Wetenschap
Nieuwe elektrochemische technologie zou de oceanen kunnen ontzuren – en daarbij zelfs koolstofdioxide kunnen verwijderen
In de poging om de catastrofale gevolgen van de opwarming van de aarde te bestrijden, moeten we de inspanningen om de CO2-uitstoot terug te dringen versnellen en strategieën om kooldioxide (CO2 te verwijderen) snel opschalen. ) uit de atmosfeer en de oceanen. De technologieën voor het terugdringen van onze CO2-uitstoot zijn volwassen; die voor het verwijderen van koolstof uit het milieu zijn dat niet en hebben krachtige steun nodig van regeringen en de particuliere sector.
Slechts 45 procent van de kooldioxide-uitstoot blijft in de atmosfeer; de rest wordt geabsorbeerd via twee cycli:1) de biologische koolstofcyclus slaat CO2 op in plantenmateriaal en bodems, en 2) de waterige koolstofcyclus absorbeert CO2 vanuit de atmosfeer naar de oceanen. Elk van deze cycli is verantwoordelijk voor 25 en 30 procent van de uitgestoten CO2 respectievelijk.
CO2 dat oplost in de oceanen, reageert en vormt chemicaliën die de zuurgraad van de oceanen verhogen. Het oplossen van mineralen uit rotsen langs kustlijnen werkt als tegenwicht voor deze zuurgraad, in een proces dat geologische verwering wordt genoemd, maar de extreme toename van de snelheid en het volume van CO2 De uitstoot van broeikasgassen is, vooral in de afgelopen 60 jaar, veel groter geweest dan de snelheid van de geologische verwering, wat heeft geleid tot een toename van de zuurgraad van de oceanen met 30 procent.
Naarmate de oceanen verzuren, zullen miljoenen mariene soorten en hele ecosystemen (vooral koraalriffen) zich niet meer kunnen aanpassen.
We overweldigen de natuurlijke evenwichtssystemen van de aarde en beschadigen daarbij de ecosystemen. Ons recente werk aan de McMaster University en de Universiteit van Toronto, ondersteund door het Carbon to Sea Initiative, heeft geprobeerd deze uitdagingen aan te pakken.
De uitdaging die voor ons ligt
Het goede nieuws is dat het mogelijk is om de pH van de oceanen opnieuw in evenwicht te brengen met behulp van een proces dat Ocean Alkaliteit Verbetering (OAE) wordt genoemd. Bovendien zal deze herbalancering ook extra CO2 stimuleren uit de atmosfeer te worden geabsorbeerd. Door zorgvuldig en voortdurend de alkaliteit van de oceaan, de verzuring van de oceaan en het overtollige CO2 in de atmosfeer te herstellen concentraties kunnen gelijktijdig worden aangepakt.
De meest voor de hand liggende aanpak zou zijn om fijngemalen alkalimineralen aan de oceaan toe te voegen om de zuurgraad van het water direct te verlagen. De enorme schaal waarop deze processen zouden moeten plaatsvinden is echter onthutsend.
We schatten bijvoorbeeld dat de equivalente massa van ongeveer achtduizend Empire State-gebouwen aan alkalische stoffen elk jaar vanaf het midden van de eeuw in de oceanen zou moeten worden toegevoegd om aan de emissiedoelstellingen van het IPCC te voldoen. Het is duidelijk dat deze techniek niet de enige oplossing kan zijn.
Wij geloven dat een elektrochemische aanpak op basis van koolstofarme energie een van de beste manieren is om de verzuring van de oceanen tegen te gaan. Met behulp van een proces dat bipolaire membraanelektrodialyse (BMED) wordt genoemd, wordt de zuurgraad van zeewater direct verwijderd zonder toevoeging van andere stoffen. Deze technologie vereist alleen zeewater, elektriciteit en gespecialiseerde membranen.
