Czy wysysanie CO2 z atmosfery naprawdę działa?

Fizyk Peter Eisenberger spodziewał się, że koledzy zareagują na jego pomysł ze sceptycyzmem. Twierdził przecież, że wynalazł maszynę, która może oczyścić atmosferę z nadmiaru dwutlenku węgla, zamieniając gaz w paliwo lub magazynując go pod ziemią. A naukowiec z Columbia University zdawał sobie sprawę, że nazwanie jego dwuletniego start-upu Global Thermostat nie było do końca ćwiczeniem z pokory.

Ale przyjęcie wiosną 2009 roku było jeszcze bardziej lekceważące, niż się spodziewał. Najpierw rozmawiał ze specjalną komisją zwołaną przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne w celu przeanalizowania możliwych sposobów redukcji dwutlenku węgla w atmosferze poprzez tak zwane wychwytywanie powietrza, co zasadniczo oznacza usuwanie go z nieba. Słuchali grzecznie jego prezentacji, ale prawie nie zadawali żadnych pytań. Kilka tygodni później przemawiał do podobnie sceptycznej publiczności w Narodowym Laboratorium Technologii Energetycznych Departamentu Energii USA w Zachodniej Wirginii. Eisenberger wyjaśnił, że badania jego laboratorium obejmują substancje chemiczne zwane aminami, które są już wykorzystywane do wychwytywania stężonego dwutlenku węgla emitowanego z elektrowni na paliwa kopalne. Powiedział, że ta sama technologia oparta na aminach wykazała również potencjał do znacznie trudniejszego i ambitniejszego zadania wychwytywania gazu z otwartego powietrza, gdzie dwutlenek węgla występuje w stężeniu 400 części na milion. To nawet 300 razy bardziej rozproszone niż w kominach elektrowni. Ale Eisenberger twierdził, że miał prosty projekt osiągnięcia tego wyczynu w opłacalny sposób, częściowo ze względu na sposób, w jaki przetwarza aminy. To nawet nie zostało zarejestrowane, wspomina. Czułem, że dużo ludzi na mnie wkurza.

CTO i współzałożyciel Peter Eisenberger przed maszyną do przechwytywania powietrza Global Thermostat.

Jednak następnego dnia kierownik laboratorium zadzwonił do niego podekscytowany. Naukowcy z DOE zdali sobie sprawę, że próbki amin znajdujące się w laboratorium wiązały się z dwutlenkiem węgla w temperaturze pokojowej – fakt, którego do tej pory nie doceniali. Oznaczało to, że podejście Eisenbergera do przechwytywania powietrza było przynajmniej wykonalne, mówi jeden z chemików laboratorium DOE, Mac Gray.

Pięć lat później firma Eisenbergera zebrała 24 miliony dolarów na inwestycje, zbudowała działający zakład demonstracyjny i zawarła umowy na dostawę co najmniej jednemu klientowi dwutlenku węgla zebranego z nieba. Ale kolejnym wyzwaniem jest udowodnienie, że technologia może mieć transformacyjny wpływ na świat, zgodnie z nazwą jego firmy.

Potrzeba maszyny ssącej węgiel jest łatwa do zauważenia. Większość technologii ograniczania emisji dwutlenku węgla działa tylko tam, gdzie gaz emitowany jest w dużych stężeniach, jak w elektrowniach. Ale maszyny do przechwytywania powietrza, zainstalowane w dowolnym miejscu na ziemi, mogą poradzić sobie z 52 procentami emisji dwutlenku węgla, które są powodowane przez rozproszone, mniejsze źródła, takie jak samochody, farmy i domy. Po drugie, wychwytywanie powietrza, jeśli kiedykolwiek stanie się praktyczne, może stopniowo zmniejszać stężenie dwutlenku węgla w atmosferze. Ponieważ emisje przyspieszyły – obecnie rosną o 2 procent rocznie, dwa razy szybciej niż w ostatnich trzech dekadach XX wieku – naukowcy zaczęli dostrzegać pilną potrzebę osiągnięcia tak zwanych ujemnych emisji.

Oczywiste zapotrzebowanie na tę technologię skłoniło kilka innych wysiłków do opracowania różnych podejść, które mogą być praktyczne. Na przykład firma Climate Engineering z siedzibą w Calgary wychwytuje węgiel za pomocą ciekłego roztworu wodorotlenku sodu, która jest dobrze znaną techniką przemysłową. Firma, której współzałożycielem był pionier tego pomysłu, kolega Eisenberga z Columbii Klaus Lackner, pracowała nad tym problemem przez kilka lat, zanim zrezygnowała w 2012 roku.

