Sekwestracja dwutlenku węgla
| Część serii o |
| cyklu węglowym |
|---|
 |
Sekwestracja węgla (lub magazynowanie węgla ) to proces magazynowania węgla (w szczególności atmosferycznego dwutlenku węgla ) w zbiorniku węgla . Proces ten działa jak pochłaniacz dwutlenku węgla , co oznacza, że usuwa gaz cieplarniany lub prekursor gazu cieplarnianego z atmosfery. Sekwestracja dwutlenku węgla jest procesem występującym naturalnie, ale można go również ulepszyć lub osiągnąć za pomocą technologii, na przykład w ramach wychwytywania i składowania dwutlenku węgla . Istnieją dwa główne typy sekwestracji węgla: geologiczna i biologiczna (zwana także biosekwestracją ).
Dwutlenek węgla ( CO
2 ) jest naturalnie wychwytywany z atmosfery w procesach biologicznych, chemicznych i fizycznych. Zmiany te można przyspieszyć poprzez zmiany w użytkowaniu gruntów i praktykach rolniczych, takie jak przekształcanie gruntów uprawnych w grunty pod szybko rosnące rośliny niebędące uprawami. Opracowano sztuczne procesy mające na celu uzyskanie podobnych efektów, w tym sztuczne wychwytywanie i sekwestrację produkowanego przemysłowo CO2 na dużą skalę
przy użyciu podpowierzchniowych solankowych warstw wodonośnych lub starzejących się pól naftowych . Inne technologie, które współpracują z sekwestracją węgla, obejmują bioenergię z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla , biowęgiel , ulepszone wietrzenie , bezpośrednie wychwytywanie i sekwestrację dwutlenku węgla w powietrzu (DACCS).
Lasy, grządki wodorostów i inne formy życia roślin pochłaniają dwutlenek węgla z powietrza podczas wzrostu i wiążą go w biomasę. Jednak te biologiczne magazyny są uważane za lotne pochłaniacze dwutlenku węgla , ponieważ nie można zagwarantować długoterminowej sekwestracji. Na przykład zdarzenia naturalne, takie jak pożary lub choroby, presja ekonomiczna i zmieniające się priorytety polityczne mogą spowodować, że sekwestrowany węgiel zostanie z powrotem uwolniony do atmosfery. Dwutlenek węgla, który został usunięty z atmosfery, może być również magazynowany w skorupie ziemskiej poprzez wtłaczanie go pod powierzchnię lub w postaci nierozpuszczalnych soli węglanowych ( sekwestracja minerałów ). Metody te są uważane za nielotne, ponieważ usuwają węgiel z atmosfery i sekwestrują go w nieskończoność i przypuszczalnie przez znaczny czas (od tysięcy do milionów lat).
Aby usprawnić procesy sekwestracji węgla w oceanach, zaproponowano następujące technologie, ale żadna z nich nie znalazła jak dotąd zastosowania na dużą skalę: hodowla wodorostów , nawożenie oceanów , sztuczne upwelling , magazynowanie bazaltu, mineralizacja i osady głębinowe, dodawanie zasad w celu neutralizacji kwasów. Zrezygnowano z pomysłu bezpośredniego zatłaczania dwutlenku węgla do głębin morskich .
Terminologia
Termin sekwestracja węgla jest używany na różne sposoby w literaturze i mediach. Szósty raport oceniający IPCC definiuje go jako „Proces magazynowania węgla w puli węgla”. Następnie pulę definiuje się jako „zbiornik w systemie Ziemi, w którym pierwiastki, takie jak węgiel i azot, przebywają przez pewien czas w różnych formach chemicznych”.
United States Geological Survey (USGS) definiuje sekwestrację węgla w następujący sposób: „Sekwestracja węgla to proces wychwytywania i magazynowania atmosferycznego dwutlenku węgla”. Dlatego różnica między sekwestracją węgla a wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla (CCS) jest czasami zacierana w mediach. IPCC definiuje jednak CCS jako „proces, w którym stosunkowo czysty strumień dwutlenku węgla (CO 2 ) ze źródeł przemysłowych jest oddzielany, przetwarzany i transportowany do miejsca długoterminowego składowania”.
Dlatego CCS jest aplikacją technologiczną, która wykorzystuje techniki sekwestracji sztucznego węgla.
Historia tego terminu (etymologia)
Termin sekwestracja opiera się na łacińskim sekwestracji , co oznacza odłożenie na bok lub poddanie się. Pochodzi od sekwestratora, depozytariusza lub powiernika, w którego rękach rzecz sporna została oddana do czasu rozstrzygnięcia sporu. W języku angielskim „sequestered” oznacza po prostu odosobniony, wycofany.
Z prawnego punktu widzenia sekwestracja jest czynnością polegającą na usunięciu, oddzieleniu lub zajęciu czegokolwiek z własności właściciela w ramach procesu prawnego na korzyść wierzycieli lub państwa.
Role
W naturze
Sekwestracja węgla jest częścią naturalnego obiegu węgla , w ramach którego węgiel jest wymieniany między biosferą , pedosferą , geosferą , hydrosferą i atmosferą Ziemi .
Dwutlenek węgla jest naturalnie wychwytywany z atmosfery w wyniku procesów biologicznych, chemicznych lub fizycznych.
W łagodzeniu zmian klimatycznych
Sekwestracja dwutlenku węgla – działając jako pochłaniacz dwutlenku węgla – pomaga łagodzić zmiany klimatu , a tym samym ograniczać szkodliwe skutki zmian klimatu . Pomaga spowolnić gromadzenie się gazów cieplarnianych w atmosferze i morzu , które są uwalniane podczas spalania paliw kopalnych i przemysłowej produkcji zwierzęcej.
Sekwestracja węgla, stosowana w celu łagodzenia zmiany klimatu, może opierać się albo na zwiększeniu naturalnie występującej sekwestracji węgla, albo na zastosowaniu sztucznych procesów sekwestracji węgla.
W ramach podejścia polegającego na wychwytywaniu i składowaniu dwutlenku węgla sekwestracja dwutlenku węgla odnosi się do elementu „magazynowania”. Stosowane są tutaj technologie sztucznego składowania węgla, takie jak składowanie gazowe w głębokich formacjach geologicznych (w tym w formacjach solankowych i wyeksploatowanych złożach gazowych) oraz składowanie w stanie stałym poprzez reakcję CO 2 z tlenkami metali w celu wytworzenia stabilnych węglanów .
Aby węgiel mógł być sekwestrowany sztucznie (tj. bez wykorzystania naturalnych procesów cyklu węglowego), musi być najpierw wychwytywany lub znacznie opóźniany lub zapobiegany ponownemu uwalnianiu do atmosfery (poprzez spalanie, rozpad itp.) z istniejący materiał bogaty w węgiel, poprzez włączenie go do trwałego użytkowania (np. w budownictwie). Następnie może być biernie przechowywany lub produktywnie wykorzystywany w czasie na różne sposoby. Na przykład po pozyskaniu drewno (jako materiał bogaty w węgiel) może zostać natychmiast spalone lub w inny sposób służyć jako paliwo, zwracając zawarty w nim węgiel do atmosfery, lub może zostać włączone do konstrukcji lub szeregu innych trwałych produktów, sekwestrując w ten sposób jego węgiel przez lata, a nawet stulecia.
Biologiczna sekwestracja węgla na lądzie
Biologiczna sekwestracja węgla (zwana także biosekwestracją ) to wychwytywanie i magazynowanie atmosferycznego gazu cieplarnianego, dwutlenku węgla, w wyniku ciągłych lub wzmocnionych procesów biologicznych. Ta forma sekwestracji węgla występuje poprzez zwiększone tempo fotosyntezy poprzez praktyki użytkowania gruntów, takie jak ponowne zalesianie i zrównoważona gospodarka leśna . Zmiany w użytkowaniu gruntów, które zwiększają naturalne wychwytywanie dwutlenku węgla, mają potencjał do wychwytywania i magazynowania dużych ilości dwutlenku węgla każdego roku. Obejmują one ochronę, zarządzanie i odbudowę ekosystemów, takich jak lasy, torfowiska, tereny podmokłe i łąki, a także metody sekwestracji dwutlenku węgla w rolnictwie.
