Секвестрация углерода — это процесс хранения углерода в углеродном пуле . [2] : 2248 Он играет решающую роль в ограничении изменения климата за счет сокращения количества углекислого газа в атмосфере . Существует два основных типа секвестрации углерода: биологическая (также называемая биосеквестрацией ) и геологическая. [3]
Биологическое связывание углерода — это естественный процесс, являющийся частью углеродного цикла . Люди могут улучшить его с помощью преднамеренных действий и использования технологий. Углекислый газ ( CO
2) естественным образом улавливается из атмосферы посредством биологических, химических и физических процессов. Эти процессы могут быть ускорены, например, посредством изменений в землепользовании и сельскохозяйственных практиках, называемых углеродным фермерством . Искусственные процессы также были разработаны для получения подобных эффектов. Этот подход называется улавливанием и хранением углерода . Он включает использование технологий для улавливания и секвестрации (хранения) CO
2который образуется в результате деятельности человека под землей или под морским дном.
Растения, такие как леса и водоросли , поглощают углекислый газ из воздуха по мере роста и связывают его в биомассу. Однако эти биологические хранилища могут быть временными поглотителями углерода , поскольку долгосрочное удержание не может быть гарантировано. Лесные пожары , болезни, экономическое давление и изменение политических приоритетов могут высвобождать удержанный углерод обратно в атмосферу. [4]
Углекислый газ, который был удален из атмосферы, также может храниться в земной коре путем его закачивания под землю или в форме нерастворимых карбонатных солей. Последний процесс называется минеральным секвестрированием . Эти методы считаются нелетучими , поскольку они не только удаляют углекислый газ из атмосферы, но и изолируют его на неопределенный срок. Это означает, что углерод «заперт» на тысячи или миллионы лет.
Для улучшения процессов секвестрации углерода в океанах были предложены следующие химические или физические технологии: удобрение океана , искусственный подъем глубинных вод , хранение базальта, минерализация и глубоководные отложения, а также добавление оснований для нейтрализации кислот. [5] Однако ни одна из них не достигла широкомасштабного применения. С другой стороны, крупномасштабное выращивание морских водорослей является биологическим процессом и может поглощать значительные объемы углерода. [6] Потенциальный рост морских водорослей для углеродного фермерства приведет к тому, что собранные морские водоросли будут транспортироваться в глубокие слои океана для долгосрочного захоронения. [7] Специальный доклад МГЭИК об океане и криосфере в условиях изменяющегося климата рекомендует «дальнейшее исследовательское внимание» к выращиванию морских водорослей в качестве тактики смягчения последствий. [8]
Термин «связывание углерода» используется в литературе и СМИ по-разному. В Шестом оценочном докладе МГЭИК он определяется как «Процесс хранения углерода в углеродном пуле». [9] : 2248 Впоследствии пул определяется как «резервуар в системе Земли, где элементы, такие как углерод и азот, находятся в различных химических формах в течение определенного периода времени». [9] : 2244
Геологическая служба США (USGS) определяет секвестрацию углерода следующим образом: «Секвестрация углерода — это процесс улавливания и хранения атмосферного углекислого газа». [3] Поэтому разница между секвестрацией углерода и улавливанием и хранением углерода (CCS) иногда размывается в средствах массовой информации. [ требуется ссылка ] Однако МГЭИК определяет CCS как «процесс, в котором относительно чистый поток углекислого газа (CO2 ) из промышленных источников отделяется, обрабатывается и транспортируется в место долгосрочного хранения». [10] : 2221
Секвестрация углерода является частью естественного углеродного цикла , посредством которого углерод обменивается между биосферой , педосферой (почвой), геосферой , гидросферой и атмосферой Земли . [ необходима ссылка ] Углекислый газ естественным образом улавливается из атмосферы посредством биологических, химических или физических процессов и хранится в долгосрочных резервуарах.
