Menneskelige aktiviteter pumper fortsat milliarder af tons kuldioxid i atmosfæren hvert år, hvilket hæver globale temperaturer og driver ekstreme vejrbegivenheder. Når lande kæmper med klimapåvirkninger og måder at reducere kulstofemissioner markant på, har der været forskellige bestræbelser på at fremme kuldioxidfjernelse (CDR) teknologier, der direkte fjerner kuldioxid fra luften og sekvestere det i lange perioder.
I modsætning til kulstoffangst og opbevaringsteknologier, der er designet til at fjerne kuldioxid ved punktkilder, såsom fossile-brændstofplanter, sigter CDR at fjerne kuldioxidmolekyler, der allerede cirkulerer i atmosfæren.
En ny rapport fra American Physical Society og ledet af en MIT -fysiker giver en oversigt over de store eksperimentelle CDR -tilgange og bestemmer deres grundlæggende fysiske grænser. Rapporten fokuserer på metoder, der har det største potentiale for at fjerne kuldioxid, i omfanget af gigatons om året, hvilket er den størrelse, der ville være påkrævet for at have en klimastabiliserende påvirkning.
Den nye rapport blev bestilt af American Physical Society’s panel om offentlige anliggender og blev samtidig offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet PRX Energy. Rapporten blev ledet af MIT -professor i fysik Washington Taylor, der talte med MIT News om CDRs fysiske begrænsninger, og hvorfor det er værd at forfølge i tandem med globale bestræbelser på at reducere kulstofemissioner.
Hvad motiverede dig til at se på kuldioxidfjernelsessystemer fra et fysisk videnskabsperspektiv?
Den første ting, der driver klimaændringer, er det faktum, at vi tager kulstof, der har været fast i jorden i 100 millioner år, og at sætte det i atmosfæren, og det forårsager opvarmning. I de sidste par år har der været meget interesse både af regeringen og private enheder i at finde teknologier til direkte at fjerne CO2 fra luften.
Sådan styres atmosfærisk kulstof er det kritiske spørgsmål i håndteringen af vores indflydelse på Jordens klima. Så det er meget vigtigt for os at forstå, om vi kan påvirke kulstofniveauerne ikke kun ved at ændre vores emissionsprofil, men også ved direkte at tage kulstof ud af atmosfæren. Fysik har meget at sige om dette, fordi mulighederne er meget stærkt begrænset af termodynamik, masseproblemer og lignende ting.
Hvilke kuldioxidfjernelsesmetoder vurderede du?
De er alle på et tidligt tidspunkt. Det er slags det vilde vest derude med hensyn til de forskellige måder, hvorpå virksomheder foreslår at fjerne kulstof fra atmosfæren. I denne rapport nedbryder vi CDR-processer i to klasser: cykliske og en gang gennem.
Forestil dig, at vi er i en båd, der har et hul i skroget og tager hurtigt vand. Selvfølgelig vil vi tilslutte hullet så hurtigt som vi kan. Men selv når vi har fastlagt hullet, er vi nødt til at få vandet ud, så vi ikke er i fare for at synke eller blive oversvømmet. Og dette er især presserende, hvis vi ikke har fastgjort hullet helt, så vi stadig har en langsom lækage. Forestil dig nu, at vi har et par muligheder for, hvordan man får vandet ud, så vi ikke synker.
Den første er en svamp, som vi kan bruge til at absorbere vand, som vi derefter kan klemme ud og genbruge. Det er en cyklisk proces i den forstand, at vi har noget materiale, som vi bruger igen og igen. Der er cykliske CDR -processer som kemisk “Direct Air Capture” (DAC), der stort set fungerer som en svamp. Du opretter et stort system med fans, der blæser luft forbi noget materiale, der fanger kuldioxid. Når materialet er mættet, lukker du systemet og bruger derefter energi til i det væsentlige at presse kulstof ud og opbevare det i et dybt arkiv. Derefter kan du genbruge materialet i en cyklisk proces.
Den anden klasse af tilgange er det, vi kalder “en gang gennem”. I bådens analogi ville det være som om du prøver at fikse lækagen ved hjælp af kartoner med papirhåndklæder. Du lader dem mætte og kaster dem derefter over bord, og du bruger hver rulle en gang.
