Kan fjernelse af kulstof fra atmosfæren redde os fra en klimakatastrofe?

Det Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hævder, at en begrænsning af den globale opvarmning til 1,5˚C kan afværge de mest katastrofale virkninger af klimaændringer. I sin seneste rapport, den opstillede fire måder at opnå dette på — og de er alle afhængige af at fjerne kuldioxid fra atmosfæren. Dette skyldes, at selvom vi skærer det meste af vores kulstofemissioner ned til nul, emissioner fra landbrug og flyrejser ville være svære at eliminere helt. Og da kuldioxid, der allerede er i atmosfæren, kan påvirke klimaet i hundreder til tusinder af år, IPCC fastholder, at teknologier til fjernelse af kuldioxid (CDR) vil være afgørende for at slippe af med 100 til 1000 gigatons CO2 i dette århundrede.

Hvordan kan kuldioxid fjernes?

Der er en række CDR-strategier, alle i forskellige udviklingstrin, og varierende i omkostninger, fordele og risici. CDR-tilgange, der anvender træer, planter og jord til at absorbere kulstof er blevet brugt i stor skala i årtier; andre strategier, der er mere afhængige af teknologi, er for det meste på demonstrations- eller pilotstadierne. Hver strategi har fordele og ulemper.

Skovrejsning og genplantning

Når planter og træer vokser, de tager kuldioxid fra atmosfæren og gør det til sukker gennem fotosyntese. På denne måde Amerikanske skove absorberer 13 procent af landets kulstofemissioner; globalt, skove opbevarer næsten en tredjedel af verdens emissioner.

Plantning af yderligere træer kan fjerne mere kulstof fra atmosfæren og opbevare det i lang tid, samt forbedre jordkvaliteten til en relativt lav pris - $0 til $20 pr. ton kulstof. Skovrejsning involverer plantning af træer, hvor der ikke var nogen tidligere; genplantning betyder at genoprette skove, hvor træer er blevet beskadiget eller udtømt.

skovrejsning, imidlertid, kunne konkurrere om jord, der bruges til landbrug, ligesom fødevareproduktionen skal øges med 70 procent i 2050 for at brødføde den voksende verdensbefolkning. Det kan også påvirke biodiversitet og økosystemtjenester.

Og selvom skovene kan opsuge kulstof i årtier, de tager mange år at vokse og kan blive mættede i årtier til århundreder. De kræver også omhyggelig håndtering, fordi de er udsat for menneskelige og naturlige påvirkninger såsom naturbrande, tørke og skadedyrsangreb.

Kulstofbinding i jorden

Det kulstof, som planter optager fra atmosfæren i fotosyntesen, bliver en del af jorden, når de dør og nedbrydes. Det kan forblive der i årtusinder, eller det kan frigives hurtigt afhængigt af klimatiske forhold og hvordan jorden forvaltes. Minimal jordbearbejdning, dækafgrøder, sædskifte og efterladning af afgrøderester på marken hjælper jorden med at lagre mere kulstof.

IPCC, som anser kulstofbinding i jorden for at have evnen til at reducere CO2 til den laveste pris - $0 til $100 pr. ton - vurderer, at kulstofbinding i jorden kan fjerne mellem 2 og 5 gigatons kuldioxid om året i 2050. Til sammenligning, verdens kraftværker frigav 32,5 gigaton CO2 i 2017.

Kulstofbinding i jorden kunne sættes ind med det samme, og ville forbedre jordens sundhed og øge afgrødeudbyttet; desuden ville det ikke stresse jord- og vandressourcer. Men mens jorden lagrer store mængder kulstof i begyndelsen, det kan blive mættet efter 10 til 100 år, afhængig af klimaet, jordtype og hvordan den forvaltes.

Bioenergi med kulstoffangst og -lagring (BECCS)

Hvis vi brænder planter for energi på et kraftværk og opfanger og opbevarer de resulterende emissioner, den CO2, planterne tidligere har optaget, fjernes fra atmosfæren. CO2'en kan derefter bruges til øget olieudvinding eller sprøjtes ind i jorden, hvor den sekvestreres i geologiske formationer.