Растения, такие как леса и водоросли , поглощают углекислый газ из воздуха по мере роста и связывают его в биомассу . Однако эти биологические хранилища считаются нестабильными поглотителями углерода, поскольку долгосрочное удержание не может быть гарантировано. Такие события, как лесные пожары или болезни, экономическое давление и изменение политических приоритетов, могут привести к тому, что удержанный углерод будет выброшен обратно в атмосферу. [11]
Секвестрация углерода - когда действует как поглотитель углерода - [ необходимо разъяснение ] помогает смягчить изменение климата и, таким образом, уменьшить вредные последствия изменения климата . Это помогает замедлить атмосферное и морское накопление парниковых газов , которые в основном представляют собой углекислый газ, выделяемый при сжигании ископаемого топлива . [12]
Секвестрация углерода, применяемая для смягчения последствий изменения климата, может либо основываться на улучшении естественной секвестрации углерода, либо использовать технологию для процессов секвестрации углерода. [ необходимо редактирование копии ]
В рамках подходов улавливания и хранения углерода, секвестрация углерода относится к компоненту хранения . Могут применяться технологии искусственного хранения углерода, такие как газообразные хранилища в глубоких геологических формациях (включая соляные формации и истощенные газовые месторождения), а также твердое хранилище путем реакции CO 2 с оксидами металлов для получения стабильных карбонатов . [13]
Для того, чтобы углерод был изолирован искусственно (т. е. не используя естественные процессы углеродного цикла), его сначала нужно захватить, или его нужно значительно задержать или предотвратить от повторного выброса в атмосферу (путем сгорания, распада и т. д.) из существующего богатого углеродом материала, включив его в долгосрочное использование (например, в строительство). [ требуется редактирование копии ] После этого его можно пассивно хранить или продуктивно использовать с течением времени различными способами. Например, после заготовки древесины (как богатого углеродом материала) можно включить в строительство или ряд других долговечных продуктов, таким образом, изолируя ее углерод на годы или даже столетия. [14] В промышленном производстве инженеры обычно улавливают углекислый газ из выбросов электростанций или заводов.
Например , в Соединенных Штатах указ 13990 (официально озаглавленный «Защита общественного здоровья и окружающей среды и восстановление науки для борьбы с климатическим кризисом») от 2021 года включает несколько упоминаний о связывании углерода путем сохранения и восстановления экосистем поглотителей углерода, таких как водно-болотные угодья и леса. В документе подчеркивается важность фермеров, землевладельцев и прибрежных сообществ в связывании углерода. Он предписывает Министерству финансов содействовать сохранению поглотителей углерода с помощью рыночных механизмов. [15]
Биологическое улавливание углерода (также называемое биоулавливанием ) представляет собой улавливание и хранение атмосферного парникового газа углекислого газа посредством постоянных [ противоречивых ] или усиленных биологических процессов. Эта форма улавливания углерода происходит за счет увеличения скорости фотосинтеза посредством практики землепользования , такой как лесовосстановление и устойчивое лесоуправление . [16] [17] Изменения в землепользовании , которые усиливают естественное улавливание углерода, имеют потенциал для улавливания и хранения больших объемов углекислого газа каждый год. К ним относятся сохранение, управление и восстановление экосистем , таких как леса, торфяники , водно-болотные угодья и луга , в дополнение к методам улавливания углерода в сельском хозяйстве. [18] Существуют методы и практики для улучшения улавливания углерода в почве как в сельском хозяйстве , так и в лесном хозяйстве . [19]
Леса являются важной частью глобального углеродного цикла , поскольку деревья и растения поглощают углекислый газ посредством фотосинтеза . Поэтому они играют важную роль в смягчении последствий изменения климата . [21] : 37 Удаляя парниковый газ углекислый газ из воздуха, леса функционируют как наземные поглотители углерода , то есть они хранят большие объемы углерода в форме биомассы, охватывающей корни, стебли, ветви и листья. На протяжении всей своей жизни деревья продолжают поглощать углерод, сохраняя атмосферный CO2 в долгосрочной перспективе. [22] Поэтому устойчивое лесоуправление , лесонасаждение , лесовосстановление вносят важный вклад в смягчение последствий изменения климата.