Istnieją metody i praktyki zwiększające sekwestrację węgla w glebie zarówno w rolnictwie , jak iw leśnictwie .
Leśnictwo
Jeśli chodzi o retencję dwutlenku węgla na gruntach leśnych, lepiej jest unikać wylesiania niż usuwać drzewa, a następnie ponownie zalesiać, ponieważ wylesianie prowadzi do nieodwracalnych skutków, takich jak utrata różnorodności biologicznej i degradacja gleby . Ponadto skutki zalesiania lub ponownego zalesiania będą w przyszłości bardziej odległe w porównaniu z utrzymaniem istniejących lasów w stanie nienaruszonym. Potrzeba znacznie więcej czasu – kilku dekad – aby ponownie zalesione obszary powróciły do tego samego poziomu sekwestracji dwutlenku węgla, co w dojrzałych lasach tropikalnych.
Globalna roczna utrata brutto drzew szacowana jest na około 15 miliardów, a światowa liczba drzew zmniejszyła się o około 46% od początku cywilizacji ludzkiej.
Istnieją cztery główne sposoby, w jakie ponowne zalesianie i ograniczenie wylesiania może zwiększyć sekwestrację dwutlenku węgla. Po pierwsze, poprzez zwiększenie miąższości istniejącego lasu. Po drugie, poprzez zwiększenie gęstości węgla w istniejących lasach w skali drzewostanu i krajobrazu. Po trzecie, poprzez rozszerzenie wykorzystania produktów leśnych, które w zrównoważony sposób zastąpią emisje z paliw kopalnych. Po czwarte, poprzez redukcję emisji dwutlenku węgla, które są spowodowane wylesianiem i degradacją.
Zalesianie to zakładanie lasu na obszarze, na którym wcześniej nie było zadrzewienia. Proforestacja to praktyka uprawy istniejącego lasu w stanie nienaruszonym w celu osiągnięcia pełnego potencjału ekologicznego. Ponowne zalesianie to ponowne sadzenie drzew na marginalnych gruntach uprawnych i CO2
pastwiskach w celu włączenia węgla z atmosferycznego do biomasy . Aby ten proces sekwestracji węgla się powiódł, węgiel nie może powrócić do atmosfery w wyniku masowego spalania lub gnicia, gdy drzewa obumierają. W tym celu grunty przeznaczone pod zadrzewienia nie mogą być przekształcane na inne cele, a zarządzanie częstotliwością niepokojenia może być konieczne w celu uniknięcia zdarzeń ekstremalnych. Alternatywnie drewno z nich musi być sekwestrowane, np. poprzez biowęgiel , bioenergię z magazynowaniem węgla ( BECS ), składowanie na wysypiskach lub „przechowywanie” w celu wykorzystania w budownictwie. Jednak bez wzrostu w nieskończoność, ponowne zalesianie drzewami długowiecznymi (> 100 lat) będzie pochłaniać węgiel przez znaczne okresy i będzie stopniowo uwalniane, minimalizując wpływ węgla na klimat w XXI wieku. Ziemia oferuje wystarczająco dużo miejsca, aby posadzić dodatkowe 1,2 biliona drzew. Ich sadzenie i ochrona zrównoważyłaby około 10 lat emisji CO 2 i pochłonęła 205 miliardów ton węgla. Podejście to jest wspierane przez kampanię Trillion Tree . Przywrócenie wszystkich zdegradowanych lasów na całym świecie pozwoliłoby wychwycić łącznie około 205 miliardów ton węgla, co stanowi około dwóch trzecich wszystkich emisji dwutlenku węgla.
W ciągu 30 lat do 2050 r., gdyby wszystkie nowe konstrukcje na całym świecie wykorzystywały 90% produktów drzewnych, głównie poprzez przyjęcie drewna masowego w budownictwie niskim , mogłoby to pochłaniać 700 milionów ton netto węgla rocznie, negując w ten sposób około 2% rocznego węgla emisje od 2019 r. Jest to dodatek do eliminacji emisji dwutlenku węgla z wypieranych materiałów budowlanych, takich jak stal lub beton, których produkcja jest wysokoemisyjna.
Leśnictwo miejskie
Leśnictwo miejskie zwiększa ilość pochłanianego węgla w miastach poprzez dodawanie nowych stanowisk drzew, a sekwestracja węgla zachodzi przez cały okres życia drzewa. Jest ogólnie praktykowany i utrzymywany na mniejszą skalę, na przykład w miastach. Wyniki leśnictwa miejskiego mogą mieć różne wyniki w zależności od rodzaju wykorzystywanej roślinności, więc może ono pełnić funkcję pochłaniacza, ale może również pełnić funkcję źródła emisji. W gorących obszarach świata drzewa mają istotny wpływ na chłodzenie poprzez cień i transpirację. Może to zaoszczędzić na potrzebie klimatyzacji, co z kolei może zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych.
Mokradła
Odbudowa mokradeł obejmuje przywrócenie naturalnych biologicznych, geologicznych i chemicznych funkcji mokradeł poprzez ponowne ustanowienie lub rehabilitację. Został również zaproponowany jako potencjalna strategia łagodzenia zmian klimatu. Gleba na terenach podmokłych, zwłaszcza na przybrzeżnych terenach podmokłych, takich jak namorzyny, trawy morskie i słone bagna, jest ważnym rezerwuarem węgla; 20–30% światowego węgla w glebie znajduje się na terenach podmokłych, podczas gdy tylko 5–8% światowych gruntów to tereny podmokłe. Badania wykazały, że odtworzone tereny podmokłe mogą stać się produktywnymi pochłaniaczami CO2 , aw Stanach Zjednoczonych i na całym świecie wdrożono wiele projektów rekultywacji. Oprócz korzyści dla klimatu, odbudowa i ochrona terenów podmokłych może pomóc zachować różnorodność biologiczną, poprawić jakość wody i pomóc w ochronie przeciwpowodziowej.
Podobnie jak w przypadku lasów, aby proces sekwestracji się powiódł, tereny podmokłe muszą pozostać nienaruszone. Jeśli zostanie w jakiś sposób zakłócony, węgiel zmagazynowany w roślinach i osadach zostanie z powrotem uwolniony do atmosfery, a ekosystem nie będzie już funkcjonował jako pochłaniacz dwutlenku węgla. Ponadto niektóre tereny podmokłe mogą uwalniać gazy cieplarniane inne niż CO 2 , takie jak metan i podtlenek azotu , co może zrównoważyć potencjalne korzyści klimatyczne. Ilości węgla sekwestrowanego przez błękitny węgiel przez tereny podmokłe również mogą być trudne do zmierzenia.
Mokradła powstają, gdy woda przelewa się do silnie zarośniętej gleby, powodując przystosowanie się roślin do zalanego ekosystemu. Mokradła mogą występować w trzech różnych regionach. Morskie tereny podmokłe znajdują się na płytkich obszarach przybrzeżnych, tereny podmokłe pływowe są również przybrzeżne, ale znajdują się dalej w głębi lądu, a tereny podmokłe bez pływów znajdują się w głębi lądu i nie mają na nie wpływu pływy. Gleba na terenach podmokłych jest ważnym pochłaniaczem dwutlenku węgla ; 14,5% światowego węgla w glebie znajduje się na terenach podmokłych, podczas gdy tylko 5,5% światowych gruntów to tereny podmokłe. Mokradła są nie tylko doskonałym pochłaniaczem dwutlenku węgla, ale mają wiele innych zalet, takich jak gromadzenie wód powodziowych, filtrowanie zanieczyszczeń powietrza i wody oraz tworzenie domu dla wielu ptaków, ryb, owadów i roślin.
