Vai tiešām CO2 izsūkšana no atmosfēras var darboties?

Fiziķis Pīters Eizenbergers bija gaidījis, ka kolēģi uz viņa ideju reaģēs skeptiski. Galu galā viņš apgalvoja, ka ir izgudrojis mašīnu, kas varētu attīrīt atmosfēru no liekā oglekļa dioksīda, pārvēršot gāzi degvielā vai uzglabājot to pazemē. Un Kolumbijas universitātes zinātnieks apzinājās, ka viņa divus gadus vecā startup Global Thermostat nosaukšana nebija gluži pazemības vingrinājums.

Taču 2009. gada pavasara uzņemšana bija vēl noraidošāka, nekā viņš bija gaidījis. Pirmkārt, viņš runāja ar īpašu komiteju, ko sasauca Amerikas Fizikālā biedrība, lai pārskatītu iespējamos veidus, kā samazināt oglekļa dioksīdu atmosfērā, izmantojot tā saukto gaisa uztveršanu, kas būtībā nozīmē to notīrīt no debesīm. Viņi pieklājīgi noklausījās viņa prezentāciju, bet tik tikko uzdeva jautājumus. Dažas nedēļas vēlāk viņš runāja ASV Enerģētikas departamenta Nacionālajā energotehnoloģiju laboratorijā Rietumvirdžīnijā ar tikpat skeptisku auditoriju. Eizenbergers paskaidroja, ka viņa laboratorijas pētījumi ir saistīti ar ķīmiskām vielām, ko sauc par amīniem, kuras jau izmanto, lai uztvertu koncentrētu oglekļa dioksīdu, ko emitē fosilā kurināmā spēkstacijas. Šī pati uz amīnu balstītā tehnoloģija, viņš teica, arī parādīja potenciālu daudz grūtākam un ambiciozākam uzdevumam - uztvert gāzi no āra gaisa, kur oglekļa dioksīds ir atrodams koncentrācijā 400 daļas uz miljonu. Tas ir līdz pat 300 reižu izkliedētāks nekā spēkstaciju dūmu skursteņos. Bet Eizenbergers apgalvoja, ka viņam ir vienkāršs dizains, lai sasniegtu varoņdarbu rentablā veidā, daļēji tāpēc, ka viņš pārstrādā amīnus. Tas pat netika reģistrēts, viņš atceras. Es jutu, ka daudzi cilvēki uz mani dusmojas.

CTO un līdzdibinātājs Pīters Eizenbergers Global Thermostat gaisa uztveršanas iekārtas priekšā.

Taču nākamajā dienā viņam satraukti piezvanīja laboratorijas vadītājs. DOE zinātnieki bija sapratuši, ka amīnu paraugi, kas atradās ap laboratoriju, istabas temperatūrā ir saistījušies ar oglekļa dioksīdu — to viņi līdz tam nebija īpaši novērtējuši. Tas nozīmēja, ka Eizenbergera pieeja gaisa uztveršanai bija vismaz iespējama, saka viens no DOE laboratorijas ķīmiķiem Maks Grejs.

Pēc pieciem gadiem Eizenbergera uzņēmums ir piesaistījis 24 miljonus dolāru investīcijās, uzcēlis darbojošos demonstrācijas rūpnīcu un noslēdzis darījumus, lai vismaz vienam klientam piegādātu no debesīm savākto oglekļa dioksīdu. Bet nākamais izaicinājums ir pierādīt, ka tehnoloģijai var būt pārveidojoša ietekme uz pasauli, kas atbilst viņa uzņēmuma nosaukumam.

Nepieciešamība pēc oglekļa iesūkšanas mašīnas ir viegli pamanāma. Lielākā daļa tehnoloģiju oglekļa dioksīda samazināšanai darbojas tikai tad, ja gāze tiek emitēta lielā koncentrācijā, piemēram, spēkstacijās. Taču gaisa uztveršanas iekārtas, kas uzstādītas jebkur uz zemes, varētu tikt galā ar 52 procentiem oglekļa dioksīda emisiju, ko rada izkliedēti, mazāki avoti, piemēram, automašīnas, fermas un mājas. Otrkārt, gaisa uztveršana, ja tā kādreiz kļūs praktiska, varētu pakāpeniski samazināt oglekļa dioksīda koncentrāciju atmosfērā. Tā kā emisijas ir palielinājušās — tagad tās pieaug par 2 procentiem gadā, divreiz ātrāk nekā 20. gadsimta pēdējās trīs desmitgadēs –, zinātnieki ir sākuši apzināties, ka steidzami ir jāsasniedz tā sauktās negatīvās emisijas.

