Good Mood

czy usunięcie węgla z atmosfery uratuje nas przed katastrofą klimatyczną?

Międzyrządowy Zespół ds. zmian klimatu (IPCC) twierdzi, że ograniczenie globalnego ocieplenia do 1.,5C może zapobiec najbardziej katastrofalnym skutkom zmian klimatu. W swoim niedawnym sprawozdaniu określiła cztery sposoby osiągnięcia tego celu —wszystkie polegają na usunięciu dwutlenku węgla z atmosfery. Dzieje się tak dlatego, że nawet jeśli ograniczymy większość emisji dwutlenku węgla do zera, emisje z rolnictwa i podróży lotniczych byłyby trudne do całkowitego wyeliminowania., A ponieważ dwutlenek węgla, który już jest w atmosferze, może wpływać na klimat przez setki do tysięcy lat, IPCC utrzymuje, że technologie usuwania dwutlenku węgla (CDR) będą kluczowe dla pozbycia się 100 do 1000 gigaton CO2 w tym stuleciu.

Jak usunąć dwutlenek węgla?

istnieje wiele strategii CDR, wszystkie na różnych etapach rozwoju i różnią się pod względem kosztów, korzyści i ryzyka., Podejścia CDR, które wykorzystują drzewa, rośliny i glebę do pochłaniania dwutlenku węgla, są stosowane na dużą skalę od dziesięcioleci; inne strategie, które w większym stopniu opierają się na technologii, są głównie na etapie demonstracji lub pilotażowym. Każda strategia ma wady i zalety.

zalesianie i ponowne zalesianie

gdy rośliny i drzewa rosną, pobierają dwutlenek węgla z atmosfery i przekształcają go w cukry poprzez fotosyntezę. W ten sposób lasy Stanów Zjednoczonych pochłaniają 13 procent emisji dwutlenku węgla; na całym świecie lasy przechowują prawie jedną trzecią światowych emisji.,

sadzenie dodatkowych drzew może usunąć więcej węgla z atmosfery i przechowywać go przez długi czas, a także poprawić jakość gleby przy stosunkowo niskim koszcie-od 0 do 20 USD za tonę węgla. Zalesianie obejmuje sadzenie drzew, których wcześniej nie było; ponowne zalesianie oznacza przywrócenie lasów, w których drzewa zostały uszkodzone lub zubożone.,

zalesianie może jednak konkurować o grunty wykorzystywane w rolnictwie, tak jak produkcja żywności musi wzrosnąć o 70 procent do 2050 r., aby wyżywić rosnącą populację na świecie. Może również wpływać na różnorodność biologiczną i funkcje ekosystemu.

i chociaż lasy mogą pochłaniać węgiel przez dziesięciolecia, rosną przez wiele lat i mogą zostać nasycone w ciągu dziesięcioleci do wieków. Wymagają one również starannego zarządzania, ponieważ są narażone na ludzkie i naturalne skutki, takie jak pożary, susze i inwazje szkodników.,

sekwestracja węgla w glebie

węgiel, który rośliny absorbują z atmosfery podczas fotosyntezy, staje się częścią gleby, gdy umierają i rozkładają się. Może tam pozostać przez tysiąclecia lub może zostać szybko uwolniony w zależności od warunków klimatycznych i sposobu gospodarowania glebą. Minimalna uprawa, uprawy okrywowe, płodozmian i pozostawienie resztek pożniwnych na polu pomagają glebie magazynować więcej węgla.

IPCC, który uważa, że sekwestracja węgla w glebie ma zdolność do redukcji CO2 przy najniższych kosztach-od 0 do 100 USD za tonę-szacuje, że sekwestracja węgla w glebie może usunąć od 2 do 5 gigaton dwutlenku węgla rocznie przez 2050. Dla porównania, światowe elektrownie uwolniły 32,5 gigaton CO2 w 2017 roku.

sekwestracja dwutlenku węgla w glebie mogłaby zostać wdrożona natychmiast, co poprawiłoby zdrowie gleby i zwiększyłoby plony; ponadto nie obciążałoby Zasobów Ziemi i wody., Ale podczas gdy gleba przechowuje duże ilości węgla na początku, może zostać nasycona po 10 do 100 lat, w zależności od klimatu, rodzaju gleby i sposobu zarządzania.