Zmiana klimatu może zmienić magazynowanie węgla w glebie , zmieniając go z pochłaniacza w źródło. Wraz ze wzrostem temperatur następuje wzrost emisji gazów cieplarnianych z terenów podmokłych, zwłaszcza obszarów z wieczną zmarzliną . Kiedy ta wieczna zmarzlina topi się, zwiększa się ilość dostępnego tlenu i wody w glebie. Z tego powodu bakterie w glebie wytwarzałyby duże ilości dwutlenku węgla i metanu, które byłyby uwalniane do atmosfery.
Związek między zmianą klimatu a terenami podmokłymi nadal nie jest w pełni poznany. Nie jest również jasne, w jaki sposób odtworzone tereny podmokłe zarządzają węglem, będąc jednocześnie źródłem metanu. Jednak zachowanie tych obszarów pomogłoby zapobiec dalszemu uwalnianiu węgla do atmosfery.
Torfowiska, torfowiska i torfowiska
Torfowiska zawierają około 30% węgla w naszym ekosystemie. Kiedy są one osuszane na grunty rolne i urbanistyczne, ponieważ torfowiska są tak rozległe, rozkładają się duże ilości węgla i emitują CO 2 do atmosfery. Utrata jednego torfowiska może potencjalnie wytworzyć więcej węgla niż emisje metanu przez 175–500 lat .
Torfowiska działają jak pochłaniacze węgla, ponieważ gromadzą częściowo rozłożoną biomasę, która w przeciwnym razie uległaby całkowitemu rozkładowi. Istnieją rozbieżności co do tego, jak bardzo torfowiska działają jako pochłaniacz lub źródło węgla, co można powiązać z różnymi klimatami w różnych obszarach świata i w różnych porach roku. Tworząc nowe torfowiska lub ulepszając istniejące, zwiększyłaby się ilość węgla sekwestrowanego przez torfowiska.
Rolnictwo
W porównaniu z naturalną roślinnością gleby pól uprawnych są zubożone w węgiel organiczny (SOC). Kiedy gleba jest przekształcana z gruntów naturalnych lub półnaturalnych, takich jak lasy, lasy, łąki, stepy i sawanny, zawartość SOC w glebie zmniejsza się o około 30–40%. Strata ta wynika z usuwania materiału roślinnego zawierającego węgiel pod względem zbiorów. Kiedy zmienia się użytkowanie gruntów, zawartość węgla w glebie albo wzrośnie, albo spadnie, zmiana ta będzie trwała, dopóki gleba nie osiągnie nowej równowagi. Na odchylenia od tej równowagi może również wpływać zmienny klimat. Zmniejszeniu zawartości SOC można przeciwdziałać poprzez zwiększenie wkładu węgla. Można tego dokonać za pomocą kilku strategii, np. pozostawiania resztek pożniwnych na polu, stosowania obornika jako nawozu lub włączania do płodozmianu upraw wieloletnich. Uprawy wieloletnie mają większą frakcję biomasy podziemnej, co zwiększa zawartość SOC. Uprawy wieloletnie zmniejszają potrzebę orki , a tym samym pomagają złagodzić erozję gleby i mogą pomóc w zwiększeniu zawartości materii organicznej w glebie. Szacuje się, że na całym świecie gleby zawierają > 8580 gigaton węgla organicznego, około dziesięciokrotnie więcej niż w atmosferze i znacznie więcej niż w roślinności. Naukowcy odkryli, że rosnące temperatury mogą prowadzić do boomu populacji drobnoustrojów glebowych, przekształcając zmagazynowany węgiel w dwutlenek węgla. W eksperymentach laboratoryjnych podczas ogrzewania gleby gleby bogate w grzyby uwalniały mniej dwutlenku węgla niż inne gleby.
Modyfikacja praktyk rolniczych jest uznaną metodą sekwestracji dwutlenku węgla, ponieważ gleba może działać jako skuteczny pochłaniacz dwutlenku węgla, kompensując nawet 20% emisji dwutlenku węgla z 2010 r. rocznie. (Patrz Uprawa bezorkowa ). Przywrócenie rolnictwa ekologicznego i dżdżownic może całkowicie zrekompensować roczną nadwyżkę węgla CO 2 w wysokości 4 Gt rocznie i zmniejszyć resztkowy nadmiar atmosferyczny. (Patrz Kompost ).
Metody redukcji emisji dwutlenku węgla w rolnictwie można podzielić na dwie kategorie: ograniczanie i/lub wypieranie emisji oraz zwiększanie usuwania dwutlenku węgla z atmosfery. Niektóre z tych redukcji obejmują zwiększenie wydajności działań rolniczych (np. bardziej oszczędny sprzęt), podczas gdy inne wiążą się z przerwami w naturalnym obiegu węgla. Ponadto niektóre skuteczne techniki (takie jak eliminacja wypalania ścierniska ) mogą negatywnie wpływać na inne problemy środowiskowe (zwiększone stosowanie herbicydów w celu zwalczania chwastów, które nie zostały zniszczone przez wypalanie).
Ponieważ egzekwowanie ochrony lasów może nie uwzględniać w wystarczającym stopniu czynników powodujących wylesianie – z których największym jest produkcja wołowiny w przypadku lasów deszczowych Amazonii – może również potrzebować polityki. Mogłyby one skutecznie zakazać i/lub stopniowo zniechęcać do handlu związanego z wylesianiem poprzez np. wymogi dotyczące informacji o produktach, monitoring satelitarny, taki jak Global Forest Watch , powiązane ekotaryfy i certyfikacje produktów.
Miejskie trawniki
Miejskie trawniki mogą magazynować znaczne ilości węgla. Przechowywana ilość wzrasta w czasie od ostatniego zakłócenia (np. budowy domu).
Uprawa węgla
Rolnictwo węglowe to nazwa różnych metod rolniczych mających na celu sekwestrację węgla atmosferycznego w glebie oraz w korzeniach upraw, drewnie i liściach. Celem rolnictwa węglowego jest zwiększenie tempa sekwestracji węgla w glebie i materiale roślinnym w celu stworzenia straty netto węgla z atmosfery. Zwiększenie materii organicznej w glebie może wspomóc wzrost roślin, zwiększyć całkowitą zawartość węgla, poprawić zdolność zatrzymywania wody w glebie i zmniejszyć zużycie nawozów. Od 2016 r. warianty rolnictwa węglowego osiągnęły setki milionów hektarów na całym świecie, z prawie 5 miliardów hektarów (1,2 × 10 10 akrów) światowych gruntów rolnych. Poza działalnością rolniczą zarządzanie lasami jest również narzędziem wykorzystywanym w rolnictwie węglowym. Praktyka uprawy węgla jest często prowadzona przez indywidualnych właścicieli gruntów, którzy są zachęcani do stosowania i integrowania metod, które będą sekwestrować dwutlenek węgla poprzez politykę stworzoną przez rządy. Metody uprawy węgla zazwyczaj wiążą się z kosztami, co oznacza, że rolnicy i właściciele gruntów potrzebują sposobu na czerpanie zysków z wykorzystania rolnictwa węglowego, co wymaga programów rządowych.
Techniki gospodarowania gruntami, które można połączyć z rolnictwem, obejmują sadzenie/odtwarzanie lasów, zakopywanie biowęgla wytwarzanego z biomasy przetwarzanej beztlenowo oraz odtwarzanie terenów podmokłych (takich jak bagna i torfowiska ).Uprawa bambusa
Chociaż las bambusowy przechowuje mniej całkowitego węgla niż dojrzały las drzew, plantacja bambusa pochłania węgiel w znacznie szybszym tempie niż dojrzały las lub plantacja drzew. Dlatego uprawa drewna bambusowego może mieć znaczny potencjał sekwestracji dwutlenku węgla.
Głęboka gleba
Szacuje się, że w skali globalnej gleba zawiera około 2500 gigaton węgla. To ponad 3-krotnie więcej węgla niż w atmosferze i 4-krotnie więcej niż w żywych roślinach i zwierzętach. Około 70% globalnego węgla organicznego w glebie na obszarach nieobjętych wieczną zmarzliną znajduje się w głębszych warstwach gleby na głębokości do 1 metra i jest stabilizowana przez związki mineralno-organiczne.
