At kombinere natur og teknologi til klimaløsninger

Det ene hjørne af Omani-ørkenen er dækket af en stentype med en uudslukkelig tørst efter en farveløs og lugtfri gas, der er afgørende for livet på Jorden. Den gas er CO2, og når det reagerer med peridotit, en klippe, der er rigeligt i jordens kappe, det er opsuget, danner et fast carbonat svarende til kalksten.

Den omanske peridotit absorberer i øjeblikket anslået 10, 000 til 100, 000 tons kuldioxid om året, men videnskabsmænd siger, at med lidt menneskelig indgriben, den kunne fremskyndes til at absorbere en ottendedel af de 38 milliarder tons CO2, der udledes gennem afbrænding af fossile brændstoffer rundt om i verden. En drivhusgas, CO2 ophobes i jordens atmosfære, hvor det fanger varme og hæver den globale gennemsnitstemperatur, giver næring til ekstremt vejr såsom varmere hedebølger, hyppigere tørke, og kraftigere orkaner. Den nuværende koncentration af CO2 er omkring 400 ppm, det højeste det har været i mindst de sidste 800, 000 år.

Selvom det kun er en af ​​stentyperne med CO2-absorberende egenskaber, og kun én metode til at reducere virkningen af ​​CO2-emissioner, peridotite kunne hjælpe med at afbøde de forestående risici, som klimaændringer udgør.

Pionererne bag peridotitforskningen, Peter Kelemen og Juerg Matter, geologer ved Columbia Universitys Lamont-Doherty Earth Observatory, opdagede peridotits affinitet til at indtage CO2, da de bragte den ind i laboratoriet for at bestemme dens alder. Ved at indse, at peridotitten havde reageret med CO2 relativt for nylig, de begyndte at begrebsliggøre, hvordan skalering reaktionen kunne se ud.

Selvom det ville være for dyrt at flytte stenen tæt på kraftværker, hvor den kunne opsuge emissioner, forskerne foreslår, at CO2 kan ledes ind i Jordens peridotitfyldte kappe gennem en proces, der ligner hydraulisk frakturering. Dette kunne åbne et gigantisk depot for gassen, der ikke ville afhænge af placering, men medfører miljømæssige konsekvenser, som skal tages i betragtning.

Naturdrevne løsninger

Geologer har længe forstået, at sten er en vigtig kulstofdræn. Stenforvitring sker, når CO2 opløses i dråber af regnvand, tilføjer den surhedsgrad, der er nødvendig for at opløse de mineraler, der udgør klippen. Stenforvitring trækker anslået en milliard tons CO2 ud af atmosfæren årligt.

"Forståelse af disse naturlige kemiske processer kan føre til gennembrud, der giver os mulighed for at bruge og fremskynde processer, der reducerer CO2 i atmosfæren, " siger Bradley Sageman, professor og formand for jord- og planetvidenskab ved Northwestern. "Metoder som disse, der er standardteknologi i dag, blev betragtet som science fiction før i tiden. Tag eksemplet fra omansk peridotit. Hvis vi kunne udnytte den reaktion, vi har en potentielt transformerende mekanisme til at absorbere CO2 i stor skala."

Nogle af Sagemans kolleger studerer kinetikken af ​​vejrligsreaktioner for at få en grundlæggende forståelse af kulstofkredsløbet - den cirkulære omdannelse af kulstof mellem levende ting og miljøet. Naturlige brugere af CO2 omfatter skove, vådområder, og tørvemoser. Forskere har studeret disse og andre kulstofdræn for at udvikle mange kunstige processer, der producerer lignende effekter.

To almindeligt diskuterede typer af kunstig sekvestrering er havlagring - pumpning af CO2 dybt ned i havet - og geologisk sekvestrering - indsprøjtning af CO2 dybt i udtømte olie- og gasreservoirer eller kullejer, der ikke kan udvindes. Forskere tøver med at forfølge en af ​​disse løsninger aggressivt af bekymringer om stabiliteten af ​​forstyrrede naturlige systemer og de potentielle virkninger på havets liv.

For bedre at forstå dynamikken i lagringsløsninger, Sageman og hans team ser på perioder i Jordens historie præget af høje niveauer af atmosfærisk CO2 og opvarmning. "Meget af det arbejde, vi gør, er at forbedre vores forståelse af, hvordan Jordens system opførte sig under tidligere begivenheder med global opvarmning. Dette burde føre til en bedre ramme for at skelne, hvad der kan ske i en fremtidig opvarmning af verden, " han siger.

Mens opsamling og langtidslagring af CO2 antyder nogle levedygtige løsninger til at mindske CO2, forskere ser også på gassen som en ressource til at skabe ren energi. I hele verden, forskere demonstrerer, at CO2 kan være en nøgleingrediens i mange teknologier, der producerer rene, kulstofneutral energi.

Sådanne teknologier kunne supplere de nuværende fossile brændstoffer-baserede systemer for at sænke emissionerne, og til sidst opfange CO2 fra atmosfæren for at hjælpe med at afbøde klimaændringer. Store og små virksomheder – på tværs af industrier, der spænder fra energi til flyselskaber til bilindustrien – lægger mærke til det.