Bioenergia z wychwytywaniem i magazynowaniem dwutlenku węgla (BECCS)

Jeśli spalamy rośliny w celu pozyskania energii w elektrowni oraz wychwytywamy i przechowujemy powstałą w ten sposób emisję, to CO2 pochłonięty wcześniej przez rośliny jest usuwany z atmosfery. CO2 może być następnie używany do poprawy odzysku ropy naftowej lub wtryskiwany do ziemi, gdzie jest sekwestrowany w formacjach geologicznych.

IPCC szacuje, że BECCS może usunąć między 0.,5 i 5 gigaton węgla rocznie do 2050 roku. Jednakże, aby wchłonąć wystarczającą ilość węgla, aby utrzymać świat na poziomie 2, rośliny energetyczne muszą być sadzone na powierzchni ziemi do trzech razy większej niż Indie, według jednego oszacowania; a nawet mniejsze ilości BECCS konkurowałyby z ziemią potrzebną do produkcji żywności. W jednym z badań stwierdzono, że wielkoskalowe BECCS mogą spowodować spadek globalnej powierzchni lasów o 10 procent i wymagać dwukrotnie większej ilości wody niż obecnie wykorzystywana w rolnictwie na całym świecie., BECCS może również wpływać na różnorodność biologiczną i funkcje ekosystemu oraz generować emisje gazów cieplarnianych poprzez Rolnictwo i stosowanie nawozów.

w tym momencie BECCS jest drogi. Obecnie na świecie działa tylko jeden projekt BECCS—zakład etanolu w Decatur, IL, który przechwycił i przechowywał ponad 1,4 miliona ton CO2. Ponieważ jest tak mało projektów badawczych, a BECCS nie jest testowany na dużą skalę, wciąż jest we wczesnym stadium rozwoju., Podczas gdy obecne szacunki kosztów dla BECCS wahają się od 30 do 400 USD za tonę CO2, badania projektują, że koszty mogą spaść do 100 do 200 USD za tonę węgla do 2050. Niemniej jednak BECCS jest uważany za jedną z najbardziej potencjalnie skutecznych strategii usuwania dwutlenku węgla w celu zapewnienia długoterminowego składowania dwutlenku węgla.,

National Academies of Sciences, Engineering and Medicine projects that given what we know today, zalesianie i ponowne zalesianie, sekwestracja węgla w glebie i BECCS, a także zrównoważone praktyki zarządzania leśnego (takie jak przerzedzenie lasów i przepisane oparzenia) mogą być skalowane w celu przechwytywania i Przechowywania 1 gigatonne węgla rocznie w USA i 10 gigatones globalnie. Wymagałoby to jednak ogromnych zmian w rolnictwie, gospodarce odpadami leśnymi i biomasowymi.,

mineralizacja węgla

Ta strategia wykorzystuje naturalny proces, w którym reaktywne materiały, takie jak perydotyt lub Lawa bazaltowa chemicznie wiążą się z CO2, tworząc stałe minerały węglanowe, takie jak wapień, które mogą przechowywać CO2 przez miliony lat. Materiały reaktywne można łączyć z płynem nośnym CO2 w stacjach wychwytywania węgla lub płyn może być pompowany do reaktywnych formacji skalnych, gdzie występują naturalnie.