Zwiększenie usuwania węgla
Wszystkie rośliny pochłaniają CO
2 podczas wzrostu i uwalniają go po zbiorach. Celem usuwania węgla w rolnictwie jest wykorzystanie plonu i jego związku z obiegiem węgla do trwałej sekwestracji węgla w glebie. Odbywa się to poprzez wybór metod rolniczych, które przywracają biomasę do gleby i poprawiają warunki, w których węgiel w roślinach zostanie zredukowany do jego pierwotnej natury i przechowywany w stabilnym stanie. Metody osiągania tego obejmują:
- Użyj roślin okrywowych, takich jak trawy i chwasty, jako tymczasowej osłony między sezonami sadzenia
- Skoncentruj zwierzęta hodowlane na małych wybiegach na kilka dni, aby pasły się lekko, ale równomiernie. Pobudza to korzenie do głębszego wrastania w glebę. Glebę uprawiają również kopytami, wgniatając w glebę starą trawę i obornik.
- Nagie padoki przykryj sianem lub martwą roślinnością. Chroni to glebę przed słońcem i pozwala glebie zatrzymywać więcej wody i być bardziej atrakcyjnym dla drobnoustrojów wychwytujących węgiel.
- Odtworzenie zdegradowanych, marginalnych i opuszczonych gruntów, co spowalnia uwalnianie dwutlenku węgla, jednocześnie przywracając grunty pod rolnictwo lub do innych celów. Tereny zdegradowane z niskimi rezerwuarami węgla w glebie mają szczególnie duży potencjał magazynowania C w glebie, który można dodatkowo zwiększyć poprzez odpowiedni dobór roślinności.
Praktyki sekwestracji w rolnictwie mogą mieć pozytywny wpływ na jakość gleby , powietrza i wody, być korzystne dla dzikiej przyrody i zwiększać produkcję żywności . Na zdegradowanych polach uprawnych zwiększenie puli węgla w glebie o 1 tonę może zwiększyć plony o 20 do 40 kilogramów na hektar pszenicy , o 10 do 20 kg/ha w przypadku kukurydzy i o 0,5 do 1 kg/ha w przypadku fasoli zwyczajnej .
Skutki sekwestracji gleby można odwrócić. Jeśli gleba jest zniszczona lub stosowane są intensywne praktyki uprawowe, gleba staje się źródłem netto gazów cieplarnianych. Zazwyczaj po kilkudziesięciu latach sekwestracji gleba nasyca się i przestaje absorbować węgiel. Oznacza to, że istnieje globalny limit ilości węgla, który gleba może pomieścić.
Na koszty sekwestracji dwutlenku węgla wpływa wiele czynników, w tym jakość gleby, koszty transakcji i różne efekty zewnętrzne, takie jak wycieki i nieprzewidziane szkody w środowisku. Ponieważ redukcja atmosferycznego CO
2 jest problemem długoterminowym, rolnicy mogą niechętnie przyjmować droższe techniki rolnicze, gdy nie ma wyraźnych korzyści dla upraw, gleby lub korzyści ekonomicznych. Rządy takie jak Australia i Nowa Zelandia rozważają umożliwienie rolnikom sprzedaży uprawnień do emisji dwutlenku węgla, gdy tylko udokumentują, że wystarczająco zwiększyły zawartość węgla w glebie.
Biowęgiel
Biowęgiel to węgiel drzewny powstały w wyniku pirolizy odpadów z biomasy . Otrzymany materiał trafia na wysypisko lub jest używany jako polepszacz gleby do tworzenia terra preta . Dodatek pirogenicznego węgla organicznego (biowęgla) to nowa strategia długoterminowego zwiększania zasobów C w glebie i łagodzenia globalnego ocieplenia poprzez kompensację atmosferycznego C (do 9,5 gigaton C rocznie). W glebie węgiel z biowęgla jest niedostępny do utlenienia do CO
2 iw konsekwencji uwolnienia do atmosfery. Pojawiły się jednak obawy, że biowęgiel może potencjalnie przyspieszyć uwalnianie węgla już obecnego w glebie.
Terra preta , antropogeniczna gleba o wysokiej zawartości węgla, jest również badana jako mechanizm sekwestracji. Dzięki pirolizie biomasy około połowa zawartego w niej węgla może zostać zredukowana do węgla drzewnego , który może utrzymywać się w glebie przez wieki i stanowi użyteczną modyfikację gleby, zwłaszcza w glebach tropikalnych ( biowęgiel lub agrowęgiel ).
Geologiczna sekwestracja węgla
Zakopywanie biomasy
Bezpośrednie zakopywanie biomasy (takiej jak drzewa) naśladuje naturalne procesy, które doprowadziły do powstania paliw kopalnych . Globalny potencjał sekwestracji węgla za pomocą zakopywania w drewnie szacuje się na 10 ± 5 GtC/rok, a największe wskaźniki występują w lasach tropikalnych (4,2 GtC/rok), a następnie w lasach strefy umiarkowanej (3,7 GtC/rok) i borealnych (2,1 GtC/rok). . Szacuje się, że 65 GtC leży na dnie światowych lasów jako gruboziarnisty materiał drzewny, który można zakopać, a koszty sekwestracji węgla w zakopanym drewnie kształtują się na poziomie 50 USD/tC, czyli znacznie mniej niż wychwytywanie dwutlenku węgla z np. emisji z elektrowni. CO 2 w biomasie drzewnej jest naturalnym procesem zachodzącym w procesie fotosyntezy . Jest to rozwiązanie oparte na naturze, a sugerowane metody obejmują wykorzystanie „drewnianych sklepień” do przechowywania węgla zawierającego drewno w warunkach beztlenowych.
Sekwestracja geologiczna
Sekwestracja geologiczna odnosi się do składowania CO 2 pod ziemią w wyczerpanych złożach ropy i gazu, formacjach solnych lub głębokich, nienadających się do eksploatacji pokładach węgla.
Po wychwytywaniu CO2 ze źródła punktowego, takiego jak cementownia, można go skompresować do ciśnienia ≈100 barów w płyn nadkrytyczny . W tej postaci CO 2 mógłby być transportowany rurociągiem do miejsca składowania. CO 2 można następnie wtłaczać głęboko pod ziemię, zwykle około 1 km, gdzie byłby stabilny przez setki do milionów lat. W tych warunkach przechowywania gęstość CO2 w stanie nadkrytycznym wynosi od 600 do 800 kg/ m3 .
Ważnymi parametrami przy określaniu dobrego miejsca składowania węgla są: porowatość skał, przepuszczalność skał, brak uskoków oraz geometria warstw skalnych. Medium, w którym CO2 ma być magazynowany, ma wysoką porowatość i przepuszczalność, takie jak piaskowiec lub wapień. Piaskowiec może mieć przepuszczalność w zakresie od 1 do 10-5 Darcy , przy porowatości nawet ≈30%. Porowata skała musi być pokryta warstwą o niskiej przepuszczalności, która działa jak uszczelnienie lub nadkład skalny dla CO 2 . Łupek jest przykładem bardzo dobrego nadkładu, o przepuszczalności od 10-5 do 10-9 Darcy . Po wstrzyknięciu pióropusz CO 2 będzie się unosił dzięki siłom wyporu, ponieważ jest mniej gęsty niż jego otoczenie. Po napotkaniu nadkładu rozprzestrzeni się na boki, aż napotka szczelinę. Jeśli w pobliżu strefy zatłaczania znajdują się uskoki, istnieje możliwość migracji CO 2 wzdłuż uskoku na powierzchnię, przedostając się do atmosfery, co byłoby potencjalnie niebezpieczne dla życia w okolicy. Innym zagrożeniem związanym z sekwestracją węgla jest sejsmiczność indukowana. Jeśli zatłaczanie CO 2 wytworzy zbyt wysokie ciśnienie pod ziemią, formacja pęknie, potencjalnie powodując trzęsienie ziemi.
Uwięziony w formacji skalnej CO 2 może znajdować się w fazie płynu nadkrytycznego lub rozpuszczać się w wodach gruntowych/solankach. Może również reagować z minerałami w formacji geologicznej, wytrącając węglany. Zobacz CarbFix .