IPCC anslår, at BECCS kunne fjerne mellem 0,5 og 5 gigatonn kul om året inden 2050. For at absorbere nok kulstof til at holde verden på 2˚, imidlertid, energiafgrøder ville skulle plantes over et landområde op til tre gange så stort som Indien, ifølge et skøn; og endnu mindre mængder BECCS ville konkurrere med jord, der er nødvendig til fødevareproduktion. En undersøgelse konkluderede, at BECCS i stor skala kunne få det globale skovdække til at falde 10 procent og kræve dobbelt så meget vand, som det i øjeblikket bruges globalt til landbrug. BECCS kan også ende med at påvirke biodiversitet og økosystemtjenester, og generere drivhusgasemissioner gennem landbrug og brug af gødning.

På dette tidspunkt, BECCS er dyrt. Lige nu, der er kun ét fungerende BECCS-projekt i verden – en ethanolfabrik i Decatur, IL, der har fanget og opbevaret over 1,4 millioner tons C02. Fordi der er så få forskningsprojekter, og BECCS er uafprøvet i stor skala, det er stadig i en tidlig fase af udviklingen. Mens de nuværende omkostningsestimater for BECCS ligger mellem $30 og $400 pr. ton CO2, undersøgelser projekt, at omkostningerne kunne falde til $100 til $200 pr. ton kulstof i 2050. Ikke desto mindre, BECCS betragtes som en af ​​de mest potentielt effektive strategier til fjernelse af kuldioxid til at levere langsigtet kulstoflagring.

De Nationale Videnskabsakademier, Ingeniør- og medicinprojekter, givet hvad vi ved i dag, skovrejsning og genplantning, kulstofbinding i jorden, og BECCS, sammen med bæredygtig skovdriftspraksis (såsom udtynding af skove og foreskrevne forbrændinger) kunne skaleres op til at opfange og lagre 1 gigaton kulstof om året i USA og 10 gigaton globalt. Imidlertid, dette ville kræve store ændringer i landbruget, håndtering af skov- og biomasseaffald.

Kulstofmineralisering

Denne strategi udnytter en naturlig proces, hvor reaktive materialer som peridotit eller basaltisk lava kemisk binder sig til CO2, danner faste karbonatmineraler såsom kalksten, der kan lagre CO2 i millioner af år. De reaktive materialer kan kombineres med CO2-bærende væske på kulstoffangststationer, eller væsken kan pumpes ind i reaktive klippeformationer, hvor de naturligt forekommer.

Forskere ved Earth Institutes Lamont-Doherty Earth Observatory har arbejdet på kulstofmineralisering i flere år, og er ved at finde måder at fremskynde den naturlige reaktion for at øge CO2-optagelsen og permanent lagre den. Lamont forskningsprofessor David Goldberg og hans kolleger, for eksempel, undersøger muligheden for at lagre 50 millioner tons eller mere CO2 i basaltreservoirer i det nordvestlige Stillehav. Over 20 år, projektet ville tilføre CO2 fra industrielle kilder, såsom fremstilling og fossile brændstoffer kraftværker, ind i basalt 200 miles offshore, på den østlige flanke af Juan de Fuca-ryggen. der, under 2600 meter vand og yderligere 200 meter sediment, basaltreservoiret indeholder porerum, der ville blive fyldt op, når CO2 mineraliseres til karbonatkalksten. I dette område, basalten reagerer hurtigt, og mineraliseringen kan potentielt kun tage to år eller mindre. Goldbergs team har analyseret faktorer, herunder hvordan man transporterer CO2, hvordan det ville reagere kemisk, og hvordan siden kunne overvåges over tid.

Det næste skridt er at lancere et pilotprojekt der for at opbevare 10, 000 tons CO2. "Et pilotprojekt er afgørende for at flytte bolden fremad for basalt offshore kulstofmineralisering, både af tekniske og lovgivningsmæssige årsager, " sagde Goldberg. Det ville gøre det muligt for forskerne at eksperimentere med forskellige former for injektioner - f.eks. om de skal være kontinuerlige eller intermitterende – og besvare spørgsmål som 'hvor hurtigt fyldes porerummet?' som kun kan testes i marken. Ud over, et pilotprojekt er nøglen til at forstå de regulatoriske konsekvenser af kulstofmineralisering, da der i øjeblikket ikke findes regler. Canada og USA vil først begynde at skabe en lovgivningsramme, når de har et pilotprojekt. Goldberg siger, at de stadig leder efter finansiering til et pilotprojekt, men "Der er stor interesse."