Важным соображением в таких усилиях является то, что леса могут превратиться из поглотителей в источники углерода. [23] [24] [25] В 2019 году леса поглотили на треть меньше углерода, чем в 1990-х годах, из-за более высоких температур, засух и вырубки лесов . Типичный тропический лес может стать источником углерода к 2060-м годам. [26]
Исследователи обнаружили, что с точки зрения экологических услуг лучше избегать вырубки лесов, чем допускать вырубку лесов для последующего лесовозобновления, поскольку первое приводит к необратимым последствиям с точки зрения потери биоразнообразия и деградации почвы . [27] Кроме того, вероятность того, что унаследованный углерод будет высвобождаться из почвы, выше в молодых бореальных лесах. [28] Глобальные выбросы парниковых газов, вызванные повреждением тропических лесов, могли быть существенно недооценены примерно до 2019 года. [29] Кроме того, последствия лесонасаждения и лесовозобновления проявятся в более отдаленном будущем, чем сохранение существующих лесов нетронутыми. [30] Потребуется гораздо больше времени — несколько десятилетий — для того, чтобы преимущества для глобального потепления проявились в той же степени, что и преимущества секвестрации углерода от зрелых деревьев в тропических лесах и, следовательно, от ограничения вырубки лесов. [31] Поэтому ученые считают «защиту и восстановление богатых углеродом и долгоживущих экосистем, особенно естественных лесов», «основным решением проблемы климата ». [32]
Посадка деревьев на маргинальных посевных и пастбищных землях способствует поглощению углерода из атмосферного CO
2в биомассу . [33] [34] Для того, чтобы этот процесс секвестрации углерода был успешным, углерод не должен возвращаться в атмосферу из сжигания биомассы или гниения, когда деревья умирают. [35] С этой целью земля, отведенная под деревья, не должна быть преобразована в другие виды использования. В качестве альтернативы, сама древесина из них должна быть секвестрирована, например, через биоуголь , биоэнергию с улавливанием и хранением углерода , свалку или храниться путем использования в строительстве.
На Земле достаточно места для посадки дополнительных 0,9 млрд га древесного покрова. [36] Посадка и защита этих деревьев позволит изолировать 205 млрд тонн углерода. [36] Чтобы представить это число в перспективе, это примерно 20 лет текущих глобальных выбросов углерода (по состоянию на 2019 год). [37] Этот уровень поглощения составит около 25% от углеродного пула атмосферы в 2019 году. [36]
Ожидаемая продолжительность жизни лесов различается по всему миру, в зависимости от вида деревьев, условий участка и характера естественных нарушений. В некоторых лесах углерод может храниться столетиями, в то время как в других лесах углерод высвобождается при частых пожарах, заменяющих насаждения. Леса, которые вырубаются до событий, заменяющих насаждения, позволяют удерживать углерод в изготовленных лесных продуктах, таких как пиломатериалы . [38] Однако только часть углерода, удаляемого из вырубленных лесов, в конечном итоге превращается в долговечные товары и здания. Остальная часть оказывается побочными продуктами лесопиления, такими как целлюлоза, бумага и поддоны. [39] Если бы все новое строительство во всем мире использовало 90% древесных продуктов, в основном за счет принятия массовой древесины в малоэтажном строительстве, это могло бы поглощать 700 миллионов чистых тонн углерода в год. [40] [41] Это в дополнение к устранению выбросов углерода из перемещенных строительных материалов, таких как сталь или бетон, которые являются углеродоемкими для производства.
Метаанализ показал, что смешанные посадки увеличивают накопление углерода, а также обеспечивают другие преимущества диверсификации лесонасаждений. [9]
Хотя бамбуковый лес хранит меньше общего углерода, чем зрелый лес деревьев, бамбуковая плантация поглощает углерод гораздо быстрее, чем зрелый лес или древесная плантация. Поэтому выращивание бамбуковой древесины может иметь значительный потенциал поглощения углерода. [42]
Продовольственная и сельскохозяйственная организация ( ФАО ) сообщила, что: «Общий запас углерода в лесах сократился с 668 гигатонн в 1990 году до 662 гигатонн в 2020 году». [20] : 11 В бореальных лесах Канады до 80% общего количества углерода хранится в почве в виде мертвого органического вещества. [43] [ глобализация ]
В Шестом оценочном докладе МГЭИК говорится : «Вторичное возобновление лесов и восстановление деградировавших лесов и нелесных экосистем может играть большую роль в связывании углерода (высокая степень достоверности) с высокой устойчивостью к нарушениям и дополнительными выгодами, такими как улучшение биоразнообразия». [44] [45]