Ogólnoświatowe możliwości składowania w złożach ropy i gazu szacuje się na 675-900 Gt CO 2 , aw pokładach węgla nienadających się do eksploatacji na 15-200 Gt CO 2 . Głębokie formacje solankowe mają największą pojemność, którą szacuje się na 1 000–10 000 Gt CO 2 . Szacuje się, że w Stanach Zjednoczonych istnieje co najmniej 2600 Gt, a maksymalnie 22 000 Gt całkowitej pojemności składowania CO 2 .
Istnieje wiele wielkoskalowych projektów wychwytywania i sekwestracji dwutlenku węgla, które wykazały opłacalność i bezpieczeństwo tej metody składowania dwutlenku węgla, które zostały podsumowane przez Global CCS Institute. Dominującą techniką monitorowania jest obrazowanie sejsmiczne, w którym generowane są wibracje, które rozchodzą się pod powierzchnią. Strukturę geologiczną można zobrazować na podstawie załamanych / odbitych fal.
Pierwszy zakrojony na dużą skalę projekt sekwestracji CO2 , który rozpoczął się w 1996 roku
rozpuszczalników , nosi nazwę Sleipner i jest zlokalizowany na Morzu Północnym , gdzie norweski StatoilHydro usuwa dwutlenek węgla z gazu ziemnego za pomocą aminowych i usuwa ten dwutlenek węgla do głęboko zasolonej warstwy wodonośnej . W 2000 r. elektrownia syntetycznego gazu ziemnego opalana węglem w Beulah w Północnej Dakocie stała się pierwszą na świecie elektrownią wykorzystującą węgiel do wychwytywania i magazynowania dwutlenku węgla w projekcie Weyburn-Midale Carbon Dioxide Project . [ wymaga aktualizacji ] Następnie pojawiło się kilka innych projektów sekwestracji. Energy Impact Center uruchomiło projekt OPEN100 w lutym 2020 r., który jest pierwszym na świecie projektem typu open source do projektowania, budowy i finansowania małego, standardowego reaktora wodnego ciśnieniowego. We wrześniu 2020 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych przyznał 72 miliony dolarów federalnych funduszy na wsparcie rozwoju i rozwoju technologii wychwytywania dwutlenku węgla.
CO
2 był szeroko stosowany w operacjach udoskonalonego wydobycia ropy naftowej w Stanach Zjednoczonych począwszy od 1972 roku . W samym stanie Teksas istnieje ponad 10 000 odwiertów zatłaczających CO
2 . Gaz pochodzi częściowo ze źródeł antropogenicznych, ale głównie z dużych naturalnie występujących formacji geologicznych CO
2 . Jest transportowany na pola, na których wydobywa się ropę, przez dużą sieć CO
2 o długości ponad 5000 kilometrów (3100 mil) . Zaproponowano również wykorzystanie CO
2 do metod wspomaganego wydobycia ropy naftowej (EOR) w zbiornikach ropy ciężkiej w zachodnio-kanadyjskim basenie sedymentacyjnym (WCSB). Koszty transportu pozostają jednak istotną przeszkodą. W WCSB nie istnieje jeszcze rozbudowany system rurociągów CO
2 . Kopalnia piasków roponośnych Athabasca , która produkuje CO
2 , znajduje się setki kilometrów na północ od podpowierzchniowych zbiorników ciężkiej ropy naftowej , które mogłyby najbardziej skorzystać z zatłaczania CO
2 .
Sekwestracja minerałów
Sekwestracja minerałów ma na celu uwięzienie węgla w postaci stałych soli węglanowych . Proces ten zachodzi powoli w przyrodzie i jest odpowiedzialny za osadzanie się i gromadzenie się wapienia w czasie geologicznym. Kwas węglowy w wodach gruntowych powoli reaguje ze złożonymi krzemianami , rozpuszczając wapń , magnez , zasady i krzemionkę , pozostawiając osad w postaci minerałów ilastych . Rozpuszczony wapń i magnez reagują z wodorowęglanami , wytrącając węglany wapnia i magnezu, co jest procesem wykorzystywanym przez organizmy do wytwarzania muszli. Kiedy organizmy umierają, ich skorupy osadzają się jako osad i ostatecznie zamieniają się w wapień. Wapienie gromadziły się przez miliardy lat czasu geologicznego i zawierają większość węgla na Ziemi. Trwające badania mają na celu przyspieszenie podobnych reakcji z udziałem węglanów metali alkalicznych.
Kilka złóż serpentynitów jest badanych jako potencjalne pochłaniacze CO2 na dużą skalę, takie jak te znalezione w Nowej Południowej Walii w Australii, gdzie realizowany jest pierwszy pilotażowy projekt zakładu karbonatyzacji minerałów . Korzystne ponowne wykorzystanie węglanu magnezu z tego procesu może stanowić surowiec dla nowych produktów opracowanych dla środowiska zabudowanego i rolnictwa bez zawracania węgla do atmosfery i działania w ten sposób jako pochłaniacz dwutlenku węgla.
Jedną z proponowanych reakcji jest reakcja bogatego w oliwin skalnego dunitu lub jego uwodnionego ekwiwalentu serpentynitu z dwutlenkiem węgla w celu utworzenia węglanowego minerału magnezytu , a także krzemionki i tlenku żelaza ( magnetytu ).
Sekwestracja serpentynitów jest preferowana ze względu na nietoksyczny i stabilny charakter węglanu magnezu. Idealne reakcje obejmują magnezowe składniki końcowe oliwinu ( reakcja 1) lub serpentyn (reakcja 2), ten ostatni pochodzi z wcześniejszego oliwinu przez hydratację i krzemionkowanie (reakcja 3). Obecność żelaza w oliwinie lub serpentynie zmniejsza skuteczność sekwestracji, ponieważ składniki żelaza zawarte w tych minerałach rozkładają się na tlenek żelaza i krzemionkę (reakcja 4).
Zeolitowe szkielety imidazolowe
Zeolitowe szkielety imidazolowe (ZIF) to szkielety metaloorganiczne podobne do zeolitów . Ze względu na swoją porowatość, stabilność chemiczną i odporność termiczną ZIF są badane pod kątem ich zdolności do wychwytywania dwutlenku węgla. ZIF można by wykorzystać do powstrzymania przemysłowych emisji dwutlenku węgla z dala od atmosfery .
Karbonizacja mineralna
CO 2 reaguje egzotermicznie z tlenkami metali, tworząc stabilne węglany (np. kalcyt , magnezyt ). Ten proces (CO 2 -to-stone) zachodzi naturalnie przez wiele lat i jest odpowiedzialny za większość powierzchniowego wapienia . Jednym z takich tlenków metali jest oliwin . [ źródło opublikowane samodzielnie? ] Udowodniono , że skały bogate w tlenki metali reagujące z CO 2 , takie jak MgO i CaO zawarte w bazaltach , są realnymi środkami do magazynowania minerałów dwutlenku węgla. Szybkość reakcji można w zasadzie przyspieszyć za pomocą katalizatora lub podwyższenia temperatury [ wątpliwe ] i/lub ciśnienia, lub wstępnej obróbki mineralnej, chociaż ta metoda może wymagać dodatkowej energii. IPCC szacuje, że elektrownia wyposażona w CCS wykorzystująca magazynowanie minerałów potrzebowałaby 60–180% więcej energii niż elektrownia bez niej . Teoretycznie do 22% masy minerałów skorupy ziemskiej jest w stanie tworzyć węglany . [ potrzebne źródło ]
| Ziemny tlenek | Procent skorupy | Węglan | Zmiana entalpii (kJ/mol) |
|---|---|---|---|
| CaO | 4,90 | CaCO 3 | −179 |
| MgO | 4.36 | MgCO 3 | −118 |
| Na 2 O | 3,55 | Na2CO3 _ _ _ | −322 |
| FeO | 3.52 | FeCO 3 | −85 |
| K 2 O | 2,80 | K2CO3 _ _ _ | −393,5 |
| Fe 2 O 3 | 2.63 | FeCO 3 | 112 |
| Wszystkie tlenki | 21.76 | Wszystkie węglany |
Ultramaficzne odpady kopalniane są łatwo dostępnym źródłem drobnoziarnistych tlenków metali, które mogą służyć temu celowi. Przyspieszenie pasywnej sekwestracji CO2 poprzez karbonatyzację minerałów można osiągnąć poprzez procesy mikrobiologiczne, które poprawiają rozpuszczanie minerałów i wytrącanie węglanów.
