Het Intergouvernementeel Panel voor Klimaatverandering (IPCC) stelt dat het beperken van de opwarming van de aarde tot 1,5 C de meest catastrofale gevolgen van klimaatverandering kan voorkomen. In haar recente rapport, het zette vier manieren uiteen om dit te bereiken — en ze zijn allemaal afhankelijk van het verwijderen van koolstofdioxide uit de atmosfeer. Dit komt omdat zelfs als we de meeste van onze koolstofemissies tot nul terugbrengen, uitstoot van landbouw en vliegreizen zou moeilijk helemaal kunnen worden geëlimineerd. En aangezien koolstofdioxide dat al in de atmosfeer is, het klimaat honderden tot duizenden jaren kan beïnvloeden, het IPCC stelt dat technologieën voor het verwijderen van koolstofdioxide (CDR) van cruciaal belang zullen zijn om deze eeuw 100 tot 1000 gigaton CO2 kwijt te raken.

Hoe kan kooldioxide worden verwijderd?

Er zijn verschillende CDR-strategieën, allemaal in verschillende stadia van ontwikkeling, en variërend in kosten, voordelen en risico's. CDR-benaderingen die gebruik maken van bomen, planten en grond om koolstof op te nemen worden al tientallen jaren op grote schaal gebruikt; andere strategieën die meer afhankelijk zijn van technologie bevinden zich meestal in de demonstratie- of proeffase. Elke strategie heeft voor- en nadelen.

Bebossing en herbebossing

Als planten en bomen groeien, ze halen koolstofdioxide uit de atmosfeer en zetten het om in suikers door middel van fotosynthese. Op deze manier, Amerikaanse bossen absorberen 13 procent van de koolstofemissies van het land; wereldwijd, bossen slaan bijna een derde van de uitstoot in de wereld op.

Het planten van extra bomen zou meer koolstof uit de atmosfeer kunnen verwijderen en voor een lange tijd kunnen opslaan, evenals het verbeteren van de bodemkwaliteit tegen relatief lage kosten - $ 0 tot $ 20 per ton koolstof. Bebossing omvat het planten van bomen waar er voorheen geen waren; herbebossing betekent het herstellen van bossen waar bomen zijn beschadigd of uitgeput.

Bebossing, echter, zou kunnen wedijveren om land dat voor landbouw wordt gebruikt, net zoals de voedselproductie tegen 2050 met 70 procent moet toenemen om de groeiende wereldbevolking te voeden. Het kan ook gevolgen hebben voor de biodiversiteit en ecosysteemdiensten.

En hoewel bossen decennialang koolstof kunnen vastleggen, ze hebben vele jaren nodig om te groeien en kunnen in decennia tot eeuwen verzadigd raken. Ze vereisen ook zorgvuldig beheer omdat ze onderhevig zijn aan menselijke en natuurlijke effecten zoals bosbranden, droogte en plagen.

Vastlegging van koolstof in de bodem

De koolstof die planten bij fotosynthese uit de atmosfeer opnemen, wordt een deel van de bodem wanneer ze afsterven en uiteenvallen. Het kan daar millennia blijven of het kan snel worden vrijgegeven, afhankelijk van de klimatologische omstandigheden en hoe de bodem wordt beheerd. Minimale grondbewerking, bodembedekkers, vruchtwisseling en het achterlaten van gewasresten op het veld helpen de bodem om meer koolstof op te slaan.

het IPCC, die meent dat koolstofvastlegging in de bodem het vermogen heeft om CO2 te verminderen tegen de laagste kosten - $ 0 tot $ 100 per ton - schat dat koolstofvastlegging in de bodem tegen 2050 tussen de 2 en 5 gigaton koolstofdioxide per jaar zou kunnen verwijderen. Ter vergelijking:de elektriciteitscentrales van de wereld hebben in 2017 32,5 gigaton CO2 uitgestoten.

Koolstofvastlegging in de bodem kan onmiddellijk worden ingezet, en zou de bodemgezondheid verbeteren en de gewasopbrengst verhogen; bovendien zou het de land- en watervoorraden niet onder druk zetten. Maar terwijl de bodem in het begin grote hoeveelheden koolstof opslaat, het kan na 10 tot 100 jaar verzadigd raken, afhankelijk van het klimaat, bodemtype en hoe het wordt beheerd.

Bio-energie met koolstofafvang en -opslag (BECCS)

Als we centrales voor energie verbranden in een elektriciteitscentrale en de resulterende emissies opvangen en opslaan, de CO2 die de planten eerder hebben opgenomen, wordt uit de atmosfeer verwijderd. De CO2 kan vervolgens worden gebruikt voor verbeterde oliewinning of in de aarde worden geïnjecteerd waar het wordt opgeslagen in geologische formaties.