Siden 2012 har CarbFix, et islandsk projekt, som Goldberg også arbejdede på, har opsamlet kulstof og mineraliseret det på landets største geotermiske kraftværk drevet af Reykjavik Energy. Mens anlægget kører på geotermisk vedvarende energi, det udsender stadig en lille mængde CO2; CarbFix injicerer 12, 000 tons CO2 årligt ned i jorden for $30 pr. ton.

Fordi kulmineralisering drager fordel af naturlige kemiske processer, det har potentialet til at give en økonomisk, ugiftig og permanent måde at opbevare enorme mængder kulstof på. Imidlertid, der er stadig tekniske og miljømæssige spørgsmål, der skal besvares - ifølge National Academies rapport, kulstofmineralisering kan muligvis forurene vandressourcerne eller udløse jordskælv.

Direkte luftindfangning

Direkte luftopsamling suger kuldioxid ud af luften ved at bruge ventilatorer til at flytte luft over stoffer, der binder specifikt til kuldioxid. (Dette koncept er baseret på Klaus Lackners "kunstige træ" arbejde, direktør for Center for Negative Carbon Emissions ved Arizona State University, som i mange år var direktør for Jordinstituttets Lenfest Center for Bæredygtig Energi.) Teknologien anvender forbindelser i en flydende opløsning eller i en coating på et fast stof, der opfanger CO2, når de kommer i kontakt med det; når de senere udsættes for varme og kemiske reaktioner, de frigiver CO2, som derefter kan komprimeres og opbevares under jorden. Fordelene ved direkte luftopsamling er, at det faktisk er en negativ emissionsteknologi - den kan fjerne kulstof, der allerede er i atmosfæren, i modsætning til at opfange nye emissioner, der genereres - og systemerne kunne placeres næsten hvor som helst.

På et kulværk, omkring hver tiende molekyle i udstødningsgas er CO2, men CO2 i atmosfæren er mindre koncentreret. Kun én ud af 2, 500 molekyler er CO2, så processen til at fjerne CO2 er dyrere sammenlignet med at opfange kulstof fra fossile brændselsanlæg. Direkte luftfangst startede ved $600 pr. ton kulstof; i øjeblikket koster det $100-$200 pr. ton - stadig dyrt, dels fordi der ikke er økonomiske incitamenter (f.eks. en kulafgift) eller sekundære miljøfordele (f.eks. forbedret jordkvalitet) til at fjerne CO2 fra luften. Forbedring af teknologien, så CO2 kan opfanges mere effektivt, og/eller salg af den opfangede CO2 kan bringe prisen ned. Tre virksomheder - Swiss Climeworks, Canadisk Carbon Engineering, og American Global Thermostat - arbejder på dette.

Climeworks første kommercielle fabrik nær Zürich fanger 1, 000 tons CO2 om året, som bruges i et drivhus til at øge afgrødeudbyttet med 20 procent. I 2017 virksomheden installerede en direkte luftindfangningsenhed som en demo på Reykjavik Energys islandske anlæg for at opfange en lille mængde CO2, som derefter bliver lagret under jorden af ​​CarbFix.

Climeworks har nu 14 direkte luftindfangningsanlæg bygget eller under opførelse i Europa; dets italienske fabrik bruger det opsamlede CO2 til at fremstille metanbrændstof til lastbiler.

Carbon Engineering, som kan prale af Bill Gates som investor, har et anlæg i det vestlige Canada, der kan opfange en million tons CO2 om året. Det projekterer, at i stor skala, det kunne fjerne CO2 for $100 til $150 pr. ton. Dens mål er at bruge CO2 til at lave kulstofneutralt syntetisk kulbrintebrændstof, hvilket vil sænke omkostningerne yderligere. Virksomheden fastholder, at en facilitet, der bruger denne "Air to Fuels"-proces, en gang opskaleret, kunne producere brændstof til mindre end 1 dollar per liter.

