Klimaændringer:Hvordan kunne kunstig fotosyntese bidrage til at begrænse den globale opvarmning?

Hvis CO ₂ emissionerne falder ikke hurtigt nok, derefter CO ₂ vil skulle fjernes fra atmosfæren for at begrænse den globale opvarmning. Ikke alene kunne plantning af nye skove og biomasse bidrage til dette, men også nye teknologier til kunstig fotosyntese. Fysikere har estimeret, hvor meget overfladeareal sådanne løsninger ville kræve. Selvom kunstig fotosyntese kunne binde CO ₂ mere effektivt end den naturlige model, store investeringer i forskning er nødvendige for at opskalere teknologien.

Efter flere år, hvor de globale emissioner stagnerede, de steg igen noget i 2017 og 2018. Tyskland har også klart misset sine klimamål. For at holde den globale opvarmning under 2 grader celsius, kun omkring 1100 gigaton CO ₂ kan frigives til atmosfæren i 2050. Og for at begrænse den globale opvarmning til 1,5 grader, kun knap 400 gigatonn CO ₂ kan udsendes over hele verden. I 2050, emissionerne skal falde til nul. I øjeblikket dog 42 gigaton CO ₂ tilføjes hvert år.

Næsten alle de forskellige scenarier kræver "negative emissioner"

Det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC) har simuleret forskellige scenarier numerisk. Kun i det mest optimistiske scenarie kan klimamålet stadig nås:og dette ved hjælp af øjeblikkelige og drastiske foranstaltninger i alle sektorer (transport, landbrug, konstruktion, energi, etc.).

I de mindre optimistiske scenarier, det globale samfund bliver nødt til at træffe yderligere foranstaltninger begyndende i 2030 eller senest i 2050:vi bliver nødt til at implementere "negative emissioner" ved at fjerne store mængder CO2 ₂ fra atmosfæren og opbevare dem permanent for at balancere kulstofbudgettet. Et eksempel på negative emissioner er skovrejsning i stor skala - skove binder CO ₂ i træ, så længe det ikke senere bruges som brændsel. Men CO ₂ kunne også fjernes fra atmosfæren og bindes ved hjælp af kunstig fotosyntese.

Fysikere har nu beregnet, hvordan dette kan fungere. Dr. Matthias May fra HZB Institute for Solar Fuels er ekspert i kunstig fotosyntese. Dr. Kira Rehfeld er miljøfysiker ved universitetet i Heidelberg, der studerer klima og miljøvariabilitet.

Naturlig fotosyntese:et overfladeareal på størrelse med Europa skulle være skovbevokset

I et medianscenarie, mindst 10 gigaton CO ₂ om året skulle fjernes fra atmosfæren fra omkring 2050 for at balancere klima-kulstofbudgettet. Skovbrug og dyrkning af biomasse til reduktion af CO ₂ konkurrere om de samme arealer, som er nødvendige for landbruget, imidlertid. Med bare mere biomasse alene, det er derfor svært at nå denne skala, for naturlig fotosyntese er ikke en særlig effektiv proces. Blade kan maksimalt bruge to procent af lyset til at omdanne CO ₂ og vand til nye kemiske forbindelser. De to fysikere hævder, at for at binde 10 gigatonn CO ₂ om året i skoven, omkring 10 millioner kvadratkilometer af de frugtbare områder på Jorden skulle tilplantes med ny skov. Dette svarer til arealet af det kontinentale Europa ... op til Ural!.

Med kunstig fotosyntese, et område på størrelse med delstaten Brandenburg kunne være tilstrækkeligt

Materialesystemer, der i øjeblikket forskes i til kunstig fotosyntese, kan binde CO ₂ med betydeligt større effektivitet. Allerede i dag, på en laboratorieskala, fotoelektrokemiske systemer lavet af halvledermaterialer og oxider kan udnytte omkring 19% af lyset til at spalte vand, for eksempel, og dermed realisere en del af fotosynteseprocessen. Imidlertid, det materielle system, som May og Rehfeld forestiller sig, handler ikke om at producere brint med sollys, men i stedet om binding af CO ₂ molekyler og omdanne dem til stabile kemiske forbindelser. "Imidlertid, dette er et relativt ens problem fra et fysisk kemisynspunkt", siger May.

Forudsætningen, imidlertid, er, at det i 2050 vil være muligt at udvikle storstilet, holdbare moduler, der bruger solenergi til at omdanne atmosfærisk CO ₂ ind i andre forbindelser. Det nødvendige areal til denne løsning kan beregnes. Forudsat effektivitet på 19% og 50% systemtab, omkring 30, 000 kvadratkilometer moduler kan være tilstrækkeligt til at udvinde 10 gigaton CO ₂ fra atmosfæren årligt. Dette svarer til det omtrentlige område i den tyske delstat Brandenburg.

"Denne slags moduler kunne placeres i ikke-landbrugsområder - i ørkener, for eksempel. I modsætning til planter, de kræver næsten ikke noget vand for at fungere, og deres effektivitet lider ikke, når de udsættes for intens solstråling, " forklarer May. Den udvundne CO ₂ kan omdannes til myresyre, alkohol eller oxalat og kombineret med andre forbindelser (såsom calciumchlorid) for at danne faste mineraler, der kan opbevares eller endda bruges i form af plastik som byggemateriale.

Fokus på udvikling, ikke på mirakler

Selvom May og Rehfeld er overbevist om, at sådanne løsninger bør overvejes nærmere, de advarer mod at stole på tekniske mirakler. Dette skyldes, at sådanne systemer stadig kun fungerer i den mindste skala, er dyre, og ikke stabil på lang sigt. At ændre dette kræver store investeringer i forskning og udvikling.

"Det kan være muligt at udvikle sådanne moduler, men selvom vi så kunne bygge dem, vi vurderer, at konverteringen vil koste mindst 65 euro pr. ton CO ₂ . Udvindingen af ​​10 gigaton CO ₂ resulterer således i omkostninger på 650 milliarder euro hvert år. I øvrigt, negative emissioner kan kun være sidste udvej til at bremse den dramatiske klimaudvikling. Det bedste nu ville være at reducere emissionerne drastisk med det samme - det ville være sikrere og meget billigere, " siger May.