日本以外的地方。

至此,夜幕漸深,活動也將進入尾聲。因此開始了與講題同樣精彩的Q&A發問時段。

 

[註腳]

※1-80/20法則:最初由管理顧問泰斗Joseph M. Juran提出,形容80%的財富,掌握在20%的人手中,而由80%的人分配另外20%的財富。後續常被用於各式資源分配的不均等。

※2-外部成本:在生產過程中,常會產生許多廢棄物或有害物質,會對環境或第三人造成影響,此即為外部成本。

※3-審議式:公平貿易協會,會召集多方委員,對公平貿易價格進行討論與訂定,並不是由一個人或一小群人掌握此權力。

※4-發展農作整合:透過較高價格的收購,保護農民不因市場波動而種植過量經濟作物,或者使用農藥、砍伐當地植物等。

※5-少年呆:與46億歲的地球比起來,百歲人瑞也只是個少年。

※6-工業終端材料:塑膠袋的原料,是煉製原油過程中的廢棄物(如不飽和烴),若不製成塑膠袋,仍會直接被焚燒掉而產出廢熱。而免洗筷,以往是使用製造家具的竹、木材廢料製造,而不太影響環境;但現今免洗筷常直接使用快速生長的木材。


 Q&A

K:第一位講者Karen。G:第二位講者Gene

Q1:公平貿易除了咖啡、衣服,還有哪些我們沒想到可以使用的東西?

A1:(K)公平貿易在台灣比較多只有咖啡和巧克力。國外甚至有紅酒(南非曼德拉政府與公平貿易組織推出公平貿易紅酒)、可樂、棉等等

 

Q2:最神奇的公平貿易商品?

A2:(K)巴西堅果樹。可以直接吃、製造堅果油,巴西堅果巧克力等。我得要去除平常迷思才有機會進口,不然碳足跡太長會被罵XD

Q3:有些大企業作惡多端卻會花錢買公益(有人附和:「沒錯」)。若買了公益,公平貿易組織會給予認證嗎?

A3:(K)公平貿易認證只在產品上。代表此商品有,但企業不一定。台灣的迷思是因為星巴克。星巴克只採購了百分之二的公平貿易咖啡豆,就大肆宣傳,讓很多人以為他們全都是公平貿易。不過儘管如此,星巴克總部是全球最大的公平貿易商。可見世界上絕大多數的咖啡都是不公平的產物。

 

Q4:所以對企業來說,公平貿易取得的成本真的會較高?台灣一般人怎麼接觸到公平產品?

A4:(K)第一個問題:商品有分不同等級,還得問等級才能確定價錢是否較高。而公平貿易商品,其實是把消弭貧窮、改善生活的成本重新包含回去。我們也許能邀朋友來喝杯公平貿易下午茶,從自己影響到鄰近朋友。公平貿易認證所做的並不是當唯一的認證者,只是能夠保證由公平貿易認證的商品,最低都能夠滿足某些標準。

Q5:現在看來環保的事情,過一段時間變成不環保,再過一段時間又被認為環保。你怎麼看?

A5:(Gene)這問題蠻複雜。我媽媽曾說一句話:『我不相信科學』。她的意思是因為科學反覆。例如:喝咖啡有害?無害?不斷反覆無定論。

這類資訊在被媒體報導出來的時候,資料支離破碎,需要有人重整、還原當時,這也就是 PanSci 存在的意義。XD

 

Q6:消費者的力量很大。但消費者資訊來源不豐富,了解不夠深的時候,怎麼辦?以及怎麼說服鄰近的人?

A6:(K)你們怎麼看?(聽眾:在mobile 01上發環保開箱文XDD)

台灣缺了「消費者運動」的力量。消基會是全台最大的消費者運動,但卻關注在價格上!都只要求便宜的時候,甚至會影響到生態體系。

(G)看什麼東西,太常用到的消費品,價格取向。用長久的則是品質取向。(追問:挑3C的時候會挑環保還是?)當然想挑環保,但很難因為建立資訊體系不完全。

Q7:有機產品種植時,環境要求嚴苛。種植時蟲害非常嚴重,產量會很低。怎麼維持產量是個很難取捨的問題,公平貿易怎麼解決?

A7:(K)有些聲音認為有機=生態殖民主義,因為其實有機標準適合溫帶國家,且台灣土地跟水汙染比較嚴重,要達到很難。公平貿易的有機則是:一方面這些農夫本來就沒錢買農藥(一不小心就有機了XD),再者價格並非雙方說了算,而是有一個委員會去訂定小農的生活水準,以此價格進行貿易。

 

Q8:公平貿易所生產的商品,競爭力對於無良企業而言是否不足?以此做為創業,會不會有阻力?