Воздействие на температуру зависит от местоположения леса. Например, лесовозобновление в бореальных или субарктических регионах оказывает меньшее влияние на климат. Это происходит потому, что оно заменяет регион с высоким альбедо , преобладающий снег, лесным пологом с низким альбедо. Напротив, проекты по лесовозобновлению в тропиках приводят к положительным изменениям, таким как образование облаков . Эти облака затем отражают солнечный свет , понижая температуру. [46] : 1457
Посадка деревьев в тропическом климате с влажными сезонами имеет еще одно преимущество. В таких условиях деревья растут быстрее (фиксируя больше углерода), потому что они могут расти круглый год. Деревья в тропическом климате имеют, в среднем, более крупные, яркие и обильные листья, чем в нетропическом климате. Исследование обхвата 70 000 деревьев по всей Африке показало, что тропические леса фиксируют больше загрязнения углекислым газом, чем считалось ранее. Исследование показало, что почти пятая часть выбросов ископаемого топлива поглощается лесами по всей Африке, Амазонии и Азии . Саймон Льюис заявил: «Деревья тропических лесов поглощают около 18% углекислого газа, добавляемого в атмосферу каждый год в результате сжигания ископаемого топлива, существенно сдерживая скорость изменений». [47] [ устаревший источник ]
Восстановление водно-болотных угодий включает восстановление естественных биологических, геологических и химических функций водно-болотных угодий путем повторного создания или реабилитации. [49] Это хороший способ уменьшить изменение климата. [50] Почва водно-болотных угодий, особенно в прибрежных водно-болотных угодьях, таких как мангровые заросли , морские травы и солончаки , [50] является важным резервуаром углерода; 20–30% мирового почвенного углерода находится в водно-болотных угодьях, в то время как только 5–8% суши мира состоит из водно-болотных угодий. [51] Исследования показали, что восстановленные водно-болотные угодья могут стать продуктивными поглотителями CO2 [52] [53] [54] и многие из них восстанавливаются. [55] [56] Помимо климатических преимуществ, восстановление и сохранение водно-болотных угодий может помочь сохранить биоразнообразие, улучшить качество воды и помочь в борьбе с наводнениями . [57]
Растения, составляющие водно-болотные угодья, поглощают углекислый газ (CO 2 ) из атмосферы и преобразуют его в органическое вещество. Заболоченная природа почвы замедляет разложение органического материала, что приводит к накоплению богатого углеродом торфа, [ необходимо уточнение ] действующего как долгосрочный поглотитель углерода . [58] Кроме того, анаэробные условия в заболоченных почвах препятствуют полному разложению органического вещества, способствуя преобразованию углерода в более стабильные формы. [58] [ необходимо редактирование копии ]
Как и в случае с лесами, для успешного процесса секвестрации водно-болотные угодья должны оставаться нетронутыми. Если их потревожить, углерод, хранящийся в растениях и отложениях, будет выброшен обратно в атмосферу, и экосистема больше не будет функционировать как поглотитель углерода. [59] Кроме того, некоторые водно-болотные угодья могут выделять парниковые газы, отличные от CO2 , такие как метан [60] и закись азота [61], которые могут свести на нет потенциальные климатические выгоды. Количество углерода, секвестрируемого водно-болотными угодьями через синий углерод, также может быть трудно измерить. [57]
Водно-болотные угодья являются важным поглотителем углерода ; 14,5% мирового почвенного углерода находится в водно-болотных угодьях, в то время как только 5,5% суши в мире состоит из водно-болотных угодий. [62] Водно-болотные угодья не только являются крупным поглотителем углерода, они имеют много других преимуществ, таких как сбор паводковых вод, фильтрация загрязняющих веществ из воздуха и воды, а также создание дома для многочисленных птиц, рыб, насекомых и растений. [63]
Изменение климата может изменить хранение углерода в почве водно-болотных угодий, превратив ее из поглотителя в источник. [64] [ устаревший источник ] С повышением температуры увеличивается количество парниковых газов из водно-болотных угодий, особенно в местах с вечной мерзлотой . Когда эта вечная мерзлота тает, в почве увеличивается доступный кислород и вода. [64] Из-за этого бактерии в почве будут создавать большие объемы углекислого газа и метана, которые будут выбрасываться в атмосферу. [64] [ устаревший источник ]
Связь между изменением климата и водно-болотными угодьями до сих пор полностью не изучена. [64] [ устаревший источник ] Также не ясно, как восстановленные водно-болотные угодья управляют углеродом, оставаясь при этом источником метана. Однако сохранение этих территорий поможет предотвратить дальнейший выброс углерода в атмосферу. [65]