Global termostat, der bygger sit første anlæg i Huntsville, AL, sigter på at få sin pris ned til 50 dollars pr. ton ved at sælge den opfangede CO2 til et sodavandsfirma. Virksomheden ville bygge små "fangstanlæg" på stedet ved sodavandsfabrikantens faciliteter, dermed reducere omkostningerne til energi og transport.

En undersøgelse forudsagde, at direkte luftopsamling kunne suge 0,5 til 5 gigatons CO2 op om året i 2050 med muligvis 40 gigatons i 2100. direkte luftopsamling i stor skala kan i sidste ende have miljøpåvirkninger som følge af udvindingen, raffinering, transport og affaldsbortskaffelse af de mineraler, der fanger kulstofemissionerne.

Mens direkte luftindfangning har et stort potentiale for fjernelse af kuldioxid, det er stadig på et tidligt udviklingsstadium. Heldigvis, det får noget kongresstøtte i form af FUTURE Act (den yderligere kulstofopsamling, Udnyttelse, Teknologi, Underjordisk opbevaring, og loven om reducerede emissioner). Loven fordobler skattefradragene for at opfange og permanent lagre kuldioxid i geologiske formationer og bruge det til øget olieudvinding; for virksomheder, der omdanner kulstof til andre produkter såsom cement, kemikalier, plast og brændstof; og giver en skattefradrag på $35 pr. ton CO2 via direkte luftopsamling.

Forbedret forvitring

Sten og jord bliver forvitret ved at reagere med CO2 i luften eller i sur regn, som naturligt opstår, når CO2 i luft opløses i regnvand. Stenene bryder ned, skabe bikarbonat, en kulstofvask, som til sidst føres ud i havet, hvor det opbevares. Forbedret forvitring fremskynder denne proces ved at sprede pulveriseret sten, såsom basalt eller olivin, på landbrugsjord eller på havet. Det kunne knuses og spredes på marker og strande, og endda brugt til stier og legepladser.

Forbedret forvitring kan forbedre jordkvaliteten, og når det alkaliske bicarbonat skylles ud i havet, det kunne hjælpe med at neutralisere havforsuring. Men det kan også potentielt ændre jordens pH og kemiske egenskaber, og påvirke økosystemer og grundvand. Minedrift, slibning og transport af klippen ville være dyrt, kræver meget energi og producerer yderligere kulstofemissioner samt luftforurening. På grund af de mange variabler og det faktum, at de fleste vurderinger af forbedret forvitring ikke er blevet testet i marken, omkostningsestimater varierer meget.

Alkalisering af havet, betragtes som en form for forbedret forvitring, involverer tilsætning af alkaliske mineraler, såsom olivin, til havoverfladen for at øge CO2-optagelsen og modvirke havforsuring. En undersøgelse vurderede, at denne strategi kunne opsamle mellem 100 tons til 10 gigatons CO2 om året, til omkostninger fra $14 til over $500 pr. ton. Dens økologiske påvirkninger, imidlertid, er ukendte.

Havbefrugtning

Havbefrugtning ville tilføje næringsstoffer, ofte jern, til havet for at få algeopblomstring, som ville absorbere mere CO2 gennem fotosyntese. Imidlertid, ved at stimulere væksten af ​​fytoplankton - grundlaget for fødekæden - kan havgødskning påvirke lokal og regional fødevareproduktivitet. Store algeblomster kan også forårsage eutrofiering og resultere i døde zoner, der er udtømt for ilt. Ud over dets mulige økosystempåvirkninger, det har også mindre potentiale til at binde kulstof på lang sigt.

Kystblåt kulstof

strandenge, mangrover, havgræsser og andre planter i tidevandsvådområder er ansvarlige for mere end halvdelen af ​​det kulstof, der bindes i havet og kystnære økosystemer. Dette blå kulstof kan lagres i årtusinder i planter og sedimenter. Imidlertid, vådområder ødelægges af afstrømning og forurening, tørke og kystudvikling – et område med søgræs på størrelse med en fodboldbane går tabt hver halve time. At genoprette og skabe vådområder og styre dem bedre kan potentielt fordoble deres kulstoflagring. Sunde vådområder giver også stormbeskyttelse, forbedre vandkvaliteten og støtte livet i havet.