Industriel styrkeløsninger

Branchestrateger over hele linjen, fra små startups til multinationale virksomheder, søger at definere deres roller og muligheder i en fremtid med ren energi. De leder efter komplementære færdigheder, teknologier, eller teknologer, der er i gang med at udvikle innovationer, der er teknisk gennemførlige, men mangler udsyn til markedet. De ved, at med risiko følger belønning, og pionererne venter ikke på den perfekte løsning til deres energibehov; de arbejder sammen med de dygtigste teknologer for at skabe det.

Sammenlignet med virksomheder i mange andre brancher, forsyningsselskaber er ikke kendt for at investere meget i forskning og udvikling, i stedet stole på en relativt statisk videnbase. At forstyrre den status quo, Exelon, den største regulerede forsyning i landet, der betjener 10 millioner forbrugere, investerer aggressivt i teknologier, det kan forme til kundevendte produkter.

Exelon investerer i mange projekter på tidlig og mellemstadie, der komplementerer dets tjenester og samtidig reducerer sit CO2-fodaftryk, herunder investeringer i solenergi, brændstofceller, og batterier. Et eksempel, et firma kaldet NetPower, bruger CO2 som arbejdsvæske til at drive en forbrændingsturbine, der genererer elektricitet uden at producere nogen emissioner. Systemet producerer også CO2 i rørledningskvalitet, der kan lagres eller bruges i industrielle processer, herunder en forbedret olieudvindingsproces, hvor CO2 injiceres i et oliereservoir for at øge produktionen.

I marts 2016 NetPower brød jorden på et 50 megawatt demonstrationsanlæg i La Porte, Texas, med det mål at drive lige så effektivt som de bedste naturgasanlæg i dag. En del af et $140 millioner program, anlægget vil omfatte løbende teknologiske fremskridt, et komplet test- og driftsprogram, og kommerciel produktudvikling. Toshiba vil levere en superkritisk CO2-turbine og brænder til projektet.

"Mange mennesker siger, at naturgas er et brobrændstof til at sænke emissionerne i elsektoren, men fordi de fleste naturgasanlæg er drevet af turbiner, der er afhængige af en traditionel dampcyklus, de kan ikke producere CO2 af høj kvalitet, der kan bruges til andre ting, " siger Gould. "Oven i det, da NetPower-anlæg ikke kræver damp for at drive deres turbiner, det eliminerer også vandforbrug."

Brændstofværdiskabelse

Ligesom NetPower, mange teknologivirksomheder har udviklet processer for at hjælpe industrier med at reducere deres CO2-fodaftryk, og i nogle tilfælde, lave nye produkter i processen. Et sådant firma, LanzaTech, laver bølger i kulstofgenbrug med en proprietær biologisk proces, der bruger en mikrobe til at omdanne industrielle emissioner til nyttige brændstoffer og kemikalier.

"Vi konverterer emissioner til en række nye værdifulde produkter, som ellers ville komme fra råvarer, " siger Prabhakar Nair, LanzaTechs vicepræsident for forretningsudvikling.

LanzaTechs proces arbejder med en række mikrober, giver en kunde mulighed for at specificere det ønskede output - i øjeblikket enten ethanol eller butandiol - og drage fordel af markedsforholdene.

Efter at have åbnet to præproduktionsanlæg i Kina, LanzaTech planlægger at åbne sin første skalerede kommercielle fabrik i Shanghai i slutningen af ​​2017. Virksomheden arbejder også med verdens største stålproducent, ArcelorMittal, at gennemføre et projekt i kommerciel skala på sit flagskibsstålværk i Belgien.

Nøglen til virksomhedens succes, ifølge Nair, ligger i synergien mellem teknologien, industripartnere, og produktaftagere. Fuld service på en demo-skala facilitet inkluderer at forbinde industripartnere med købere for det biprodukt, der produceres der. For eksempel, LanzaTech har knyttet stålproducenter til lokale raffinaderier, der ifølge lovgivningen er forpligtet til at blande ethanol i deres brændstofblandinger.

"Ved at fungere som bro mellem industrier, der har en råvareforsyning, og dem, der har et behov, og ved at gøre det med affaldsemissioner, vi sætter gang i den cirkulære økonomi, " siger Nair.

Virksomheden modtog for nylig $4 millioner fra US Department of Energy's Bioenergy Technologies Office til at designe og planlægge et demonstrationsanlæg, der bruger industrielle afgasser fra stålfremstilling til at producere tre millioner gallons lavkulstof jet- og dieselbrændstoffer om året. Dette kommer i hælene på et partnerskab med Virgin Atlantic, som planlægger en testflyvning i 2017 ved hjælp af jetbrændstof lavet af LanzaTechs proprietære ethanol med lavt kulstofindhold. LanzaTech vurderer, at dets teknologi er kompatibel med 65 procent af stålværkerne, og hvis implementeret kunne producere 15 milliarder gallons flybrændstof om året, eller en femtedel af flybrændstof brugt rundt om i verden.