Het IPCC schat dat BECCS tegen 2050 tussen de 0,5 en 5 gigaton koolstof per jaar kan verwijderen. Om genoeg koolstof te absorberen om de wereld op 2˚ te houden, echter, energiegewassen zouden moeten worden geplant op een stuk land dat drie keer zo groot is als India, volgens een schatting; en zelfs kleinere hoeveelheden BECCS zouden concurreren met land dat nodig is voor voedselproductie. Een studie concludeerde dat grootschalige BECCS ertoe zou kunnen leiden dat de wereldwijde bosbedekking met 10 procent afneemt en dat er tweemaal zoveel water nodig is als momenteel wereldwijd voor de landbouw wordt gebruikt. BECCS kan ook gevolgen hebben voor de biodiversiteit en ecosysteemdiensten, en het genereren van broeikasgasemissies door landbouw en gebruik van kunstmest.

Op dit punt, BECCS is duur. Direct, er is slechts één werkend BECCS-project in de wereld:een ethanolfabriek in Decatur, IL dat meer dan 1,4 miljoen ton CO2 heeft opgevangen en opgeslagen. Omdat er zo weinig onderzoeksprojecten zijn en BECCS niet op grote schaal is getest, het is nog in een vroeg stadium van ontwikkeling. Terwijl de huidige kostenramingen voor BECCS tussen $30 en $400 per ton CO2 liggen, studies projecteren dat de kosten tegen 2050 kunnen dalen tot $ 100 tot $ 200 per ton koolstof. BECCS wordt beschouwd als een van de meest potentieel effectieve strategieën voor het verwijderen van koolstofdioxide voor het bieden van koolstofopslag op de lange termijn.

De Nationale Academies van Wetenschappen, Engineering en geneeskunde projecten die gegeven wat we vandaag weten, bebossing en herbebossing, koolstofvastlegging in de bodem, en BECCS, samen met duurzame bosbeheerpraktijken (zoals het uitdunnen van bossen en voorgeschreven brandwonden) kunnen worden opgeschaald om 1 gigaton koolstof per jaar op te vangen en op te slaan in de VS en 10 gigaton wereldwijd. Echter, dit zou enorme veranderingen in de landbouw vergen, beheer van bos- en biomassaafval.

Koolstofmineralisatie

Deze strategie maakt gebruik van een natuurlijk proces waarbij reactieve materialen zoals peridotiet of basaltlava zich chemisch binden met CO2, vorming van vaste carbonaatmineralen zoals kalksteen die CO2 miljoenen jaren kunnen opslaan. De reactieve materialen kunnen worden gecombineerd met CO2-dragende vloeistof bij koolstofafvangstations, of de vloeistof kan in reactieve rotsformaties worden gepompt waar ze van nature voorkomen.

Wetenschappers van het Lamont-Doherty Earth Observatory van het Earth Institute werken al enkele jaren aan koolstofmineralisatie. en manieren vinden om de natuurlijke reactie te versnellen om de CO2-opname te verhogen en permanent op te slaan. Lamont-onderzoeksprofessor David Goldberg en zijn collega's, bijvoorbeeld, onderzoeken de haalbaarheid van de opslag van 50 miljoen ton of meer CO2 in basaltreservoirs in de Pacific Northwest. Meer dan 20 jaar, het project zou CO2 uit industriële bronnen injecteren, zoals productie- en fossiele brandstofcentrales, in basalt 200 mijl uit de kust, op de oostelijke flank van de Juan de Fuca Ridge. Daar, onder 2600 meter water en nog eens 200 meter sediment, het basaltreservoir bevat porieruimten die zouden opvullen als de CO2 mineraliseert tot carbonaatkalksteen. In dit gebied, het basalt reageert snel en mineralisatie kan mogelijk slechts twee jaar of minder duren. Het team van Goldberg heeft factoren geanalyseerd, waaronder het transport van de CO2, hoe het chemisch zou reageren, en hoe de site in de loop van de tijd kan worden gecontroleerd.

De volgende stap is om daar een proefproject te starten om 10, 000 ton CO2. "Een proefproject is van cruciaal belang om de bal naar voren te brengen voor basalt offshore koolstofmineralisatie, zowel om technische als regelgevende redenen, ", zei Goldberg. Het zou de onderzoekers in staat stellen te experimenteren met verschillende soorten injecties, bijvoorbeeld, of ze continu of intermitterend moeten zijn - en beantwoord vragen als 'hoe snel vult de porieruimte zich?' die alleen in het veld kan worden getest. In aanvulling, een proefproject is essentieel om de wettelijke implicaties van koolstofmineralisatie te begrijpen, aangezien er momenteel geen regelgeving bestaat. Canada en de VS zouden pas beginnen met het creëren van een regelgevend kader als ze een proefproject hebben. Goldberg zegt dat ze nog steeds op zoek zijn naar financiering voor een proefproject, maar "Er is veel interesse."