Der er få estimater af kulstoffjernelsespotentialet for blåt kulstof, men omkostningerne ville være lave til nul.

Og nogle ideer til fremtiden

Y Combinator, en organisation, der finansierer lovende startups, har udsendt en opfordring til enhver, der arbejder med nye typer af teknologier til fjernelse af kuldioxid, ingen af ​​dem er endnu testet uden for et laboratorium. Specifikt, de leder efter projekter inden for fire områder:

• Ændring af fytoplanktonets gener ville sætte dem i stand til at binde kulstof i områder af det globale hav, der mangler de næringsstoffer, der er nødvendige for fotosyntesen.
• Elektro-geokemi bruger elektricitet fra vedvarende kilder til at nedbryde saltvand til at producere brint (som kan bruges til brændstof) og ilt, hvilken, i nærværelse af mineraler, producerer en meget reaktiv løsning. Denne opløsning absorberer kuldioxid fra atmosfæren og omdanner det til bikarbonat.
• Enzymsystemer fremskynder kemiske reaktioner, der kan ændre kuldioxid til andre nyttige organiske forbindelser. Y Combinator vil gerne skabe enzymsystemer, der kan gøre dette uden for levende celler for at forenkle kulstoffiksering.
• Den sidste idé involverer at skabe 4,5 millioner små oaser i ørkener til at være vært for fytoplankton, der ville absorbere CO2. De ville også give frisk vand og støtte vegetation, der også kunne suge kulstof op.

Hvad er nødvendigt for at fremme fjernelse af kuldioxid?

Hver CDR -teknologi er mulig på et eller andet niveau, men har usikkerhed om omkostningerne, teknologi, hastigheden af ​​mulig implementering, eller miljøpåvirkninger. Det er klart, at ingen enkelt leverer den ultimative løsning på klimaændringer.

"Fjernelse af kuldioxid alene kan ikke gøre det, " sagde Kate Gordon, en fellow ved Columbia Center for Global Energy Policy. "Hvis der er én ting, som IPCC-rapporten virkelig understreger, er, at vi har brug for en portefølje - vi skal reducere emissionerne dramatisk, vi er nødt til at finde flere muligheder for vedvarende energi til at erstatte fossile brændstoffer, vi er nødt til at elektrificere en masse ting, der i øjeblikket køres på petroleum, og så er vi nødt til at foretage en enorm mængde kulstoffjernelse." På kort sigt ville hun gerne se mere implementering og optrapping af gennemprøvede og sande strategier, såsom træplantning af træer og mere bæredygtig landbrugspraksis.

Faktisk, en ny undersøgelse har netop fastslået, at plantning af træer og forbedring af forvaltningen af ​​græsarealer, landbrugsarealer og vådområder kunne beslaglægge 21 procent af USA's årlige drivhusgasemissioner til relativt lave omkostninger.

At udvikle de andre strategier til fjernelse af kuldioxid yderligere vil kræve betydelige beløb.

"Klimafilantropisamfundet er faktisk nødt til at anerkende dette som en del af klimaløsningen - det er virkelig vigtigt, at [CDR] bliver en del af den portefølje, " sagde Gordon. "Vi har også brug for et ret betydeligt føderalt F&U-budget dedikeret til disse strategier, så vi kan begynde at forbedre teknologien og få et bedre indblik i, hvor meget det koster at gøre hver af disse ting, hvor effektive de er, og hvor sikre de er."

Etablering af et økonomisk incitament til at fjerne kulstof, såsom en kulstofafgift eller sanktioner for udledning af kulstof, ville også hjælpe.

"Dette er den næste grænse for energien, klima- og teknologisamtale, " sagde Gordon. "Vi er nødt til at være på forkant med denne ting, hvis vi vil forblive konkurrencedygtige - hvis vi vil fortsætte med at have det meste af verdens ren energi og avancerede energipatenter ... ellers køber vi det fra en anden, fordi nogen vil gøre det. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu. Den originale artikel er her.