Emisje ujemne są zdecydowanie potrzebne do przywrócenia atmosfery, biorąc pod uwagę, że znacznie przekroczymy wszelkie bezpieczne limity dla CO2, jeśli taki istnieje. Pytanie w moim umyśle brzmi, czy można to zrobić oszczędnie?

Raport opublikowany w kwietniu przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu mówi, że uniknięcie uzgodnionego na szczeblu międzynarodowym celu globalnego ocieplenia o 2°C będzie prawdopodobnie wymagało globalnego wdrożenia strategii usuwania dwutlenku węgla, takich jak wychwytywanie powietrza. (Zobacz Koszt ograniczenia zmian klimatycznych może się podwoić bez technologii wychwytywania dwutlenku węgla). Negatywne emisje są zdecydowanie potrzebne do przywrócenia atmosfery, biorąc pod uwagę, że znacznie przekroczymy wszelkie bezpieczne limity dla CO2, jeśli taki istnieje, mówi Daniel Schrag, dyrektor Centrum Ochrony Środowiska Uniwersytetu Harvarda. Pytanie w moim umyśle brzmi, czy można to zrobić oszczędnie?

Większość ekspertów jest sceptyczna. (Zobacz Czego wychwytywanie dwutlenku węgla nie może zrobić). Raport Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego z 2011 r. określił kluczowe wyzwania fizyczne i ekonomiczne. Fakt, że dwutlenek węgla wiąże się z aminami, tworząc cząsteczkę zwaną karbaminianem, jest dobrze znaną chemią. Ale dwutlenek węgla wciąż stanowi tylko jedną na 2500 cząsteczek w powietrzu. Oznacza to, że skuteczna maszyna do przechwytywania powietrza musiałaby przepchnąć ogromne ilości powietrza przez aminy, aby uzyskać wystarczającą ilość dwutlenku węgla, aby się do nich przykleić, a następnie zregenerować aminy, aby wychwycić więcej. W sprawozdaniu z 2011 roku stwierdzono, że wymagałoby to dużo energii, a zatem byłoby bardzo drogie. Dlatego doszła do wniosku, że wychwytywanie powietrza nie jest obecnie opłacalnym ekonomicznie podejściem do łagodzenia zmian klimatu.

Pracownicy Global Thermostat rozumieją tę zniechęcającą ekonomię, ale pozostają wyzywająco optymistyczni. Sposobem na zyskowność wychwytywania powietrza, mówi Graciela Chichilnisky, współzałożycielka Global Thermostat, ekonomistka i matematyk z Columbia University, jest wykorzystanie popytu na gaz w różnych gałęziach przemysłu. Istnieje już ugruntowany, warty miliardy dolarów rynek dwutlenku węgla, który jest używany do odmładzania szybów naftowych, produkcji napojów gazowanych i stymulowania wzrostu roślin w szklarniach komercyjnych. Historycznie gaz kosztuje około 100 dolarów za tonę. Ale Eisenberger mówi, że prototypowa maszyna jego firmy może wydobyć skoncentrowaną tonę gazu za znacznie mniej. Pomysł polega na tym, aby najpierw sprzedać dwutlenek węgla na rynkach niszowych, takich jak odzyskiwanie szybów naftowych, aby ostatecznie stworzyć większe, takie jak wykorzystanie katalizatorów do wytwarzania paliw w procesach napędzanych energią słoneczną. Kiedy wychwytywanie dwutlenku węgla z powietrza jest opłacalne, ludzie działający we własnym interesie to zrobią, mówi Chichilnisky.

Rozgrzewka

Eisenberger i Chichilnisky byli kolegami w Columbii w 2008 roku, kiedy zdali sobie sprawę, że mają uzupełniające się interesy: jego w energetyce, a jej w ekonomii środowiska, w tym pracy nad kształtowaniem Protokołu z Kioto z 1991 roku, pierwszego globalnego traktatu o ograniczeniu emisji. Narody zobowiązały się do dużych cięć, mówi Chichilnisky, ale realia gospodarcze i polityczne nie zapewniły możliwości ich wdrożenia. Para postanowiła stworzyć biznes, aby sprostać wyzwaniu węglowemu.

Skupili się na wychwytywaniu powietrza, które po raz pierwszy zostało opracowane przez nazistowskich naukowców, którzy wykorzystywali płynne sorbenty do usuwania nagromadzeń CO2 w okrętach podwodnych. Zimą 2008 roku Eisenberger zaszył się w cichym domu z dużymi szklanymi oknami wychodzącymi na ocean w hrabstwie Mendocino w Kalifornii. Tam przestudiował istniejącą literaturę na temat wychwytywania węgla i podjął kluczową decyzję. Naukowcy opracowujący techniki wychwytywania CO2 do tej pory starali się pracować przy wysokich stężeniach gazu. Ale Eisenberger i Chichilnisky skupili się na innym wyrażeniu w tych równaniach: temperaturze.