A8:(K)一直都是阻力,當我們一開始在台灣推行時很辛苦。生態綠會跟消費者玩遊戲,咖啡價格由你訂,就是期待打破價格的迷思。但其實全球的公平貿易咖啡量仍少得可憐(嘆)

 

Q9:怎麼跟身邊的人宣傳環保概念?

A9:(G)生活環境畢竟知識分子比較多,其實不太需要宣傳。

 

(追問:國光石化跑去你們家?)我當時其實不反對國光石化到馬來西亞,因為那裏窮,需要其支持成長,例如如果要去柬埔寨也是可以。但不管蓋還是不蓋應該由那個國家的人民來決定,其要支持石化帶動的經濟還是要支持環境,而非由台灣人來決定。新加坡石化規模比台灣更大,做法是在島外島,軍事規範,並使用國家力量掩蓋住,我認為不對。(K:先回應G)雖然你舉例要去柬埔寨蓋國光石化,但我認識的柬埔寨人正在改變,不一定要為了經濟犧牲環境,例如柬國人正在推行公平旅遊。另一個例子是祕魯,雨林旅遊已經做到國際級。

Q10:(to K)我有一個朋友沒帶環保筷就不吃,以此影響身邊人。(to G)他們有了國光石化就趕不走了耶。(to K):如果想要輔導原本非有機的慣行農業轉型為公平貿易到賺錢,那中間轉型過程怎麼辦?

A10:(K)公平貿易目前還有點侷限在農業跟手工藝,曾有廠商想要往高科技走,但很難。已經有使用農藥過的農地,要降低到符合標準才可以,因此會需要用較Fair的Price來引誘,他們的價值觀就能夠被帶起來。現在台灣的公平貿易問題則是因為都是小農在帶,因此成本仍然高。

(G)國光石化等石化市場極大,原因是因為現代人的消費習慣。例如買了個iPhone就送殼,或買滑鼠送墊子。前陣子我連參加研討會都送手機殼,誰要啊?這總讓人很頭痛,丟也不是,送了也沒有人要。因為這些東西極度便宜,送再多人仍然佔零頭。原本石化業的製造成本高,將其外移到某些國家,變便宜了,但卻犧牲了當地的環境。而這時這就要看每個國家的公民意識了,例如新加坡人無法抗議其石化業,光是走到附近抗議都算軍事管制區了。但發展中國家不一定擁有不好的公民意識,例如澳洲將稀土元素提煉外移到馬來西亞,造成馬來西亞人的大肆抗議。但政府仍不為所動,且還用不夠優良的建材來蓋廠房,草菅人命,這目前仍是沒辦法的。

附影音的紀錄版本請參考-〈環保也是一場思辨之旅〉

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

降低碳排還不夠,奈米材料幫你直接減少二氧化碳!

氣候變遷問題日益嚴重,2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份,臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標,設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員,他的研究專長是奈米能源材料,我們將介紹一種複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),在太陽光照射下,此材料表面發生的氧化還原反應,會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳?根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據,2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸,而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下,每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤,相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油!

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」,人類活動排放的溫室氣體,已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去,碳排放量可預期將不斷上升,大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示,地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 註 1,否則將有不可逆的後果,例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此,世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標,並不是說都不排碳了,而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消,達到「淨零」的目標。

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要達到淨零的目標,除了尋找與開發減碳電力之外,直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下,如果可以像植物一樣,只要照太陽光,就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物,聽起來不錯吧?但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定,要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應?

我們可運用「陽光」與「光催化材料」(又稱光觸媒,photocatalyst),不僅可以減碳,還能產生有價值的碳氫化合物,是一種「一舉兩得」的方法!

光觸媒(光催化)材料是什麼?

在談到光催化材料之前,先複習一下「催化劑」這個概念,催化劑不參與化學反應,但是它讓原先不可能的化學反應變得可行!陳貴賢分享,這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山,經過九彎十八拐的北宜公路;但如今有了「雪山隧道」之後,就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外,催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色!在過去,農作物施肥只有天然氮肥可以使用,產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加,《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面,波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔,用來收集當肥料用的鳥糞。

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到了近代,陳貴賢提到在 20 世紀初,德國科學家哈伯(Fritz Haber)透過催化劑,在高溫高壓的條件下,以鐵粉做為催化劑,讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能,人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥,農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」,顧名思義就是協助光化學反應的催化劑,但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於,其化學反應通常發生在固態的表面環境,目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料,你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」,例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能,其實就是照射足夠的光,讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸,這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構,且大幅增加反應的表面積,讓光催化反應更有效率。

陳貴賢:「一個高表面積的奈米粉末,它的表面積可能是薄膜的一萬倍,甚至於十萬倍。」

給你電子,還你原形!光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的?