Sinds 2012, CarbFix, een IJslands project waar Goldberg ook aan werkte, heeft koolstof afgevangen en gemineraliseerd in de grootste geothermische energiecentrale van het land, gerund door Reykjavik Energy. Terwijl de fabriek draait op geothermische hernieuwbare energie, het stoot nog steeds een kleine hoeveelheid CO2 uit; CarbFix injecteert 12, 000 ton CO2 per jaar de grond in voor $30 per ton.

Omdat koolstofmineralisatie profiteert van natuurlijke chemische processen, het heeft het potentieel om een ​​economisch, niet-giftige en permanente manier om enorme hoeveelheden koolstof op te slaan. Echter, er zijn nog steeds technische en ecologische vragen die moeten worden beantwoord - volgens het rapport van de National Academies, koolstofmineralisatie kan mogelijk waterbronnen vervuilen of aardbevingen veroorzaken.

Directe luchtopname

Directe luchtopvang zuigt koolstofdioxide uit de lucht door ventilatoren te gebruiken om lucht over stoffen te verplaatsen die zich specifiek aan koolstofdioxide binden. (Dit concept is gebaseerd op het "kunstmatige boom"-werk van Klaus Lackner, directeur van het Center for Negative Carbon Emissions aan de Arizona State University, die vele jaren de directeur was van het Lenfest Center for Sustainable Energy van het Earth Institute.) De technologie maakt gebruik van verbindingen in een vloeibare oplossing of in een coating op een vaste stof die CO2 opvangen wanneer ze ermee in contact komen; wanneer ze later worden blootgesteld aan hitte en chemische reacties, ze geven de CO2 vrij, die vervolgens kan worden gecomprimeerd en ondergronds kan worden opgeslagen. De voordelen van directe luchtafvang zijn dat het eigenlijk een technologie voor negatieve emissies is - het kan koolstof verwijderen die al in de atmosfeer zit, in tegenstelling tot het opvangen van nieuwe emissies die worden gegenereerd - en de systemen kunnen bijna overal worden geplaatst.

Bij een kolencentrale, ongeveer een op de tien moleculen in uitlaatgas is CO2, maar CO2 in de atmosfeer is minder geconcentreerd. Slechts één op de twee, 500 moleculen is CO2, dus het proces voor het verwijderen van CO2 is duurder in vergelijking met het opvangen van koolstof uit fossiele brandstoffen. Directe luchtafvang begon bij $ 600 per ton koolstof; momenteel kost het $ 100- $ 200 per ton - nog steeds duur, deels omdat er geen economische prikkels (zoals een CO2-belasting) of secundaire milieuvoordelen (zoals een verbeterde bodemkwaliteit) zijn om CO2 uit de lucht te halen. Verbetering van de technologie zodat CO2 efficiënter kan worden afgevangen, en/of het verkopen van de afgevangen CO2 kan de prijs doen dalen. Drie bedrijven:Swiss Climeworks, Canadese koolstoftechniek, en American Global Thermostat - werken hieraan.

Climeworks' eerste commerciële fabriek in de buurt van Zürich vangt er 1, 000 ton CO2 per jaar, die in een kas wordt gebruikt om de gewasopbrengst met 20 procent te verhogen. in 2017, het bedrijf installeerde een direct air capture unit als demo in de IJslandse fabriek van Reykjavik Energy om een ​​kleine hoeveelheid CO2 op te vangen die vervolgens ondergronds wordt opgeslagen door CarbFix.

Climeworks heeft nu 14 directe luchtafvangfaciliteiten gebouwd of in aanbouw in Europa; de Italiaanse fabriek gebruikt de afgevangen CO2 om methaanbrandstof voor vrachtwagens te maken.

Koolstoftechniek, met Bill Gates als investeerder, heeft een fabriek in het westen van Canada die een miljoen ton CO2 per jaar kan afvangen. Het projecteert dat op grote schaal, het zou CO2 kunnen verwijderen voor $ 100 tot $ 150 per ton. Het doel is om de CO2 te gebruiken om koolstofneutrale synthetische koolwaterstofbrandstoffen te maken, wat de kosten nog verder zou verlagen. Het bedrijf stelt dat een faciliteit die dit "Air to Fuels"-proces gebruikt, eenmaal opgeschaald, brandstof kan produceren voor minder dan $ 1 dollar per liter.