Acīmredzamā nepieciešamība pēc tehnoloģijas ir pamudinājusi vairākus citus centienus izstrādāt dažādas pieejas, kas varētu būt praktiskas. Piemēram, uzņēmums Climate Engineering, kas atrodas Kalgari, uztver oglekli, izmantojot šķidru nātrija hidroksīda šķīdumu, kas ir vispāratzīta rūpnieciskā tehnika. Uzņēmums, kuru līdzdibināja agrīnais idejas pionieris, Eizenberga Kolumbijas kolēģis Klauss Lākners, vairākus gadus strādāja pie problēmas, pirms 2012. gadā padevās.

Negatīvās emisijas noteikti ir vajadzīgas, lai atjaunotu atmosfēru, ņemot vērā to, ka mēs ievērojami pārsniegsim jebkuru drošu CO2 robežvērtību, ja tāda ir. Manā prātā rodas jautājums, vai to var izdarīt ekonomiski?

Klimata pārmaiņu starpvaldību padomes aprīlī publicētajā ziņojumā teikts, ka, lai izvairītos no starptautiski saskaņotā globālās sasilšanas mērķa par 2 °C, visticamāk, būs globāli jāievieš oglekļa dioksīda noņemšanas stratēģijas, piemēram, gaisa uztveršana. (Skatiet “Klimata pārmaiņu ierobežošanas izmaksas varētu dubultoties bez oglekļa uztveršanas tehnoloģijas”). Negatīvās emisijas noteikti ir vajadzīgas, lai atjaunotu atmosfēru, ņemot vērā to, ka mēs ievērojami pārsniegsim jebkuru drošu CO2 ierobežojumu, ja tāds ir, saka Daniels Šrāgs, direktors. no Hārvardas Universitātes Vides centra. Manā prātā rodas jautājums, vai to var izdarīt ekonomiski?

Lielākā daļa ekspertu ir skeptiski. (Skatiet, ko nevar izdarīt ar oglekļa uztveršanu.) Amerikas Fizikas biedrības 2011. gada ziņojumā ir norādītas galvenās fiziskās un ekonomiskās problēmas. Fakts, ka oglekļa dioksīds saistās ar amīniem, veidojot molekulu, ko sauc par karbamātu, ir labi zināma ķīmija. Bet oglekļa dioksīds joprojām ir tikai viena no 2500 molekulām gaisā. Tas nozīmē, ka efektīvai gaisa uztveršanas iekārtai būtu jāpalaiž garām amīniem liels gaisa daudzums, lai iegūtu pietiekami daudz oglekļa dioksīda, kas tiem pieliptu, un pēc tam amīnus reģenerē, lai iegūtu vairāk. Tas prasītu daudz enerģijas un tādējādi būtu ļoti dārgi, teikts 2011. gada ziņojumā. Tāpēc tika secināts, ka gaisa uztveršana pašlaik nav ekonomiski dzīvotspējīga pieeja klimata pārmaiņu mazināšanai.