Несмотря на то, что торфяники занимают всего 3% от общей площади суши, они содержат около 30% углерода в нашей экосистеме — в два раза больше, чем содержится в лесах мира. [65] [66] Большинство торфяников расположены в высокоширотных районах северного полушария, причем большая часть их роста приходится на период после последнего ледникового периода , [67] но они также встречаются в тропических регионах, таких как бассейны Амазонки и Конго. [68]
Торфяники неуклонно растут на протяжении тысяч лет, накапливая мертвый растительный материал – и содержащийся в нем углерод – из-за заболоченных условий, которые значительно замедляют скорость распада. [67] Если торфяники осушить для сельскохозяйственных угодий или развития, растительный материал, хранящийся в них, быстро разлагается, высвобождая накопленный углерод. Эти деградировавшие торфяники составляют 5-10% мировых выбросов углерода в результате деятельности человека. [67] [69] Потеря одного торфяника может потенциально произвести больше углерода, чем 175–500 лет выбросов метана . [64]
Поэтому защита и восстановление торфяников являются важными мерами по сокращению выбросов углерода, а также обеспечивают преимущества для биоразнообразия, [69] обеспечения пресной водой и снижения риска наводнений. [70]
По сравнению с естественной растительностью, почвы пахотных земель обеднены органическим углеродом почвы (SOC). Когда почва преобразуется из естественной земли или полуестественной земли, такой как леса, редколесья, луга, степи и саванны, содержание SOC в почве уменьшается примерно на 30–40%. [71] Эта потеря происходит из-за сбора урожая , так как растения содержат углерод. При изменении землепользования углерод в почве либо увеличится, либо уменьшится, и это изменение будет продолжаться до тех пор, пока почва не достигнет нового равновесия. Отклонения от этого равновесия также могут быть вызваны изменчивым [ необходимо разъяснение ] климатом. [72]
Уменьшение содержания SOC можно компенсировать увеличением поступления углерода. Это можно сделать несколькими стратегиями, например, оставлять остатки урожая на поле, использовать навоз в качестве удобрения или включать многолетние культуры в севооборот. Многолетние культуры имеют большую долю подземной биомассы, что увеличивает содержание SOC. [71]
Многолетние культуры снижают потребность в обработке почвы и, таким образом, помогают смягчить эрозию почвы, а также могут способствовать увеличению содержания органического вещества в почве. По оценкам, в глобальном масштабе почвы содержат >8580 гигатонн органического углерода, что примерно в десять раз больше, чем в атмосфере, и намного больше, чем в растительности. [73]
Исследователи обнаружили, что повышение температуры может привести к росту популяции почвенных микробов, преобразуя накопленный углерод в углекислый газ. В лабораторных экспериментах по нагреванию почвы, почвы, богатые грибами, выделяли меньше углекислого газа, чем другие почвы. [74]
После поглощения углекислого газа (CO2 ) из атмосферы растения откладывают органические вещества в почву. [22] Эти органические вещества, полученные из разлагающегося растительного материала и корневых систем, богаты углеродными соединениями. Микроорганизмы в почве разрушают эти органические вещества, и в этом процессе часть углерода дополнительно стабилизируется в почве в виде гумуса - процесс, известный как гумификация . [75]
По оценкам, в глобальном масштабе почва содержит около 2500 гигатонн углерода. [ противоречиво ] Это более чем в 3 раза превышает количество углерода, обнаруженного в атмосфере, и в 4 раза превышает количество углерода, обнаруженное в живых растениях и животных. [76] Около 70% мирового органического углерода почвы в районах, не подверженных вечной мерзлоте, находится в более глубоких слоях почвы в пределах верхнего метра и стабилизируется минерально-органическими ассоциациями. [77]
Углеродное земледелие — это набор сельскохозяйственных методов, направленных на хранение углерода в почве , корнях сельскохозяйственных культур, древесине и листьях. Технический термин для этого — секвестрация углерода . Общая цель углеродного земледелия — создать чистую потерю углерода из атмосферы. [78] Это делается путем увеличения скорости, с которой углерод секвестрируется в почве и растительном материале. Одним из вариантов является увеличение содержания органического вещества в почве . Это также может способствовать росту растений, улучшить способность почвы удерживать воду [79] и сократить использование удобрений . [80] Устойчивое управление лесами — еще один инструмент, который используется в углеродном земледелии. [81] Углеродное земледелие является одним из компонентов климатически оптимизированного сельского хозяйства . Это также один из способов удаления углекислого газа из атмосферы .