Globale thermostaat, die zijn eerste fabriek bouwt in Huntsville, AL, streeft ernaar de prijs te verlagen tot $ 50 per ton door de afgevangen CO2 te verkopen aan een frisdrankbedrijf. Het bedrijf zou ter plaatse kleine "vanginstallaties" bouwen in de faciliteiten van de frisdrankmaker, waardoor de kosten voor energie en transport worden verlaagd.

Eén studie voorspelde dat directe luchtafvang in 2050 0,5 tot 5 gigaton CO2 per jaar zou kunnen opzuigen en mogelijk 40 gigaton in 2100. grootschalige directe luchtafvang kan uiteindelijk milieueffecten hebben als gevolg van de extractie, verfijnen, transport en afvalverwerking van de mineralen die de koolstofemissies opvangen.

Hoewel directe luchtafvang een groot potentieel heeft voor het verwijderen van kooldioxide, het is nog in een vroeg stadium van ontwikkeling. Gelukkig, het krijgt enige steun van het Congres in de vorm van de FUTURE Act (het bevorderen van koolstofafvang, gebruik, Technologie, Ondergrondse opslag, en Wet op de verminderde uitstoot). De wet verdubbelt de belastingverminderingen voor het opvangen en permanent opslaan van koolstofdioxide in geologische formaties en het gebruik ervan voor verbeterde oliewinning; voor bedrijven die koolstof omzetten in andere producten zoals cement, Chemicaliën, kunststoffen en brandstoffen; en biedt een belastingvermindering van $ 35 per ton CO2 via directe luchtafvang.

Verbeterde verwering

Rotsen en grond verweren door te reageren met CO2 in de lucht of in zure regen, die van nature ontstaat wanneer CO2 in de lucht oplost in regenwater. De rotsen breken af, het maken van bicarbonaat, een koolstofput, die uiteindelijk in de oceaan wordt vervoerd waar het wordt opgeslagen. Verbeterde verwering versnelt dit proces door verpulverd gesteente te verspreiden, zoals basalt of olivijn, op landbouwgrond of op de oceaan. Het kan worden verpletterd en verspreid over velden en stranden, en zelfs gebruikt voor paden en speeltuinen.

Verbeterde verwering kan de bodemkwaliteit verbeteren, en terwijl het alkalische bicarbonaat in de oceaan spoelt, het zou de verzuring van de oceaan kunnen helpen neutraliseren. Maar het kan mogelijk ook de pH van de bodem en de chemische eigenschappen veranderen, en gevolgen hebben voor ecosystemen en het grondwater. Mijnbouw, het slijpen en transporteren van het gesteente zou kostbaar zijn, vergen veel energie en zorgen voor extra CO2-uitstoot en luchtvervuiling. Vanwege de vele variabelen en het feit dat de meeste beoordelingen van verbeterde verwering niet in het veld zijn getest, kostenramingen lopen sterk uiteen.

Oceaan alkalinisatie, beschouwd als een soort verbeterde verwering, omvat het toevoegen van alkalische mineralen, zoals olivijn, naar het oceaanoppervlak om de CO2-opname te verhogen en de verzuring van de oceaan tegen te gaan. Eén studie schatte dat deze strategie 100 ton tot 10 gigaton CO2 per jaar zou kunnen vastleggen, voor kosten variërend van $ 14 tot meer dan $ 500 per ton. De ecologische effecten ervan, echter, zijn niet bekend.

Bemesting van de oceaan

Bemesting van de oceaan zou voedingsstoffen toevoegen, vaak ijzer, naar de oceaan om algenbloei te veroorzaken, die door fotosynthese meer CO2 zouden opnemen. Echter, door de groei van fytoplankton - de basis van de voedselketen - te stimuleren, zou oceaanbemesting de lokale en regionale voedselproductiviteit kunnen beïnvloeden. Enorme algenbloei kan ook eutrofiëring veroorzaken en resulteren in dode zones zonder zuurstof. Naast de mogelijke gevolgen voor het ecosysteem, het heeft ook minder potentieel om koolstof op de lange termijn vast te leggen.