Inżynierowie stosowali już aminy do oczyszczania CO2 z gazów spalinowych, których temperatura w momencie opuszczania elektrowni wynosi około 70 °C. Późniejsze usunięcie CO2 z amin — regeneracja amin — na ogół wymaga reakcji w temperaturze 120 °C. Z kolei Eisenberger obliczył, że jego system będzie działał w temperaturze około 85 °C, wymagając mniej całkowitej energii. Używałby stosunkowo taniej pary do dwóch celów. Para ogrzewałaby powierzchnię, usuwając CO2 z gromadzonych amin, jednocześnie wyrzucając CO2 z powierzchni.

Nawet jeśli przechwytywanie powietrza miałoby kiedyś okazać się opłacalne, to czy należy je zwiększyć, to inna kwestia.

Skutek? Przy mniejszej infrastrukturze zarządzania ciepłem niż w przypadku amin w kominach elektrowni, projekt płuczki mógłby być prostszy, a przez to tańszy. Korzystając z danych z ich prototypu, zespół Eisenbergera szacuje, że podejście może kosztować od 15 do 50 USD za tonę dwutlenku węgla wychwyconego z powietrza, w zależności od tego, jak długo trwają powierzchnie amin.

Jeśli Global Thermostat może osiągnąć ceny zbliżone do reklamowanych przez siebie, kusi wiele niszowych rynków. Startup nawiązał współpracę z firmą Algae Systems z siedzibą w Carson City w stanie Nevada, aby produkować biopaliwa przy użyciu dwutlenku węgla i alg. Tymczasem rośnie zapotrzebowanie na dwutlenek węgla do wstrzykiwania do wyeksploatowanych szybów naftowych, technikę znaną jako ulepszone odzyskiwanie ropy. Jedno z badań szacuje, że aplikacja może wymagać nawet 3 miliardów ton dwutlenku węgla rocznie do 2021 roku, co stanowi prawie dziesięciokrotny wzrost w porównaniu z rynkiem z 2011 roku.

To wciąż oznacza spadek ilości potrzebnych do zmniejszenia lub nawet ustabilizowania stężenia CO2 w atmosferze. Ale Eisenberger mówi, że tak naprawdę nie ma alternatywy dla przechwytywania powietrza. Mówi, że samo wychwytywanie emisji dwutlenku węgla z elektrowni węglowych tylko zwiększa zależność społeczeństwa od węgla wysokoemisyjnego.

Ssij to

Jest ciepłe grudniowe popołudnie w Dolinie Krzemowej, gdy Eisenberger i ja przemierzamy centrum badań betonu SRI International. To właśnie w tych niskich budynkach inżynierowie po raz pierwszy zademonstrowali ARPAnet, oprogramowanie Siri firmy Apple i niezliczone inne osiągnięcia technologiczne. Około ćwierć mili od wejścia widać 40-metrową wieżę wentylatorów, stalowych i srebrnych rur. To jest zakład demonstracyjny Global Thermostat. Jest imponujący i czysty. Eisenberger wpatruje się w cichą scenę wokół wieży, w której znajduje się wysokie drzewo. Robi dokładnie to, co robi drzewo, mówi Eisenberger. Ale potem się poprawia. Cóż, właściwie robi to o wiele lepiej.

Po tym, jak Eisenberger uzyskał doktorat z fizyki w 1967 na Harvardzie, dołączył do Bell Labs, Princeton i Stanford. W Exxon w latach 80. kierował pracami nad energią słoneczną, a następnie pełnił funkcję dyrektora Lamont-Doherty, laboratorium nauk o Ziemi w Columbii. Prowadził tam wieloletnie seminarium pt. System Ziemia/Człowiek. To właśnie na tym seminarium w 2007 roku, gdy Lackner był gościnnym wykładowcą, Eisenberger po raz pierwszy usłyszał o przechwytywaniu powietrza. Po około roku przygotowań on i Chichilnisky skontaktowali się z miliarderem Edgarem Bronfmanem Jr. Czasami, gdy słyszysz coś, co musi być zbyt piękne, aby było prawdziwe, to dlatego, że tak było, była to reakcja Bronfmana, według jego syna, który był obecny na spotkaniu. Ale potomek błagał ojca: Jeśli mają rację, to jest to jedna z największych możliwości. Rodzina zainwestowała 18 milionów dolarów.