Węgiel w postaci CO
2 można usuwać z atmosfery w procesach chemicznych i magazynować w stabilnych formach mineralnych węglanowych . Ten proces ( zmiana CO
2 w kamień) jest znany jako „sekwestracja węgla przez karbonatyzację mineralną ” lub sekwestracja mineralna. Proces polega na reakcji dwutlenku węgla z powszechnie dostępnymi tlenkami metali – tlenkiem magnezu (MgO) lub tlenkiem wapnia (CaO) – w celu utworzenia stabilnych węglanów. Reakcje te są egzotermiczne i zachodzą naturalnie (np. wietrzenie skał w okresach geologicznych ).
- CaO + CO
2 → CaCO
3
- MgO + CO
2 → MgCO
3
Wapń i magnez występują w przyrodzie zazwyczaj jako krzemiany wapnia i magnezu (takie jak forsteryt i serpentynit ), a nie jako dwuskładnikowe tlenki. Dla forsterytu i serpentyny reakcje są następujące:
-
Mg
2 SiO
4 + 2 CO
2 → 2 MgCO
3 + SiO
2
-
Mg
3 Si
2 O
5 (OH)
4 + 3 CO
2 → 3 MgCO
3 + 2 SiO
2 + 2 H
2 O
Reakcje te są nieco bardziej korzystne w niskich temperaturach. Proces ten zachodzi naturalnie w geologicznych ramach czasowych i jest odpowiedzialny za znaczną część wapienia na powierzchni Ziemi . Szybkość reakcji można jednak przyspieszyć, prowadząc reakcję w wyższych temperaturach i/lub pod wyższymi ciśnieniami, chociaż ta metoda wymaga dodatkowej energii. Alternatywnie minerał można zmielić w celu zwiększenia jego powierzchni i wystawić na działanie wody i ciągłego ścierania w celu usunięcia obojętnej krzemionki, co można osiągnąć naturalnie, wyrzucając oliwin do wysokoenergetycznych fal na plażach. Eksperymenty sugerują, że proces wietrzenia jest dość szybki (jeden rok), biorąc pod uwagę porowate skały bazaltowe.
CO
2 naturalnie reaguje ze skałą perydotytową w odsłoniętych powierzchniach ofiolitów , zwłaszcza w Omanie . Zasugerowano, że proces ten można usprawnić w celu przeprowadzenia naturalnej
2 mineralizacji CO .
Kiedy CO
2 jest rozpuszczany w wodzie i wtryskiwany do gorących skał bazaltowych pod ziemią, wykazano, że CO 2
reaguje z bazaltem, tworząc stałe minerały węglanowe. Zakład testowy na Islandii został uruchomiony w październiku 2017 r., wydobywając do 50 ton CO2 rocznie z atmosfery i składując go pod ziemią w bazaltowej skale.
Naukowcy z Kolumbii Brytyjskiej opracowali tani proces produkcji magnezytu , zwanego też węglanem magnezu , który może sekwestrować CO 2 z powietrza lub w miejscu zanieczyszczenia powietrza, np. w elektrowni. Kryształy występują naturalnie, ale akumulacja jest zwykle bardzo powolna.
Beton jest obiecującym miejscem wychwytywania dwutlenku węgla. Niektóre zalety betonu obejmują między innymi: źródło dużej ilości wapnia ze względu na jego znaczną produkcję na całym świecie; stabilne termodynamicznie warunki przechowywania dwutlenku węgla w postaci węglanów wapnia; oraz długoterminową zdolność magazynowania dwutlenku węgla jako materiału szeroko stosowanego w infrastrukturze . Poza nowo wyprodukowanym betonem można również wykorzystać odpady betonowe z rozbiórki lub beton z recyklingu. Badania przeprowadzone w HeidelbergCement pokazują, że sekwestracja węgla może zamienić rozebrany i poddany recyklingowi beton w dodatkowy materiał cementowy , który może działać jako dodatkowe spoiwo w połączeniu z cementem portlandzkim w produkcji nowego betonu.
Techniki sekwestracji w oceanach
Morskie pompy węglowe
Ocean w naturalny sposób sekwestruje węgiel poprzez różne procesy. [ Potrzebne źródło ] Pompa rozpuszczalności przenosi dwutlenek węgla z atmosfery do powierzchni oceanu, gdzie reaguje on z cząsteczkami wody, tworząc kwas węglowy. Rozpuszczalność dwutlenku węgla wzrasta wraz ze spadkiem temperatury wody. Cyrkulacja termohalinowa przenosi rozpuszczony dwutlenek węgla do chłodniejszych wód, gdzie jest on lepiej rozpuszczalny, zwiększając stężenie węgla we wnętrzu oceanu. Pompa biologiczna przenosi rozpuszczony dwutlenek węgla z powierzchni oceanu do wnętrza oceanu poprzez konwersję węgla nieorganicznego na węgiel organiczny w procesie fotosyntezy. Materia organiczna, która przetrwa oddychanie i remineralizację, może być transportowana przez tonące cząsteczki i migrację organizmów do głębokich oceanów.
Uprawa wodorostów i alg
.jpg)
Wodorosty rosną na płytkich i przybrzeżnych obszarach i wychwytują znaczne ilości węgla, który może być transportowany do głębokich oceanów przez mechanizmy oceaniczne; wodorosty docierające do głębokich oceanów pochłaniają węgiel i zapobiegają jego wymianie z atmosferą przez tysiąclecia. Sugerowano uprawę wodorostów na morzu w celu zatopienia wodorostów w głębinach morskich w celu sekwestracji węgla. Ponadto wodorosty rosną bardzo szybko i teoretycznie można je zbierać i przetwarzać w celu wytworzenia biometanu , poprzez fermentację beztlenową w celu wytworzenia energii elektrycznej, poprzez kogenerację/CHP lub jako zamiennik gazu ziemnego . Jedno z badań sugerowało, że gdyby farmy wodorostów pokrywały 9% oceanów, mogłyby wyprodukować wystarczającą ilość biometanu, aby zaspokoić równoważne zapotrzebowanie Ziemi na energię z paliw kopalnych, usunąć 53 gigaton CO2 rocznie z atmosfery i w sposób zrównoważony produkować 200 kg ryb rocznie na osoba na 10 miliardów ludzi. Gatunkami idealnymi do takiej hodowli i konwersji są Laminaria digitata , Fucus serratus i Saccharina latissima .
Zarówno makroalgi , jak i mikroalgi są badane jako możliwe sposoby sekwestracji węgla. Fitoplankton morski odpowiada za połowę globalnej fotosyntetycznej wiązania CO 2 (globalna produkcja pierwotna netto ~50 Pg C rocznie) i połowę produkcji tlenu, mimo że stanowi zaledwie ~1% światowej biomasy roślin.
Ponieważ algi nie mają złożonej ligniny związanej z roślinami lądowymi , węgiel w algach jest uwalniany do atmosfery szybciej niż węgiel wychwytywany na lądzie. Zaproponowano algi jako krótkoterminowe magazyny węgla, które można wykorzystać jako surowiec do produkcji różnych paliw biogennych .