Global Thermostat darbinieki saprot šo biedējošo ekonomiku, taču joprojām ir izaicinoši optimistiski. Veids, kā padarīt gaisa uztveršanu rentablu, saka Global Thermostat līdzdibinātāja Graciela Chichilnisky, Kolumbijas universitātes ekonomiste un matemātiķe, ir izmantot dažādu nozaru pieprasījumu pēc gāzes. Jau pastāv labi izveidots, miljardu dolāru vērts oglekļa dioksīda tirgus, ko izmanto, lai atjaunotu naftas urbumus, ražotu gāzētus dzērienus un stimulētu augu augšanu komerciālās siltumnīcās. Vēsturiski gāze tiek pārdota par aptuveni 100 USD par tonnu. Taču Eizenbergers saka, ka viņa uzņēmuma prototipa mašīna varētu iegūt koncentrētu tonnu gāzes par daudz mazāku summu. Ideja ir vispirms pārdot oglekļa dioksīdu nišas tirgos, piemēram, naftas urbumu reģenerācijas tirgos, lai galu galā izveidotu lielākus, piemēram, izmantojot katalizatorus, lai ražotu degvielu procesos, kurus virza saules enerģija. Kad oglekļa uztveršana no gaisa ir izdevīga, cilvēki, kas rīkojas savās interesēs, to īstenos, saka Čičilņiskis.

Iesildīšanās

Eizenbergers un Čičilniskis bija kolēģi Kolumbijā 2008. gadā, kad viņi saprata, ka viņu intereses ir viena otru papildinošas: viņa intereses enerģētikā un viņas intereses vides ekonomikā, tostarp darbs, lai palīdzētu veidot 1991. gada Kioto protokolu, pirmo globālo līgumu par emisiju samazināšanu. Čičilņiskis saka, ka valstis bija apņēmušās lielus samazinājumus, taču ekonomiskā un politiskā realitāte neļāva to īstenot. Pāris nolēma izveidot uzņēmumu, lai risinātu oglekļa problēmas.

Viņi koncentrējās uz gaisa uztveršanu, ko vispirms izstrādāja nacistu zinātnieki, kuri izmantoja šķidros sorbentus, lai noņemtu CO2 uzkrāšanos zemūdenēs. 2008. gada ziemā Eizenbergers iekārtojās klusā mājā ar lieliem stikla logiem, no kuriem paveras skats uz okeānu Mendocino apgabalā, Kalifornijā. Tur viņš pētīja esošo literatūru par oglekļa uztveršanu un pieņēma svarīgu lēmumu. Zinātnieki, kas izstrādā metodes CO2 uztveršanai, līdz šim ir centušies strādāt ar augstu gāzes koncentrāciju. Bet Eizenbergers un Čičilņiskis šajos vienādojumos koncentrējās uz citu terminu: temperatūru.

Inženieri jau iepriekš ir izmantojuši amīnus, lai attīrītu CO2 no dūmgāzēm, kuru temperatūra, izejot no spēkstacijām, ir aptuveni 70 °C. Pēc tam CO2 atdalīšanai no amīniem — amīnu reģenerēšanai — parasti ir nepieciešamas reakcijas 120 °C temperatūrā. Turpretim Eizenbergers aprēķināja, ka viņa sistēma darbosies aptuveni 85 °C temperatūrā, kas prasīs mazāku kopējo enerģiju. Tas izmantotu salīdzinoši lētu tvaiku diviem mērķiem. Tvaiks uzsildītu virsmu, novadot CO2 no savācamajiem amīniem, vienlaikus izpūšot CO2 prom no virsmas.

Pat ja gaisa uztveršana kādreiz izrādītos rentabla, tas, vai to vajadzētu palielināt, ir cits jautājums.

Rezultāts? Ar mazāku siltuma pārvaldības infrastruktūru nekā tas, kas nepieciešams ar amīniem spēkstaciju dūmu skursteņos, skrubera konstrukcija varētu būt vienkāršāka un līdz ar to lētāka. Izmantojot datus no sava prototipa, Eizenbergera komanda lēš, ka pieeja varētu maksāt no 15 līdz 50 USD par tonnu oglekļa dioksīda, kas uztverts no gaisa, atkarībā no amīna virsmas ilguma.

Ja Global Thermostat var sasniegt gandrīz cenas, ko tas reklamē, daudzi nišas tirgi aicina. Jaunuzņēmums ir sadarbojies ar Carson City, Nevada bāzētu uzņēmumu Algae Systems, lai ražotu biodegvielu, izmantojot oglekļa dioksīdu un aļģes. Tikmēr pieaug pieprasījums pēc oglekļa dioksīda ievadīšanas noplicinātās naftas urbumos, kas pazīstams kā uzlabota naftas ieguve. Kādā pētījumā aplēsts, ka lietojumprogrammai līdz 2021. gadam varētu būt nepieciešami 3 miljardi tonnu oglekļa dioksīda gadā, kas ir gandrīz desmitkārtīgs pieaugums salīdzinājumā ar 2011. gada tirgu.