De eenvoud en modulariteit die inherent zijn aan de BMED-technologie maken een flexibele, schaalbare en potentieel kosteneffectieve methode voor het verwijderen van kooldioxide mogelijk.
Bouwen op schaal
In 2015 hebben we samen met een team onderzoekers van het Palo Alto Research Center en X Development een kleinschalig BMED-systeem gebouwd en getest. Dit systeem presteerde goed en is veelbelovend in combinatie met bestaande faciliteiten zoals ontziltingsinstallaties.
We hebben de belangrijkste technologische beperkingen ervan geïdentificeerd, maar in de periode 2015-2017 waren de koolstofkredieten en prikkels voor klimaatveranderingstechnologieën onvoldoende en werd het project opgeschort. Nu is het economische en fysieke klimaat veranderd.
Op economisch vlak versterken zowel de belastingkredieten die worden geboden door de Inflation Reduction Act (IRA) in de Verenigde Staten als de gestaag stijgende, inkomstenneutrale CO2-belasting in Canada de economische levensvatbaarheid van technologieën voor CO2-reductie.
Verder hebben de recente extreme klimatologische gebeurtenissen van het afgelopen jaar, van enorme bosbranden in Canada tot de heetste maanden ooit gemeten, tot de warmste zeetemperaturen ooit gemeten, mensen geschokt over de flagrante realiteit van de klimaatverandering en de vraag naar echte oplossingen vergroot. BMED-technologie is een van deze oplossingen.
De BMED-technologie wordt gedeeltelijk beperkt door de gespecialiseerde membranen die in de handel verkrijgbaar zijn. Bovendien zijn deze membranen verantwoordelijk voor een aanzienlijk deel (ongeveer 30 procent) van de kapitaalkosten en hebben ze een korte levensduur omdat ze gevoelig zijn voor degradatie.
Ons werk is gericht op het ontwikkelen van schaalbare, ultradunne membranen voor gebruik in een aangepast BMED-proces, terwijl we ook efficiënte operationele omstandigheden, optimale industriële koppelingen en ideale mondiale locaties identificeren om deze OAE-technologie over de hele wereld kosteneffectief te implementeren.
De ultradunne membranen zullen de zuurgraad efficiënter onttrekken dan bestaande commerciële membranen, terwijl hun productietechniek en optimaal gebruik hun productie- en operationele kosten dramatisch zullen verlagen.
Het ontwikkelen van kosteneffectieve BMED-systemen zal de weg openen naar economisch levensvatbare OAE.
Voorzichtig optimisme
Onlangs zijn er verschillende start-ups opgericht, zoals Ebb Carbon, SeaO2 en Vesta, die zich richten op de verwijdering van koolstofdioxide uit de oceaan via OAE.
We moedigen open communicatie aan over de voortgang en uitdagingen waarmee OAE wordt geconfronteerd met het publiek, onderzoeksinstellingen, overheden en de particuliere sector om oplossingen voor de uitdagingen van OAE te versnellen.
In het bijzonder moeten we de impact beoordelen van het opnieuw aanpassen van de alkaliteit van zeewater op mariene ecosystemen, terwijl we tegelijkertijd ook betrouwbare systemen moeten ontwikkelen en implementeren om de netto hoeveelheid verwijderde zuurgraad en koolstof te meten, rapporteren en verifiëren.
Daarnaast moeten we ook optimale grootschalige implementatielocaties identificeren waar OAE veilig en effectief kan worden geïmplementeerd.
Deze overwegingen worden door verschillende groepen onderzocht, maar er is veel meer steun nodig om deze technologie snel te onderzoeken en op te schalen.
Om de technologische uitdagingen en onzekerheden op milieugebied het hoofd te bieden, moet de steun van de overheid, het bedrijfsleven, non-profitorganisaties en risicokapitaal massaal worden opgeschaald en gericht op het zorgvuldig en verantwoord valideren van de grootschalige implementatie van OAE-technologieën over de hele wereld.