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳,是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」,氧化反應會失去電子,還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:硫化鋅(ZnS)/硫化銦鋅(ZnIn2S4,簡稱 ZIS),可以讓二氧化碳還原成甲醇(CH3OH)和乙醛(CH3CHO),這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下:

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要持續減少二氧化碳,就要持續發生上述還原反應,持續供給電子。不過,我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面?這裡就開始涉及到半導體的核心問題:電子與電洞的產生、分離和傳輸

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料:ZnS/ZIS,是結合兩種奈米半導體材料,透過水熱法合成,將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,形成 0D-2D 結構的 ZnS/ZIS 複合物,就像製作巧克力豆餅乾,不過要複雜得多。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

既然 ZnS/ZIS 是半導體,當受到光照之後,原來的價帶(valence band)電子會被光激發成導帶(conduction band)電子,原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位,就是電洞。電子和電洞的遷移,就是半導體形成電流的原因,因此電子和電洞都稱為「載子」(charge carrier)

還記得上面的還原反應嗎?

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對光催化材料來說,為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇,必須獲得穩定的電子來源,材料內部要迅速補充電子到表面,因此:

照光產生的電荷載子數量越多越好;產生的電子和電洞要傾向分離,分得越遠越好;電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定,首先照光產生的載子要多,就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合,照光產生的電子和電洞很容易復合,一旦復合,等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好,可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS/ZIS 光催化材料,依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99,分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中,ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇(如下圖)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 光催化效果最好,可以有效減少二氧化碳,產生最多的乙醛和甲醇。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率,陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值(apparent quantum efficiency),用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量,產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後,ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%,量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍!

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這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合,因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率,選擇兩種不同的半導體材料組合,讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞,並且把電子送到它該去的材料表面。

此外,使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」,以符合光催化反應的能量門檻,自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後,繼續往 ZIS 跑,光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面,還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快!控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發,陳貴賢提到:「材料低能階,然後光子進來後,把電子激發到高能階去做反應,太陽能電池也是這樣。但是呢,有時候沒那麼剛好,例如激發後的能階不夠高,雖然激發上去了,但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起,電子上去以後又下來,然後再吸收第二個光子上去,那就變得很高了,高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖,如下圖所示,電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發,變成自由電子,接著經過設計完善的材料介面,先降到較低的 ZIS 束縛區,受到第二次光子的激發,再次變成自由電子,跑到光催化材料的表面,和二氧化碳發生還原反應,將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

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看看電子走過的路,如果向左歪著頭看,是不是就是一個 Z 字呢?科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」(Direct Z-scheme)。「直接」的意思是,電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程,不需要再經過一個中間地帶,降低電子和電洞復合的機會。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料,電子可以不需要中間的「轉接站」,直接轉移到另一個材料上呢?這裡也有一個巧思:不同材料之間的「微應變」

不同材料的晶體排列規律是不一樣的,當兩種材料接在一起時,接面處會發生「晶格不匹配」,也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是,如果我們可以控制微應變(Strain)的程度,就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置,微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能,進而形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。

總之,陳貴賢團隊開發的這套材料組合,是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料,可做為未來量產光催化材料的研發設計參考,同時也是減碳的解方之一。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,形成一個內部電場,讓電子和電洞更能快速分離,提高光催化效率。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示,目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域,他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸,有太陽能電池和熱電材料,同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料,以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展,因為在 2050 淨零排放之前,有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列,企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中,台積電為蘋果主要供應商,2020 年也加入 RE100,目前為臺灣再生能源的主要買家

可以預見,將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求,而能夠減少二氧化碳的光催化材料,也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到,當前光催化材料還在基礎研究階段,目前的人工光合作用效率約 1%,接近大自然效率,而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上,方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值,不僅轉化後的燃料可以賣錢,處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用,是一種前所未有的概念。

陳貴賢強調,未來效率提高之後,能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值。
圖|研之有物

註解

  1. 根據 IPCC 的資料,如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內,必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標,同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放,特別是甲烷。
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研之有物│中央研究院_96
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使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍!這個方法可行嗎?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/05 ・4523字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式,稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林,它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍,因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除,降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳,遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來,世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達8 噸的二氧化碳,遠比1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。圖/商業週刊