Tas joprojām ir samazinājums attiecībā uz daudzumu, kas nepieciešams, lai samazinātu vai pat stabilizētu CO2 koncentrāciju atmosfērā. Taču Eizenbergers saka, ka gaisa uztveršanai patiesībā nav alternatīvu. Pēc viņa teiktā, vienkārša oglekļa emisiju uztveršana no ogļu spēkstacijām tikai paplašina sabiedrības atkarību no oglekļa intensīvām oglēm.

Piesūc to

Ir silta decembra pēcpusdiena Silīcija ielejā, kad mēs ar Eizenbergeru dodamies pa SRI International betona pētniecības centru. Tieši šajās zemajās ēkās inženieri pirmo reizi demonstrēja ARPAnet, Apple Siri programmatūru un neskaitāmus citus tehnoloģiskos sasniegumus. Apmēram ceturtdaļjūdzi no ieejas paveras 40 pēdas augsts ventilatoru, tērauda un sudraba cauruļu tornis. Šī ir globālā termostata demonstrācijas iekārta. Tas ir iespaidīgs un tīrs. Eizenbergers skatās uz kluso ainu ap torni, kurā ir augsts koks. Tas dara tieši to, ko dara koks, saka Eizenbergers. Bet tad viņš labojas. Patiesībā tas to dara daudz labāk.

Pēc tam, kad Eizenbergers 1967. gadā Hārvardā ieguva fizikas doktora grādu, sekoja darbs Bell Labs, Prinstonā un Stenfordā. Uzņēmums Exxon 1980. gados viņš vadīja darbu pie saules enerģijas, pēc tam strādāja par direktoru Lamont-Doherty, ģeozinātņu laboratorijā Kolumbijā. Tur viņš ir pasniedzis ilgstošu semināru ar nosaukumu The Earth/Human system. Šajā seminārā 2007. gadā, kad Lākners bija vieslektors, Eizenbergers pirmo reizi dzirdēja par gaisa uztveršanu. Pēc apmēram gadu ilgas sagatavošanās viņš un Čičilņiskis sazinājās ar miljardieri Edgaru Bronfmanu jaunāko. Dažreiz, kad dzirdat kaut ko, kam jābūt pārāk labam, lai būtu patiesība, tas notiek tāpēc, ka tā ir. Tā bija Bronfmana reakcija, stāsta viņa dēls, kurš bija klāt. sanāksmē. Bet pēcnācējs lūdza tēvu: ja viņiem ir taisnība, šī ir viena no lielākajām iespējām. Ģimene ieguldīja 18 miljonus dolāru.

Šis lielums ir ļāvis uzņēmumam izveidot demonstrāciju, neskatoties uz to, ka būtībā nav federālā atbalsta gaisa uztveršanas pētījumiem. (Global Thermostat par savu vietu izvēlējās SRI, jo objektam ir iepriekšēja pieredze oglekļa uztveršanas tehnoloģijā.) Taisnstūra tornī tiek izmantoti ventilatori, lai ievilktu gaisu virs 10 pēdu platām virsmām, kas pazīstamas kā kontaktori. Katrs sastāv no 640 keramikas kubiņiem, kas iestrādāti ar amīna sorbentu. Tornis paceļ vienu kontaktoru, kamēr otrs tiek nolaists. Tas ļauj viena kubiem savākt CO2 no apkārtējā gaisa, bet otram 85 °C temperatūrā tiek attīrīta gāze, izmantojot tvaiku. Pagaidām gāze tiek vienkārši izvadīta, bet atkarībā no klienta to var ievadīt zemē, nosūtīt pa caurulēm vai pārvietot uz ķīmisko rūpnīcu rūpnieciskai lietošanai.