Hodowla wodorostów na dużą skalę (zwana „zalesianiem oceanów”) może pochłaniać ogromne ilości węgla. Dzikie wodorosty będą sekwestrować duże ilości węgla poprzez rozpuszczone cząsteczki materii organicznej, które są transportowane do głębokich dna oceanów, gdzie zostaną zakopane i pozostaną przez długi czas. Obecnie prowadzi się hodowlę wodorostów w celu zapewnienia żywności, lekarstw i biopaliw. Jeśli chodzi o uprawę węgla, potencjalny wzrost wodorostów do uprawy węgla spowodowałby, że zebrane wodorosty zostałyby przetransportowane do głębokiego oceanu w celu długoterminowego pochowania. Uprawa wodorostów przyciągnęła uwagę ze względu na ograniczoną przestrzeń lądową dostępną dla praktyk uprawy węgla. Obecnie uprawa wodorostów występuje głównie na obszarach przybrzeżnych Azji i Pacyfiku, gdzie jest to szybko rozwijający się rynek. IPCC na temat oceanu i kriosfery w zmieniającym się klimacie zaleca „dalszą uwagę badawczą” na uprawę wodorostów jako taktykę łagodzenia skutków.
Nawożenie oceanów
Nawożenie oceanów lub odżywianie oceanów to rodzaj technologii usuwania dwutlenku węgla z oceanu polegający na celowym wprowadzaniu składników pokarmowych roślin do górnej części oceanu w celu zwiększenia produkcji żywności morskiej i usunięcia dwutlenku węgla z atmosfery. Nawożenie oceaniczne składnikami odżywczymi, na przykład nawożenie żelazem , może stymulować fotosyntezę w fitoplanktonie . Fitoplankton przekształciłby rozpuszczony w oceanie dwutlenek węgla w węglowodany , z których część zatopiłaby się w głębszym oceanie przed utlenieniem. Kilkanaście eksperymentów na otwartym morzu potwierdziło, że dodanie żelaza do oceanu zwiększa fotosyntezę w fitoplanktonie nawet 30-krotnie.
Jest to jedno z lepiej zbadanych podejść do usuwania dwutlenku węgla (CDR), jednak podejście to wiązałoby się z sekwestracją węgla tylko w skali czasowej 10-100 lat, w zależności od czasów mieszania się oceanów. Podczas gdy kwasowość powierzchni oceanu może się zmniejszyć w wyniku nawożenia substancjami odżywczymi, kiedy tonąca materia organiczna remineralizuje, kwasowość głębinowa wzrośnie. Raport na temat CDR z 2021 r. wskazuje, że istnieje średnio-duża pewność, że technika ta może być wydajna i skalowalna przy niskich kosztach i średnim ryzyku dla środowiska. Jednym z kluczowych zagrożeń związanych z nawożeniem składnikami odżywczymi jest rabunek składników odżywczych, proces, w którym nadmiar składników odżywczych użytych w jednym miejscu w celu zwiększenia pierwotnej produktywności, jak w kontekście nawożenia, jest następnie niedostępny dla normalnej produktywności w dalszym ciągu. Może to skutkować oddziaływaniem na ekosystem daleko poza pierwotnym miejscem zapłodnienia.
Zaproponowano szereg technik, w tym nawożenie mikroelementem żelazem (zwanym nawożeniem żelazem ) lub azotem i fosforem (oba makroskładnikami). Jednak badania przeprowadzone na początku lat 20. XXI wieku sugerowały, że może trwale sekwestrować tylko niewielką ilość węgla. Dlatego nie ma większej przyszłości w jego roli w sekwestracji węgla.Sztuczne upwelling
Sztuczne upwelling lub downwelling to podejście, które zmieniłoby mieszające się warstwy oceanu. Zachęcanie różnych warstw oceanu do mieszania się może przenosić składniki odżywcze i rozpuszczone gazy, oferując możliwości geoinżynierii . Mieszanie można osiągnąć, umieszczając duże pionowe rury w oceanach, aby pompować wodę bogatą w składniki odżywcze na powierzchnię, wywołując zakwity glonów , które magazynują węgiel, gdy rosną, i eksportują węgiel, gdy umierają. Daje to wyniki nieco podobne do nawożenia żelazem. Jednym z efektów ubocznych jest krótkotrwały wzrost CO
2 , co ogranicza jego atrakcyjność.
Mieszanie warstw obejmuje transport gęstszej i zimniejszej wody głębinowej do powierzchniowej warstwy mieszanej . Ponieważ temperatura oceanu spada wraz z głębokością, więcej dwutlenku węgla i innych związków jest w stanie rozpuścić się w głębszych warstwach. Można to wywołać poprzez odwrócenie oceanicznego obiegu węgla poprzez zastosowanie dużych pionowych rur służących jako pompy oceaniczne lub układ mieszaczy. Kiedy bogate w składniki odżywcze wody głębinowe są przenoszone na powierzchnię, zakwit glonów , co powoduje spadek dwutlenku węgla w wyniku pobierania węgla z fitoplanktonu i innych fotosyntetyzujących organizmów eukariotycznych . Przenoszenie ciepła między warstwami spowoduje również, że woda morska z warstwy mieszanej opadnie i pochłonie więcej dwutlenku węgla. Ta metoda nie zyskała większego rozgłosu, ponieważ zakwit glonów szkodzi ekosystemom morskim , blokując światło słoneczne i uwalniając szkodliwe toksyny do oceanu. Nagły wzrost poziomu dwutlenku węgla na powierzchni spowoduje również chwilowe obniżenie pH wody morskiej, co zaburzy wzrost raf koralowych . Wytwarzanie kwasu węglowego poprzez rozpuszczanie dwutlenku węgla w wodzie morskiej utrudnia biogenne wapnienie morskie i powoduje poważne zakłócenia w oceanicznym łańcuchu pokarmowym .
Magazynowanie bazaltu
Sekwestracja dwutlenku węgla w bazalcie polega na zatłaczaniu CO
2 do formacji głębinowych. CO
2 najpierw miesza się z wodą morską, a następnie reaguje z bazaltem, z których oba są pierwiastkami alkalicznymi. W wyniku tej reakcji uwalniane są Ca 2+ i Mg 2+ tworzące stabilne minerały węglanowe.
Bazalt podwodny stanowi dobrą alternatywę dla innych form magazynowania węgla w oceanach, ponieważ zawiera szereg środków wychwytujących, które zapewniają dodatkową ochronę przed wyciekiem. Środki te obejmują „tworzenie geochemiczne, osadów, grawitacji i hydratów ”. Ponieważ CO
2 jest gęstszy niż CO
2 w wodzie morskiej, ryzyko wycieku jest minimalne. Wstrzykiwanie CO
2 na głębokości większe niż 2700 metrów (8900 stóp) zapewnia, że CO 2
ma większą gęstość niż woda morska, co powoduje jego opadanie.
Jednym z możliwych miejsc wstrzyknięcia jest płytka Juan de Fuca . Naukowcy z Obserwatorium Ziemi Lamont-Doherty odkryli, że ta płyta na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych może pomieścić 208 gigaton. Może to pokryć całą obecną emisję dwutlenku węgla w USA przez ponad 100 lat.
Proces ten przechodzi testy w ramach projektu CarbFix , w wyniku czego 95% z wstrzykniętych 250 ton CO 2 zestala się w kalcyt w ciągu dwóch lat, zużywając 25 ton wody na tonę CO 2 .
Mineralizacja i osady głębinowe
Podobnie jak procesy mineralizacji zachodzące w skałach, mineralizacja może zachodzić również pod powierzchnią morza. Szybkość rozpuszczania dwutlenku węgla z atmosfery do rejonów oceanicznych jest zdeterminowana okresem cyrkulacji oceanu i zdolnością buforową subdukcji wód powierzchniowych. Naukowcy wykazali, że składowanie dwutlenku węgla w morzu na głębokości kilku kilometrów może trwać nawet 500 lat, ale zależy to od miejsca i warunków wstrzyknięcia. Kilka badań wykazało, że chociaż może skutecznie wiązać dwutlenek węgla, dwutlenek węgla może z czasem zostać uwolniony z powrotem do atmosfery. Jest to jednak mało prawdopodobne przez co najmniej kilka stuleci. Neutralizacja CaCO 3 , czyli równoważenie stężenia CaCO 3 na dnie morskim, lądzie iw oceanie, może być mierzona w skali czasu obejmującej tysiące lat. Mówiąc dokładniej, przewidywany czas to 1700 lat dla oceanów i około 5000 do 6000 lat dla lądów. Ponadto czas rozpuszczania CaCO3 można poprawić przez wstrzykiwanie w pobliżu miejsca składowania lub za nim.