Kustblauwe koolstof

Kwelders, mangroven, zeegrassen en andere planten in getijdengebieden zijn verantwoordelijk voor meer dan de helft van de koolstof die wordt vastgelegd in de oceaan- en kustecosystemen. Deze blauwe koolstof kan duizenden jaren worden opgeslagen in de planten en sedimenten. Echter, wetlands worden vernietigd door afvoer en vervuiling, droogte en kustontwikkeling:elk half uur gaat er een stuk zeegras ter grootte van een voetbalveld verloren. Het herstellen en creëren van wetlands en het beter beheren ervan zou hun koolstofopslag mogelijk kunnen verdubbelen. Gezonde wetlands bieden ook bescherming tegen stormen, de waterkwaliteit te verbeteren en het leven in zee te ondersteunen.

Er zijn weinig schattingen van het koolstofverwijderingspotentieel van blauwe koolstof, maar de kosten zouden laag tot nul zijn.

En wat ideeën voor de toekomst

Y-combinatie, een organisatie die veelbelovende startups financiert, heeft een oproep gedaan om te werken aan nieuwe soorten technologieën voor het verwijderen van koolstofdioxide, waarvan geen enkele nog buiten een laboratorium is getest. specifiek, ze zoeken projecten in vier domeinen:

• Door de genen van fytoplankton aan te passen, zouden ze koolstof kunnen vastleggen in gebieden van de mondiale oceaan die de voedingsstoffen missen die nodig zijn voor fotosynthese.
• Electro-geo-chemie gebruikt elektriciteit uit hernieuwbare bronnen om zout water af te breken om waterstof (die als brandstof kan worden gebruikt) en zuurstof te produceren, die, in aanwezigheid van mineralen, produceert een zeer reactieve oplossing. Deze oplossing absorbeert koolstofdioxide uit de atmosfeer en zet het om in bicarbonaat.
• Enzymsystemen versnellen chemische reacties die koolstofdioxide kunnen veranderen in andere nuttige organische verbindingen. Y Combinator wil enzymsystemen maken die dit buiten levende cellen kunnen doen om koolstoffixatie te vereenvoudigen.
• Het laatste idee omvat het creëren van 4,5 miljoen kleine oases in woestijnen om fytoplankton te huisvesten dat CO2 zou opnemen. Ze zouden ook zoet water leveren en vegetatie ondersteunen die ook koolstof zou kunnen opzuigen.

Wat is er nodig om de verwijdering van kooldioxide te bevorderen?

Elke CDR-technologie is op een bepaald niveau haalbaar, maar heeft onzekerheden over de kosten, technologie, de snelheid van mogelijke implementatie, of milieueffecten. Het is duidelijk dat niemand de ultieme oplossing voor klimaatverandering biedt.

"Het verwijderen van koolstofdioxide alleen kan het niet, " zei Kate Gordon, een fellow bij het Columbia Center on Global Energy Policy. "Als er één ding is dat het IPCC-rapport echt onderstreept, is dat we een portfolio nodig hebben - we moeten de uitstoot drastisch verminderen, we moeten meer opties voor hernieuwbare energie bedenken om fossiele brandstoffen te vervangen, we moeten veel dingen die momenteel op aardolie draaien elektrificeren en dan moeten we een enorme hoeveelheid koolstof verwijderen." Op korte termijn zou ze graag zien dat beproefde strategieën meer worden ingezet en opgevoerd, zoals het planten van bomen en duurzamere landbouwpraktijken.

In feite, een nieuwe studie heeft zojuist vastgesteld dat het planten van bomen en het verbeteren van het beheer van graslanden, landbouwgronden en wetlands zouden tegen relatief lage kosten 21 procent van de jaarlijkse uitstoot van broeikasgassen in de VS kunnen vastleggen.

Het verder ontwikkelen van de andere strategieën voor het verwijderen van kooldioxide zal aanzienlijke bedragen vergen.

"De gemeenschap van klimaatfilantropie moet dit eigenlijk erkennen als onderdeel van de klimaatoplossing - het is echt belangrijk dat [CDR] deel gaat uitmaken van die portefeuille, "zei Gordon. "We hebben ook een behoorlijk groot federaal R&D-budget nodig voor deze strategieën, zodat we kunnen beginnen met het verbeteren van de technologie en een beter beeld krijgen van hoeveel het kost om elk van deze dingen te doen, hoe effectief ze zijn en hoe veilig ze zijn."

Het zou ook helpen om een ​​financiële prikkel te creëren om koolstof te verwijderen, zoals een koolstofbelasting of boetes voor het uitstoten van koolstof.

"Dit is de volgende grens van de energie, klimaat- en technologiegesprek, "zei Gordon. "We moeten dit voor zijn als we competitief willen blijven - als we de meeste van 's werelds schone energie en geavanceerde energiepatenten willen behouden...Anders kopen we het van iemand anders, omdat iemand het gaat doen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu. Het originele artikel staat hier.