Race to the Solar Raffinaderiet

Forestil dig at trække op til tankstationen i morgen, men i stedet for at vælge mellem blyfri, plus, eller diesel, du rækker ud efter et meget effektivt brændstof, der kun er fremstillet af sollys, vand, og CO2.

Netop disse komponenter, der udgør dette "solbrændstof", er de samme tre ting, som levende planter omdanner til mad. Kaldet "kunstig fotosyntese, "I skala kan denne proces springe store forhindringer for at reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer.

Med sine fordele, det er ikke underligt, at forskningen i solbrændstoffer har taget fart over hele verden - fra hubs i Japan og Sverige til Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) i Californien, grundlagt af det amerikanske energiministerium i 2010. Med et budget på 122 millioner dollars over fem år, JCAP's mission er at bygge en prototype af et solcellebrændstofsystem.

Komponenterne i systemet, som JCAP forestiller sig, er ret grundlæggende. Systemet kræver et fotovoltaisk materiale for at absorbere lysenergi fra solen, som derefter er rettet mod to separate katalysatorer for at sænke den energiske forhindring for en reaktion. Den ene katalysator spalter vand til protoner og oxygen, og den anden omdanner kuldioxid og protoner til kulbrinter, hovedkomponenterne i brændstoffer. Selvom disse processer i øjeblikket er mulige, de byder stadig på udfordringer.

Den ene er økonomisk. Materialerne, der bruges i både solceller og katalysatorer, er dyre, inklusive sjældne materialer som iridium eller platin, hvilket giver en skalerbarhedsudfordring. Den anden er effektivitet. Selvom den er ti gange mere effektiv end naturlig fotosyntese til at fange og omdanne solens energi, den højeste registrerede effektivitet for kunstig fotosyntese er stadig kun 10 procent. Det er mindre end halvdelen af ​​effektiviteten af ​​siliciumpaneler på markedet i dag.

Så hvorfor al den ballade med at lave energitætte brændstoffer, når vi har mere effektive vedvarende teknologier til rådighed i dag? Kilder til vedvarende energi, inklusive sol og vind, kan kun genereres med mellemrum - når solen skinner eller vinden blæser. Brændstoffer er en levedygtig mulighed for energilagring i netskala, der kan kompensere for denne uregelmæssighed og let transporteres derhen, hvor der er brug for dem.

Energitætheden af ​​brændstoffer er også omkring 100 gange større end den for de højest ydende batterier, og mange transportmetoder – inklusive biler, skibe, og fly – har allerede infrastrukturen til at køre på brændstof. Og når det kommer til at afbøde virkningerne af klimaændringer, hvis disse brændstoffer var lavet af kuldioxid opsamlet fra luften, processen ville være kulstofneutral og ville ikke udsende nye drivhusgasser til atmosfæren.

Samarbejde på globalt plan

Fordi mange spørgsmål forbliver ubesvarede, JCAP har ændret sit mål om at skabe et solbrændstofsystem, i stedet fokusere på at få det grundlæggende i orden. I mellemtiden andre videnskabsmænd fortsætter med en hel systemtilgang.

Den tilgang vil kræve samarbejde og systemudvikling, siger Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall professor i kemi og direktør for Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER) Center. "Forskere har undersystemer, der kan præstere på et eller andet basisniveau, men når du prøver at integrere dem, det er ikke sømløst og derfor ikke kommercielt levedygtigt. Du har brug for videnskabsmænd, der samarbejder med ingeniører for at finde ud af fejlene og skabe et komplet fungerende system, " siger Wasielewski.

Hos ANSER, et Energy Frontier Research Center i det amerikanske energiministerium, Wasielewski arbejder sammen med mere end 60 forskere for at udvikle en grundlæggende forståelse af molekylerne, materialer, og metoder, der kræves for at skabe væsentligt mere effektive teknologier til solbrændstoffer og solenergiproduktion. I 2013 Wasielewski grundlagde også Solar Fuels Institute (SOFI).

SOFI lancerede et seksfaset demonstrationsprojekt i 2016 med sigte på at tage en systemtilgang til at udvikle solbrændstoffer. I slutningen af ​​sidste år, SOFI-forskere havde med succes produceret methanol i laboratoriet på Northwestern. "SOFI-demoprojektet blev set som et system fra starten, " siger Wasielewski. "Vi bliver nødt til at få dette til at fungere fra den ene ende til den anden. Men vi kan ikke gøre det alene."

Som et globalt konsortium, SOFI har universitets- og industripartnere fra hele verden – fra akademiske institutioner, der spænder over tre kontinenter til store multinationale selskaber som Shell og Total. Stadig, SOFI søger samarbejder fra vidtspændende områder, herunder økonomi og politik, at arbejde med implementeringsstrategier.

"Generelt sagt, "Wasielewski siger, "videnskabsmænd og ingeniører kan komme med mere end én løsning på et problem. Vi kan finjustere en proces til at være så meget mere effektiv, men vi kan ikke vide, hvad prioriteterne er for kunder i den virkelige verden, hvis vi ikke involverer dem tidligt. Det er det, der udgør en banebrydende teknologi."