Ta hojność pozwoliła firmie zbudować demonstrację pomimo braku wsparcia federalnego dla badań nad przechwytywaniem powietrza. (Global Thermostat wybrał SRI na swoją lokalizację ze względu na wcześniejsze doświadczenia zakładu z technologią wychwytywania dwutlenku węgla). Każda składa się z 640 kostek ceramicznych zatopionych w sorbencie aminowym. Wieża podnosi jeden stycznik, gdy drugi jest opuszczany. To pozwala kostkom jednego zbierać CO2 z otaczającego powietrza, podczas gdy drugi jest usuwany z gazu przez zastosowanie pary o temperaturze 85 °C. Na razie ten gaz jest po prostu odpowietrzany, ale w zależności od klienta może być wtłaczany do gruntu, przesyłany rurami lub przesyłany do zakładu chemicznego do użytku przemysłowego.

Kluczowym wyzwaniem stojącym przed firmą jest odporność powierzchni sorbentu aminowego. Mają tendencję do szybkiego rozpadu po utlenieniu, a częsta wymiana sorbentów może sprawić, że proces będzie znacznie mniej opłacalny niż projekty Eisenbergera.

Złudna nadzieja

Żadna z tysięcy elektrowni węglowych na świecie nie została przystosowana do pełnego wychwytywania zanieczyszczenia dwutlenkiem węgla. A jeśli nie jest opłacalny w elektrowniach, z ich skoncentrowanym źródłem dwutlenku węgla, perspektywy wychwytywania go z powietrza wydają się wielu ekspertom mgliste. Jest naprawdę niewielka szansa, że ​​można wychwytywać CO2 z otaczającego powietrza taniej niż z elektrowni węglowej, w której gazy spalinowe są 300 razy bardziej skoncentrowane, mówi Robert Socolow, dyrektor Princeton Environment Institute i współdyrektor uniwersyteckiej inicjatywy ograniczania emisji dwutlenku węgla. .

Dodatkowym sceptycyzmem co do wykonalności wychwytywania powietrza jest to, że istnieją inne, tańsze sposoby tworzenia tak zwanych ujemnych emisji. Bardziej praktyczny sposób, mówi Schrag, polegałby na pozyskiwaniu paliw z biomasy, która usuwa CO2 z atmosfery w miarę jej wzrostu. Ponieważ surowiec jest fermentowany w reaktorze w celu wytworzenia etanolu, wytwarza strumień czystego dwutlenku węgla, który można wychwycić i przechowywać pod ziemią. Jest to sprawdzona technika, która została przetestowana w kilku miejscach na całym świecie.

Nawet gdyby przechwytywanie powietrza okazało się kiedyś opłacalne, czy to powinnam skalować to kolejne pytanie. Powiedzmy, że elektrownia słoneczna jest budowana poza istniejącą elektrownią węglową. Czy energia wytwarzana przez nową elektrownię słoneczną powinna być wykorzystywana do wysysania dwutlenku węgla z atmosfery, czy też pozwalać na zamknięcie elektrowni węglowej poprzez zastąpienie jej produkcji energii? To ostatnie ma znacznie więcej sensu, mówi Socolow. On i inni mają inne obawy związane z przechwytywaniem powietrza: twierdzenia o jego wykonalności mogą rodzić samozadowolenie. Nie chcę, abyśmy dawali ludziom fałszywą nadzieję, że wychwytywanie powietrza może rozwiązać problem emisji dwutlenku węgla bez silnego skupienia się na [ograniczeniu zużycia] paliw kopalnych, mówi.

Eisenberger i Chichilnisky są nieugięci w kwestii znaczenia wysysania CO2 z atmosfery, zamiast skupiania się wyłącznie na wychwytywaniu go z elektrowni węglowych. W 2010 roku para opracowała wersję swojej technologii, która polega na mieszaniu powietrza ze spalinami z elektrowni opalanej węglem lub gazem. Takie podejście zapewnia źródło pary, jednocześnie wychwytując zarówno węgiel atmosferyczny, jak i nowe emisje. Może również obniżyć koszty, zapewniając większe stężenie CO2 do wychwytywania przez maszynę. To bardzo imponujący system, triumf, mówi Socolow, który uważa, że ​​postępy naukowe w wychwytywaniu powietrza zostaną ostatecznie wykorzystane głównie w elektrowniach węglowych i gazowych.

Taka aplikacja może odegrać kluczową rolę w oczyszczaniu emisji gazów cieplarnianych. Ale Eisenberger ujawnił jeszcze wyższe cele. Patent przyznany jemu i Chichilnisky w 2008 r. opisał technologię przechwytywania powietrza jako między innymi globalny termostat do kontrolowania średniej temperatury atmosfery planety.

Eli Kintisch jest korespondentem Nauka czasopismo.

ukryć