Сельскохозяйственные методы для углеродного земледелия включают корректировку обработки почвы и выпаса скота , использование органической мульчи или компоста , работу с биоуглем и terra preta , а также изменение типов культур. Методы, используемые в лесном хозяйстве, включают лесовосстановление и выращивание бамбука .
Методы углеродного земледелия могут иметь дополнительные затраты. В некоторых странах действуют государственные политики, которые предоставляют фермерам финансовые стимулы для использования методов углеродного земледелия. [82] По состоянию на 2016 год варианты углеродного земледелия достигли сотен миллионов гектаров во всем мире, из почти 5 миллиардов гектаров (1,2 × 10 10 акров) мировых сельскохозяйственных угодий. [83] Углеродное земледелие имеет некоторые недостатки, поскольку некоторые из его методов могут влиять на экосистемные услуги . Например, углеродное земледелие может привести к увеличению расчистки земель, монокультур и потере биоразнообразия . [84] Важно максимизировать экологические преимущества углеродного земледелия, одновременно учитывая экосистемные услуги. [84]Восстановление прерий — это природоохранная деятельность по восстановлению прерийных земель, которые были уничтожены в результате промышленного, сельскохозяйственного , коммерческого или жилого развития. [85] Основная цель — вернуть территории и экосистемы в их прежнее состояние до их истощения. [86] Масса SOC, которую можно сохранить на этих восстановленных участках, как правило, больше, чем у предыдущего урожая, что делает ее более эффективным поглотителем углерода. [87] [88]
Биоуголь — это древесный уголь , полученный путем пиролиза отходов биомассы . Полученный материал добавляется на свалку или используется в качестве улучшителя почвы для создания terra preta . [89] [90] Добавление биоугля может увеличить запасы углерода в почве в долгосрочной перспективе и таким образом смягчить глобальное потепление, компенсируя атмосферный углерод (до 9,5 гигатонн углерода в год). [91] В почве углерод биоугля недоступен для окисления до CO
2и последующий выброс в атмосферу. Однако были высказаны опасения, что биоуголь может ускорить выброс углерода, уже присутствующего в почве. [92] [ требуется обновление ]
Terra preta , антропогенная почва с высоким содержанием углерода, также изучается как механизм секвестрации. При пиролизу биомассы около половины ее углерода может быть преобразовано в древесный уголь , который может сохраняться в почве в течение столетий и является полезным удобрением для почвы, особенно в тропических почвах ( биоуголь или агриуголь ). [93] [94]
Захоронение биомассы (например, деревьев) напрямую имитирует естественные процессы, которые создали ископаемое топливо . [95] Глобальный потенциал секвестрации углерода с использованием захоронения древесины оценивается в 10 ± 5 ГтС/год, а самые высокие показатели наблюдаются в тропических лесах (4,2 ГтС/год), за которыми следуют леса умеренного пояса (3,7 ГтС/год) и бореальные леса (2,1 ГтС/год). [14] В 2008 году Нин Цзэн из Мэрилендского университета оценил 65 ГтС [ требуется обновление ] лежащих на земле лесов мира в виде грубого древесного материала, который можно было бы захоронить, а затраты на секвестрацию углерода при захоронении древесины составляют 50 долл. США/тС, что намного ниже, чем улавливание углерода, например, из выбросов электростанций. [14] Фиксация CO2 в древесной биомассе является естественным процессом, осуществляемым посредством фотосинтеза . Это решение основано на природе, и испытываемые методы включают использование «деревянных хранилищ» для хранения углерода, содержащегося в древесине, в условиях отсутствия кислорода. [96]
В 2022 году организация по сертификации опубликовала методологии захоронения биомассы. [97] Другие предложения по хранению биомассы включают захоронение биомассы глубоко под водой, в том числе на дне Черного моря . [98]
Геологическое захоронение относится к хранению CO2 под землей в истощенных нефтяных и газовых резервуарах, соляных формациях или глубоких угольных пластах, непригодных для добычи. [99]
После того, как CO 2 улавливается из точечного источника, такого как цементный завод, [100] его можно сжать до ≈100 бар в сверхкритическую жидкость . В этой форме CO 2 можно транспортировать по трубопроводу к месту хранения. Затем CO 2 можно закачивать глубоко под землю, обычно около 1 км (0,6 мили), где он будет стабилен в течение сотен или миллионов лет. [101] При таких условиях хранения плотность сверхкритического CO 2 составляет от 600 до 800 кг/м 3 . [102]