Oprócz mineralizacji węglem , inną propozycją jest zatłaczanie osadów głębinowych . Wstrzykuje ciekły dwutlenek węgla co najmniej 3000 m pod powierzchnię bezpośrednio do osadów oceanicznych w celu wytworzenia hydratu dwutlenku węgla. Do eksploracji zdefiniowano dwa regiony: 1) strefę ujemnej pływalności (NBZ), która jest regionem pomiędzy ciekłym dwutlenkiem węgla gęstszym niż otaczająca woda, a ciekłym dwutlenkiem węgla ma neutralną wyporność, oraz 2) strefą tworzenia się hydratów (HFZ), która zwykle charakteryzuje się niskimi temperaturami i wysokimi ciśnieniami. Kilka modeli badawczych wykazało, że optymalna głębokość wtrysku wymaga uwzględnienia wewnętrznej przepuszczalności i wszelkich zmian przepuszczalności ciekłego dwutlenku węgla w celu optymalnego przechowywania. Powstawanie hydratów zmniejsza przepuszczalność ciekłego dwutlenku węgla, a zatłaczanie poniżej HFZ jest bardziej korzystne energetycznie niż w HFZ. Jeśli NBZ jest większym słupem wody niż HFZ, wtrysk powinien nastąpić poniżej HFZ i bezpośrednio do NBZ. W takim przypadku ciekły dwutlenek węgla opadnie do NBZ i będzie przechowywany poniżej wyporności i czapki hydratu. Wyciek dwutlenku węgla może wystąpić w przypadku rozpuszczenia w płynie porowym lub w wyniku dyfuzji molekularnej . Dzieje się to jednak przez tysiące lat.
Dodawanie zasad w celu zobojętnienia kwasów
Dwutlenek węgla po rozpuszczeniu w wodzie tworzy kwas węglowy , więc zakwaszenie oceanów jest istotną konsekwencją podwyższonego poziomu dwutlenku węgla i ogranicza szybkość, z jaką może on być wchłaniany do oceanu (pompa rozpuszczalności ). Zasugerowano wiele różnych zasad
, które mogłyby zneutralizować kwas, a tym samym zwiększyć absorpcję CO2 . Na przykład dodanie pokruszonego wapienia do oceanów zwiększa wchłanianie dwutlenku węgla. Innym podejściem jest dodanie wodorotlenku sodu do oceanów, który jest wytwarzany przez elektrolizę słonej wody lub solanki, przy jednoczesnym wyeliminowaniu odpadowego kwasu solnego w reakcji z wulkaniczną skałą krzemianową, taką jak enstatyt , skutecznie zwiększając tempo naturalnego wietrzenia tych skał w celu przywrócenia oceanu pH.
Jednoetapowa sekwestracja i składowanie węgla
Jednoetapowa sekwestracja i składowanie dwutlenku węgla to technologia mineralizacji na bazie słonej wody, polegająca na ekstrakcji dwutlenku węgla z wody morskiej i przechowywaniu go w postaci stałych minerałów.
Porzucone pomysły
Bezpośredni wtrysk dwutlenku węgla do głębin morskich
Kiedyś zasugerowano, że CO 2 może być magazynowany w oceanach przez bezpośrednie wtryskiwanie do głębin oceanicznych i składowanie go tam przez kilka stuleci. W tamtym czasie propozycję tę nazywano „składowaniem oceanów”, ale dokładniej nazywano ją „ bezpośrednim zatłaczaniem dwutlenku węgla do głębin morskich ”. Jednak zainteresowanie tą drogą składowania dwutlenku węgla znacznie spadło od około 2001 r. z powodu obaw o nieznany wpływ na życie morskie , wysokie koszty i obawy o jej stabilność lub trwałość. „Raport specjalny IPCC na temat wychwytywania i składowania dwutlenku węgla” z 2005 r. zawierał tę technologię jako opcję. Jednak piąty raport oceniający IPCC z 2014 r. nie wspominał już o „składowaniu oceanów” w swoim raporcie dotyczącym metod łagodzenia zmiany klimatu. Najnowszy szósty raport oceniający IPCC z 2022 r. również nie zawiera już żadnej wzmianki o „składowaniu oceanów” w swojej „taksonomii usuwania dwutlenku węgla”.
Koszt
Koszt sekwestracji (bez wychwytywania i transportu) jest różny, ale w niektórych przypadkach, gdy dostępne jest składowanie na lądzie, wynosi poniżej 10 USD za tonę. Na przykład Carbfix wynosi około 25 USD za tonę CO 2 . W raporcie z 2020 r. oszacowano sekwestrację w lasach (łącznie z wychwytywaniem) na 35 USD za małe ilości do 280 USD za tonę za 10% całości wymaganej do utrzymania ocieplenia o 1,5 C. Ale istnieje ryzyko, że pożary lasów uwolnią węgiel.
Badacze wyrazili zaniepokojenie, że stosowanie kompensacji emisji dwutlenku węgla – na przykład poprzez utrzymywanie lasów, ponowne zalesianie lub wychwytywanie dwutlenku węgla – oraz certyfikaty energii odnawialnej pozwalają firmom zanieczyszczającym środowisko na normalne podejście do dalszego uwalniania gazów cieplarnianych i niewłaściwego zaufania , niewypróbowane poprawki techno . Obejmuje to również raport IPCC z 2022 r. na temat zmian klimatu, krytykowany za zawieranie „wielu mrzonków”, polegający na technologiach dużych emisji ujemnych. Przegląd badań przeprowadzonych przez Stanford Solutions Project wykazał, że poleganie na wychwytywaniu i składowaniu/utylizacji dwutlenku węgla (CCS/U) jest niebezpieczną rozrywką, ponieważ (w większości przypadków i na dużą skalę) jest drogie, zwiększa zanieczyszczenie powietrza i wydobycie, jest nieefektywne i jest mało prawdopodobne, aby można je było wdrożyć w wymaganej skali w czasie.
Społeczeństwo i kultura
Zastosowania w politykach dotyczących zmian klimatu
Stany Zjednoczone
Począwszy od połowy i końca 2010 roku, wiele elementów amerykańskiej polityki klimatycznej i środowiskowej miało na celu wykorzystanie potencjału sekwestracji dwutlenku węgla w zakresie łagodzenia zmian klimatu . Wiele z tych polityk obejmuje albo ochronę ekosystemów pochłaniających dwutlenek węgla, takich jak lasy i tereny podmokłe, albo zachęcanie do praktyk rolniczych i użytkowania gruntów mających na celu zwiększenie sekwestracji dwutlenku węgla, takich jak rolnictwo węglowe lub agroleśnictwo , często poprzez zachęty finansowe dla rolników i właścicieli ziemskich.
Rozporządzenie wykonawcze w sprawie walki z kryzysem klimatycznym w kraju i za granicą, podpisane przez prezydenta Joe Bidena 27 stycznia 2021 r., zawiera kilka wzmianek o sekwestracji dwutlenku węgla poprzez ochronę i odbudowę ekosystemów pochłaniających dwutlenek węgla, takich jak tereny podmokłe i lasy. Obejmują one podkreślanie znaczenia rolników, właścicieli ziemskich i społeczności przybrzeżnych w sekwestracji dwutlenku węgla, kierowanie Departamentem Skarbu do promowania ochrony pochłaniaczy dwutlenku węgla za pomocą mechanizmów rynkowych oraz kierowanie Departamentu Spraw Wewnętrznych do współpracy z innymi agencjami w celu utworzenia Cywilnego Korpusu Klimatycznego zwiększenie sekwestracji dwutlenku węgla w rolnictwie, między innymi.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Technologie wychwytywania i sekwestracji dwutlenku węgla Program MIT obejmuje wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla (CCS)
| Biblioteki Narodowe | |
|---|---|
| Inny | |