naukowcy z Lamont-Doherty Earth Observatory Instytutu Ziemi pracują nad mineralizacją węgla od kilku lat i znajdują sposoby przyspieszenia naturalnej reakcji, aby zwiększyć wychwyt CO2 i trwale go przechowywać. Lamont research profesor David Goldberg i jego koledzy, na przykład, badają wykonalność składowania 50 milionów ton lub więcej CO2 w bazaltowych zbiornikach w północno-zachodnim Pacyfiku., W ciągu 20 lat projekt wprowadzał CO2 ze źródeł przemysłowych, takich jak zakłady produkcyjne i elektrownie na paliwa kopalne, do bazaltu 200 mil morskich, na wschodnim zboczu grzbietu Juan de Fuca. Tam, poniżej 2600 metrów wody i kolejnych 200 metrów osadu, zbiornik bazaltowy zawiera przestrzenie porów, które wypełniałyby się, gdy CO2 mineralizuje się w wapień węglanowy. W tym obszarze bazalt szybko reaguje, a mineralizacja może potrwać tylko dwa lata lub mniej., Zespół Goldberga przeanalizował czynniki, w tym sposób transportu CO2, jego reakcje chemiczne i sposób monitorowania terenu w czasie.

kolejnym krokiem jest uruchomienie tam pilotażowego projektu składowania 10 000 ton CO2. „Projekt pilotażowy ma kluczowe znaczenie dla przesunięcia piłki do przodu w przypadku mineralizacji węgla bazaltowego na morzu, zarówno ze względów technicznych, jak i regulacyjnych”, powiedział Goldberg., Umożliwiłoby to naukowcom eksperymentowanie z różnymi rodzajami zastrzyków—na przykład, czy powinny one być ciągłe czy przerywane—i odpowiadanie na pytania takie jak ” jak szybko wypełnia się przestrzeń porów?”które mogą być testowane tylko w terenie. Ponadto kluczowe znaczenie dla zrozumienia skutków prawnych mineralizacji węgla ma projekt pilotażowy, ponieważ obecnie nie istnieją żadne przepisy. Kanada i USA rozpoczną tworzenie ram regulacyjnych dopiero wtedy, gdy będą miały projekt pilotażowy. Goldberg twierdzi, że nadal szukają finansowania dla projektu pilotażowego, ale ” jest duże zainteresowanie.,”

od 2012 roku Carbfix, Islandzki projekt, nad którym pracował Goldberg, wychwytuje węgiel i mineralizuje go w największej w kraju elektrowni geotermalnej zarządzanej przez Reykjavik Energy. Podczas gdy Zakład działa na energii odnawialnej geotermalnej, nadal emituje niewielką ilość CO2; CarbFix wstrzykuje 12 000 ton CO2 rocznie do ziemi za 30 USD za tonę.

ponieważ mineralizacja węgla wykorzystuje naturalne procesy chemiczne, ma potencjał, aby zapewnić ekonomiczny, nietoksyczny i trwały sposób przechowywania ogromnych ilości węgla., Jednak nadal istnieją pytania techniczne i środowiskowe, na które należy odpowiedzieć—według raportu National Academies mineralizacja węgla może potencjalnie zanieczyścić zasoby wodne lub wywołać trzęsienia ziemi.

Direct air capture

Direct air capture wysysa dwutlenek węgla z powietrza za pomocą wentylatorów do przenoszenia powietrza nad substancjami, które wiążą się specjalnie z dwutlenkiem węgla., (Koncepcja ta opiera się na” sztucznym drzewie ” pracy Klausa Lacknera, dyrektora Centrum negatywnej emisji dwutlenku węgla na Arizona State University, który przez wiele lat był dyrektorem Lenfest Center for Sustainable Energy Instytutu Ziemi.) Technologia wykorzystuje związki w ciekłym roztworze lub w powłoce na ciele stałym, które wychwytują CO2 w trakcie kontaktu z nim; gdy później są narażone na działanie ciepła i reakcji chemicznych, uwalniają CO2, który następnie może być sprężony i przechowywany pod ziemią., Korzyści płynące z bezpośredniego wychwytywania powietrza są takie, że w rzeczywistości jest to technologia negatywnej emisji-może usuwać węgiel, który znajduje się już w atmosferze, w przeciwieństwie do wychwytywania generowanych nowych emisji—a systemy mogą być zlokalizowane niemal wszędzie.