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時,就變成了土壤,成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中,也就是所謂的土壤有機質(soil organic matter,SOM)。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑,而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

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當植物原料(如葉子或莖)凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。碳被封存在土壤中,不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

當植物原料凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。圖/Pixabay

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時,會使有機質暴露地表,更容易被微生物利用,迅速消耗土壤有機質,將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化(如永久凍土融化),造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳,以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建,使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物(如玉米秸稈)留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時,會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植,通常是草或三葉草,根部很深,能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解,能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作(稱為保護性耕作)是另外一種防止土壤有機質流失(或使土壤慢慢再生)的方法。其中所謂的免耕種植,是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中,因此無須翻耕整片田地。

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讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同,土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是:

  • 土壤耕作。
  • 牛群過度放牧。
  • 砍伐和焚燒樹木和植物(砍燒耕作法)。
  • 未在冬季種植覆蓋作物。
  • 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場,由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。圖/Pixabay

從生產的食物品質到大氣中的碳含量,土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時,可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲(Dust Bowl)、和 2017 年波多黎各的洪水災害,都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

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根據美國農業部的說法,農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤:

盡量減少干擾

  • 限制耕作。
  • 使化學品發揮最大效益。
  • 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

  • 種植覆蓋作物。
  • 使用有機覆蓋物。
  • 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

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  • 種植多種不同的覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。
  • 整合牲畜。

強化活根的存在

  • 減少休耕。
  • 種植覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面,一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策,以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類,讓自然生態發展,改善其房產周圍的土壤健康,這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

健康的土壤如何平衡水循環?圖/商業週刊

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機,那就是在用個人的行動改變環境。但是,當公司和國家有意大規模改變環境時,這被稱為「地球工程」(geoengineering)。

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地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的:在太空中部署太陽遮屏,以使部分太陽能量反射回太空,或是從大氣中吸取二氧化碳,將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法,使地球降溫,但迄今為止,許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例,雖然聽起來像部署固體金屬片,但其實是模擬大規模火山噴發時的情況,在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質,進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質,以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測,以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子,可能會產生冷卻效果,當然,也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度,如果天氣變化太過劇烈,就不容易挽回損失,造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑,停止這樣的計畫也可能造成危險,因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

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直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。圖/Pixabay

一旦出現洩漏,土壤、水和空氣可能會受到汙染,而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說,這個過程若想要成功,也必須得降低成本、提高效率才行(目前每噸的成本高達 600 美元),我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠,才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳,以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層,鐵質施肥(iron fertilization)是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中,促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳,然後沉入海底。成功率參差不齊,有 5% 到 50% 的藻類增殖,沉入到足以造成封存影響的深海。然而,完全有效可能需要付出代價:過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰,而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。圖/Pixabay

地球工程是一個冒險的賭注,一些科學家表示,這對於全球氣溫的衝擊微乎其微,尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出,仰賴快速的工業解決方案,可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

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利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房,同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣,外層大氣從太陽反射的光熱,也會對全球溫度產生影響。

30 年前,菲律賓的皮納圖博(Mt. Pinatubo)發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發,所噴發的灰燼造成了驚人的影響:一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光,而不是吸收,地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念,在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機,將不同的化學物質噴灑到高層大氣中,希望能一次改變地球多年的反射率,以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:

  • 散射太陽光。
  • 讓天空更明亮一些。
  • 反射部分太陽熱量。
  • 讓地球更涼爽一些。
透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:讓天空更明亮一些。圖/Pixabay

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質,可以增加行星反照率(反射率)。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡,來治療氣候變化的徵狀,這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」(stratospheric aerosol modification,SAM)。

據估計,這種方法一年成本不到 100 億美元,在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為,只要動用幾百架飛機即可完成,而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克.勞倫斯(Mark Lawrence)2006年指出,「對地球工程可能性的嚴肅科學研究,如克魯岑和西塞隆(Crutzen & Cicerone)發表文章中所討論的,完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」,然而,到了 2016 年,他總結道,「在這些文獻發表後的 10 年間,雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題,但是在更廣泛的地球科學研究領域,那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法,還是有許多未經測試的現實問題:

  • 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應?
  • 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度?
  • 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行?若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利,該如何處理?
  • 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響?
  • 我們準備好長久持續進行了嗎?如果沒有,一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案,又該如何下決心停止呢?

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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