Galvenais izaicinājums, ar ko saskaras uzņēmums, ir amīnu sorbentu virsmu nelīdzenums. Tiem ir tendence ātri sadalīties, kad tie tiek oksidēti, un bieža sorbentu nomaiņa varētu padarīt procesu daudz mazāk rentablāku nekā Eizenbergera projekti.

Viltus cerības

Neviena no tūkstošiem pasaules ogļu rūpnīcu nav aprīkota, lai pilnībā uztvertu to oglekļa piesārņojumu. Un, ja tas nav ekonomisks izmantošanai spēkstacijās, jo tajās ir koncentrēts oglekļa dioksīda avots, daudziem ekspertiem izredzes to uztvert no gaisa šķiet vājas. Ir patiešām maza iespēja, ka jūs varētu uztvert CO2 no apkārtējā gaisa lētāk nekā no ogļu rūpnīcas, kur dūmgāzes ir 300 reizes vairāk koncentrētas, saka Roberts Sokolovs, Prinstonas Vides institūta direktors un universitātes oglekļa emisiju samazināšanas iniciatīvas līdzdirektors. .

Skepsi par gaisa uztveršanas iespējamību palielina tas, ka ir citi, lētāki veidi, kā radīt tā sauktās negatīvās emisijas. Šrags saka, ka praktiskāks veids, kā to izdarīt, būtu degvielas iegūšana no biomasas, kas, augot, izvada no atmosfēras CO2. Tā kā šī izejviela tiek fermentēta reaktorā, lai izveidotu etanolu, tā rada tīra oglekļa dioksīda plūsmu, ko var uztvert un uzglabāt pazemē. Tā ir pārbaudīta tehnika, un tā ir pārbaudīta dažās vietās visā pasaulē.

Pat ja gaisa uztveršana kādreiz izrādītos rentabla, neatkarīgi no tā vajadzētu palielināt ir cits jautājums. Pieņemsim, ka saules elektrostacija ir uzbūvēta ārpus esošas ogļu stacijas. Vai jaunās saules elektrostacijas saražotā enerģija būtu jāizmanto, lai no atmosfēras izsūktu oglekli, vai arī ļautu ogļu elektrostaciju slēgt, aizstājot tās saražoto enerģiju? Pēdējais ir daudz saprātīgāks, saka Sokolovs. Viņam un citiem ir vēl vienas bažas par gaisa uztveršanu: apgalvojumi par tās iespējamību var radīt pašapmierinātību. Es nevēlos, lai mēs dotu cilvēkiem maldīgu cerību, ka gaisa uztveršana var atrisināt oglekļa emisiju problēmu, nepievēršot īpašu uzmanību fosilā kurināmā [izmantošanas samazināšanai], viņš saka.

Eizenbergers un Čičilniskis ir pārliecināti par to, cik svarīgi ir izsūkt CO2 no atmosfēras, nevis pilnībā koncentrēties uz tā uztveršanu no ogļu rūpnīcām. 2010. gadā pāris izstrādāja savas tehnoloģijas versiju, kas sajauc gaisu ar dūmgāzēm no ogļu vai gāzes spēkstacijas. Šī pieeja nodrošina tvaika avotu, vienlaikus uztverot gan atmosfēras oglekli, gan jaunas emisijas. Tas varētu arī samazināt izmaksas, nodrošinot augstāku CO2 koncentrāciju iekārtai uztveršanai. Tā ir ļoti iespaidīga sistēma, triumfs, saka Sokolovs, kurš domā, ka gaisa uztveršanas zinātnes sasniegumi galu galā tiks izmantoti galvenokārt ogļu un gāzes spēkstacijās.

Šādai lietojumprogrammai varētu būt izšķiroša nozīme siltumnīcefekta gāzu emisiju attīrīšanā. Taču Eizenbergers ir atklājis vēl augstākus mērķus. Viņam un Chichilnisky 2008. gadā piešķirtajā patentā gaisa uztveršanas tehnoloģija cita starpā aprakstīta kā globāls termostats planētas atmosfēras vidējās temperatūras kontrolei.

Eli Kintišs ir korespondents Zinātne žurnāls.

paslēpties