w elektrowni węglowej około jedna na dziesięć cząsteczek w spalinach to CO2, ale CO2 w atmosferze jest mniej skoncentrowany. Tylko jedna na 2500 cząsteczek to CO2, więc proces usuwania CO2 jest droższy w porównaniu do wychwytywania węgla z instalacji paliw kopalnych., Bezpośrednie wychwytywanie powietrza zaczęło się od 600 USD za tonę węgla; obecnie kosztuje 100-200 USD za tonę—nadal drogo, częściowo dlatego, że nie ma zachęt ekonomicznych (takich jak podatek węglowy) lub drugorzędnych korzyści dla środowiska (takich jak zwiększona jakość gleby) do usuwania CO2 z powietrza. Ulepszenie technologii, tak aby CO2 mógł być bardziej efektywnie wychwytywany, i / lub sprzedaż wychwytywanego CO2 może obniżyć cenę. Pracują nad tym trzy firmy—Swiss Climeworks, Canadian Carbon Engineering i American Global Thermostat.,

pierwszy komercyjny zakład Climeworks w pobliżu Zurychu przechwytuje 1000 ton CO2 rocznie, co jest wykorzystywane w szklarni w celu zwiększenia plonów o 20 procent. W 2017 roku firma zainstalowała w islandzkim zakładzie Reykjavik Energy urządzenie do bezpośredniego wychwytywania powietrza, aby wychwycić niewielką ilość CO2, która następnie jest składowana pod ziemią przez CarbFix.

Climeworks ma obecnie 14 urządzeń do bezpośredniego przechwytywania powietrza zbudowanych lub w trakcie budowy w Europie; jego włoski zakład wykorzystuje przechwycony CO2 do produkcji paliwa metanowego dla samochodów ciężarowych.

Carbon Engineering, który może pochwalić się Bill Gates jako inwestor, ma zakład w zachodniej Kanadzie, który może wychwycić milion ton CO2 rocznie. Projektuje, że na dużą skalę może usunąć CO2 za 100 do 150 dolarów za tonę. Jego celem jest wykorzystanie CO2 do produkcji neutralnych węglowo syntetycznych paliw węglowodorowych, co jeszcze bardziej obniżyłoby jego koszty., Firma utrzymuje, że zakład wykorzystujący ten proces „powietrze do paliw”, po zwiększeniu skali, Może produkować paliwo za mniej niż 1 dolara za litr.

Global Thermostat, który buduje swój pierwszy zakład w Huntsville, AL, zamierza obniżyć cenę do 50 dolarów za tonę, sprzedając przechwycony CO2 firmie sodowej. Firma zbudowałaby małe „elektrownie przechwytujące” na miejscu w zakładach produkujących sody, zmniejszając w ten sposób koszty energii i transportu.

jedno z badań przewidywało, że bezpośrednie wychwytywanie powietrza może zasysać 0,5 do 5 gigaton CO2 rocznie do 2050 roku, a prawdopodobnie 40 gigaton do 2100., Jednak bezpośrednie wychwytywanie powietrza na dużą skalę może mieć ostatecznie wpływ na środowisko wynikające z wydobycia, rafinacji, transportu i unieszkodliwiania odpadów minerałów, które wychwytują emisje dwutlenku węgla.

chociaż bezpośredni wychwyt powietrza ma duży potencjał usuwania dwutlenku węgla, jest on nadal na wczesnym etapie rozwoju. Na szczęście zyskuje poparcie Kongresu w postaci przyszłej ustawy (Ustawa o wychwytywaniu dwutlenku węgla, wykorzystaniu, technologii, podziemnym składowaniu i obniżonej emisji)., Ustawa podwaja ulgi podatkowe za wychwytywanie i trwałe przechowywanie dwutlenku węgla w formacjach geologicznych i wykorzystanie go do poprawy odzysku ropy; dla firm, które przekształcają węgiel w inne produkty, takie jak cement, chemikalia, tworzywa sztuczne i paliwa; i zapewnia ulgę podatkową w wysokości 35 usd za tonę CO2 poprzez bezpośrednie wychwytywanie powietrza.