Der er en gang gennem CDR-tilgange, som forbedret klippevejr, der er designet til at fremskynde en naturlig proces, hvorved visse klipper, når de udsættes for luft, vil absorbere kulstof fra atmosfæren. På verdensplan anslås denne naturlige klippevejr at fjerne ca. 1 gigaton kulstof hvert år. “Forbedret klippevejr” er en CDR -tilgang, hvor du ville grave en masse af denne klippe, slib den virkelig lille, til mindre end bredden af et menneskehår, for at få processen til at ske meget hurtigere. Ideen er, at du graver op noget, spreder det ud og absorberer co2 på én gang.
Den vigtigste forskel mellem disse to processer er, at den cykliske proces er underlagt den anden lov om termodynamik, og der er en energibegrænsning. Du kan indstille en faktisk grænse fra fysik og sige, at enhver cyklisk proces vil tage en vis mængde energi, og det kan ikke undgås. For eksempel finder vi ud af, at det absolutte minimumsmængde, du har brug for at fange en gigaton af kulstof, er baseret på det samlede årlige elektriske energiforbrug for det absolutte minimale energiforbrug for det absolutte minimumsmængde, du har brug for at fange en gigaton af kulstof, der er baseret på anden lovgrænser. State of Virginia.
Systemer, der i øjeblikket er under udvikling, bruger mindst tre til 10 gange så meget energi pr. Ton (og fanger titusinder, ikke milliarder, af tons). Sådanne systemer er også nødt til at flytte en masse luft; Den luft, der skulle passere gennem et DAC -system for at fange en gigaton af co2 er sammenlignelig med den mængde luft, der passerer gennem alle luftkølesystemer på planeten.
På den anden side, hvis du har en gang gennem proces, kan du i nogle henseender undgå energibegrænsningen, men nu har du en materialebegrænsning på grund af de centrale love for kemi. For en gang gennem processer som forbedret klippevejr, betyder det, at hvis du vil fange en gigaton af co2groft sagt, har du brug for en milliard tons rock.
Så at fange gigatoner af kulstof gennem konstruerede metoder kræver enorme mængder fysisk materiale, luftbevægelse og energi. På den anden side alt, hvad vi gør for at sætte det co2 I atmosfæren er også omfattende, så reduktioner i stor skala står over for sammenlignelige udfordringer.
Hvad konkluderer rapporten med hensyn til, om og hvordan man fjerner kuldioxid fra atmosfæren?
Vores oprindelige fordomme var, CDR vil bare tage så meget energi, og der er ingen måde at være omkring det på grund af den anden lov om termodynamik, uanset metoden.
Men som vi diskuterede, er der denne nuance om cyklisk kontra en gang gennem systemer. Og der er to synspunkter, som vi endte med at trække en nål imellem. Den ene er den opfattelse, at CDR er en sølvkugle, og vi vil bare gøre CDR og ikke bekymre os om emissioner – vi suger det bare ud af atmosfæren. Og det er ikke tilfældet. Det vil være virkelig dyrt og vil tage en masse energi og materialer at udføre storskala CDR.
Men der er en anden opfattelse, hvor folk siger, tænk ikke engang på CDR. Selv at tænke på CDR vil kompromittere vores bestræbelser på reduktion af emissioner. Rapporten kommer et sted i midten og siger, at CDR ikke er en magisk kugle, men heller ikke en no-go.
Hvis vi ser alvorligt på at styre klimaændringer, vil vi sandsynligvis have betydelige CDR ud over aggressive emissioner. Rapporten konkluderer, at forskning og udvikling af CDR -metoder skal selektivt og forsigtigt forfølges på trods af de forventede omkostninger og energi og materielle krav.
På politisk niveau er hovedmeddelelsen, at vi har brug for en økonomisk og politisk ramme, der incitamerer reduktion af emissioner og CDR i en fælles ramme; Dette ville naturligvis give markedet mulighed for at optimere klimafortyret. Da det i mange tilfælde er meget lettere og billigere at skære emissioner, end det sandsynligvis nogensinde vil være at fjerne atmosfærisk kulstof, skal det klart forstå udfordringerne ved CDR hjælpe med at motivere hurtige emissioner.
For mig er jeg optimistisk i den forstand, at vi videnskabeligt forstår, hvad det vil tage for at reducere emissionerne og bruge CDR til at bringe CO2 niveauer ned til et lidt lavere niveau. Nu er det virkelig et samfundsmæssigt og økonomisk problem. Jeg tror, menneskeheden har potentialet til at løse disse problemer. Jeg håber, at vi kan finde fælles grund, så vi kan tage handlinger som et samfund, der vil gavne både menneskeheden og de bredere økosystemer på planeten, før vi ender med at have større problemer, end vi allerede har.