wzmocnione wietrzenie

skały i gleba stają się zwietrzałe poprzez reakcję z CO2 w powietrzu lub kwaśnym deszczem, który naturalnie występuje, gdy CO2 w powietrzu rozpuszcza się w wodzie deszczowej., Skały rozpadają się, tworząc wodorowęglan, pochłaniacz węgla, który ostatecznie jest przenoszony do oceanu, gdzie jest składowany. Ulepszone wietrzenie przyspiesza ten proces, rozprzestrzeniając sproszkowane skały, takie jak bazalt lub oliwin, na gruntach rolnych lub na Oceanie. Może być zgnieciony i rozłożony na polach i plażach, a nawet używany do ścieżek i placów zabaw.

ulepszone wietrzenie może poprawić jakość gleby, a ponieważ wodorowęglan alkaliczny przemywa się do oceanu, może pomóc neutralizować zakwaszenie oceanów., Ale może również potencjalnie zmienić pH gleby i właściwości chemiczne, a także wpływać na ekosystemy i wody gruntowe. Wydobycie, mielenie i transport skał byłoby kosztowne, wymagałoby dużo energii i powodowałoby dodatkową emisję dwutlenku węgla, a także zanieczyszczenie powietrza. Ze względu na wiele zmiennych i fakt, że większość ocen ulepszonego wietrzenia nie została przetestowana w terenie, szacunki kosztów różnią się znacznie.,

alkalinizacja oceaniczna, uważana za rodzaj ulepszonego starzenia, polega na dodaniu do powierzchni oceanu minerałów alkalicznych, takich jak oliwin, w celu zwiększenia wychwytu CO2 i przeciwdziałania zakwaszeniu oceanów. W jednym z badań oszacowano, że strategia ta może pochłaniać od 100 ton metrycznych do 10 gigaton CO2 rocznie, przy kosztach od 14 USD do ponad 500 USD za tonę. Jego wpływ ekologiczny nie jest jednak znany.

nawożenie oceanów

nawożenie oceanów dodałoby do oceanu składniki odżywcze, często żelazo, w celu pobudzenia kwitnienia glonów, które pochłaniałyby więcej CO2 poprzez fotosyntezę. Jednak poprzez stymulowanie wzrostu fitoplanktonu-podstawy łańcucha pokarmowego-nawożenie oceaniczne może wpływać na lokalną i regionalną produktywność żywności. Rozległe zakwity glonów mogą również powodować eutrofizację i powodować martwe strefy zubożenia tlenu. Poza potencjalnym wpływem na ekosystem ma on również mniejszy potencjał pochłaniania dwutlenku węgla w dłuższej perspektywie.,

Coastal blue carbon

słone bagna, namorzyny, trawy morskie i inne rośliny na mokradłach pływowych są odpowiedzialne za ponad połowę węgla ukrytego w ekosystemach oceanicznych i przybrzeżnych. Ten niebieski węgiel może być przechowywany przez tysiąclecia w roślinach i osadach. Jednak mokradła są niszczone przez spływy i zanieczyszczenia, susze i rozwój wybrzeża—obszar trawy morskiej o wielkości boiska do piłki nożnej jest tracony co pół godziny. Odnawianie i tworzenie terenów podmokłych oraz lepsze zarządzanie nimi mogłoby potencjalnie podwoić składowanie dwutlenku węgla., Zdrowe tereny podmokłe zapewniają również ochronę przed burzami, poprawiają jakość wody i wspierają życie morskie.

istnieje kilka szacunków dotyczących potencjału usuwania węgla niebieskiego, ale koszty byłyby niskie do zera.

i kilka pomysłów na przyszłość

Y Combinator, organizacja finansująca obiecujące startupy, ogłosiła wezwanie do pracy nad nowymi rodzajami technologii usuwania dwutlenku węgla, z których żadna nie została jeszcze przetestowana poza laboratorium., W szczególności szukają projektów w czterech obszarach:

• modyfikowanie genów fitoplanktonu umożliwiłoby im sekwestrowanie węgla w obszarach globalnego oceanu, w których brakuje składników odżywczych potrzebnych do fotosyntezy.
• Elektro-geo-Chemia wykorzystuje energię elektryczną ze źródeł odnawialnych do rozbijania wody zasolonej w celu wytworzenia wodoru (który może być wykorzystany jako paliwo) i tlenu, który w obecności minerałów wytwarza wysoce reaktywny roztwór. Takie rozwiązanie pochłania dwutlenek węgla z atmosfery i zamienia go w wodorowęglan.,
• układy enzymatyczne przyspieszają reakcje chemiczne, które mogą zmienić dwutlenek węgla w inne użyteczne związki organiczne. Y Combinator chciałby stworzyć systemy enzymatyczne, które mogą to zrobić poza żywymi komórkami, aby uprościć Wiązanie węgla.
• ostatni pomysł polega na stworzeniu 4,5 miliona małych oaz na pustyniach w celu przyjęcia fitoplanktonu, który absorbowałby CO2. Zapewniłyby one również słodką wodę i roślinność wspierającą, która mogłaby również wysysać węgiel.

Co jest potrzebne, aby przyspieszyć usuwanie dwutlenku węgla?,

każda technologia CDR jest wykonalna na pewnym poziomie, ale ma niepewność co do kosztów, technologii, szybkości ewentualnego wdrożenia lub wpływu na środowisko. Oczywiste jest, że żaden z nich nie zapewnia ostatecznego rozwiązania zmian klimatu.

„samo usuwanie dwutlenku węgla nie może tego zrobić” – powiedziała Kate Gordon, koleżanka z Columbia Center ds. globalnej polityki energetycznej., – Jeśli jest jedna rzecz, którą sprawozdanie IPCC naprawdę podkreśla, to to, że potrzebujemy portfela-musimy radykalnie zmniejszyć emisje, musimy wymyślić więcej opcji energii odnawialnej w celu zastąpienia paliw kopalnych, musimy elektryfikować wiele rzeczy, które są obecnie prowadzone na ropie naftowej, a następnie musimy zrobić ogromną ilość usuwania dwutlenku węgla.”W najbliższym czasie chciałaby, aby w większym stopniu wdrażano i rozwijano wypróbowane i prawdziwe strategie, takie jak sadzenie drzew i bardziej zrównoważone praktyki rolnicze.,

w rzeczywistości nowe badanie właśnie ustaliło, że sadzenie drzew i poprawa zarządzania łąkami, gruntami rolnymi i mokradłami może pochłaniać 21 procent rocznej emisji gazów cieplarnianych w USA przy stosunkowo niskich kosztach.

opracowanie innych strategii usuwania dwutlenku węgla dalej zajmie znaczne kwoty pieniędzy.,

„społeczność filantropii klimatycznej faktycznie musi uznać to za część rozwiązania klimatycznego—to naprawdę ważne, że stanie się częścią tego portfolio” – powiedział Gordon. „Potrzebujemy również dość znaczącego budżetu federalnego r&d poświęconego tym strategiom, abyśmy mogli zacząć ulepszać technologię i lepiej zrozumieć, ile kosztuje zrobienie każdej z tych rzeczy, jak skuteczne są i jak bezpieczne są.”

wprowadzenie zachęt finansowych do usuwania dwutlenku węgla, takich jak podatek węglowy lub kary za emisję dwutlenku węgla, również pomogłoby.,

„to kolejna granica rozmów na temat energii, klimatu i technologii” – powiedział Gordon. „Musimy być przed tą sprawą, jeśli chcemy pozostać konkurencyjni—jeśli chcemy nadal mieć większość światowej czystej energii i zaawansowanych patentów na energię … w przeciwnym razie będziemy kupować ją od kogoś innego, ponieważ ktoś to zrobi.”