Важными параметрами при определении хорошего места для хранения углерода являются: пористость породы, проницаемость породы, отсутствие разломов и геометрия слоев породы. Среда, в которой должен храниться CO 2 , в идеале имеет высокую пористость и проницаемость, например, песчаник или известняк. Песчаник может иметь проницаемость от 1 до 10 −5 Дарси , с пористостью до ≈30%. Пористая порода должна быть перекрыта слоем с низкой проницаемостью, который действует как герметик или покрышка для CO 2 . Сланец является примером очень хорошей покрышки с проницаемостью от 10 −5 до 10 −9 Дарси. После закачки струя CO 2 будет подниматься под действием выталкивающих сил, поскольку она менее плотная, чем ее окружение. Как только она столкнется с покрышкой, она будет распространяться вбок, пока не встретит щель. Если вблизи зоны инъекции есть плоскости разлома, существует вероятность, что CO 2 может мигрировать вдоль разлома на поверхность, просачиваясь в атмосферу, что может быть потенциально опасно для жизни в окружающей местности. Другим риском, связанным с секвестрацией углерода, является индуцированная сейсмичность. Если инъекция CO 2 создает под землей слишком высокое давление, формация расколется, что может привести к землетрясению. [103]
Структурное улавливание считается основным механизмом хранения, непроницаемые или малопроницаемые породы, такие как аргиллит , ангидрит , галит или плотные карбонаты [ необходимо разъяснение ] действуют как барьер для восходящей плавучей миграции CO2, что приводит к удержанию CO2 в пределах формации хранения. [104] Находясь в ловушке в формации горных пород, CO2 может находиться в сверхкритической жидкой фазе или растворяться в грунтовых водах/рассоле. Он также может реагировать с минералами в геологической формации, превращаясь в карбонаты.
Целью минеральной секвестрации является улавливание углерода в форме твердых карбонатных солей. Этот процесс происходит медленно в природе и отвечает за отложение и накопление известняка в течение геологического времени. Углекислота в грунтовых водах медленно реагирует со сложными силикатами , растворяя кальций , магний , щелочи и кремний и оставляя остаток глинистых минералов . Растворенный кальций и магний реагируют с бикарбонатом, осаждая карбонаты кальция и магния, процесс, который организмы используют для создания раковин. Когда организмы умирают, их раковины откладываются в виде осадка и в конечном итоге превращаются в известняк. Известняки накапливались в течение миллиардов лет геологического времени и содержат большую часть углерода Земли. Текущие исследования направлены на ускорение подобных реакций с участием щелочных карбонатов. [105]
Цеолитные имидазолятные каркасы (ZIF) представляют собой металлоорганические каркасы, подобные цеолитам . Из-за их пористости, химической стабильности и термической стойкости ZIF исследуются на предмет их способности захватывать диоксид углерода. [106] [ требуется обновление ]
CO 2 экзотермически реагирует с оксидами металлов, образуя стабильные карбонаты (например, кальцит , магнезит ). Этот процесс (CO 2 - в камень) происходит естественным образом в течение нескольких лет и отвечает за большую часть поверхностного известняка . Оливин является одним из таких оксидов металла. [107] [ самостоятельно опубликованный источник? ] Породы, богатые оксидами металлов, которые реагируют с CO 2 , такими как MgO и CaO, которые содержатся в базальтах , были доказаны как жизнеспособные средства для достижения минерального хранения углекислого газа. [108] [109] Скорость реакции в принципе может быть ускорена с помощью катализатора [110] или путем повышения давления, или путем предварительной обработки минералов, хотя этот метод может потребовать дополнительной энергии.
Ультраосновные хвосты шахт являются легкодоступным источником мелкозернистых оксидов металлов, которые могли бы служить этой цели. [111] Ускорение пассивного связывания CO2 посредством карбонизации минералов может быть достигнуто с помощью микробных процессов, которые усиливают растворение минералов и осаждение карбонатов. [112] [113] [114]
Углерод в форме CO
2может быть удален из атмосферы химическими процессами и сохранен в стабильных карбонатных минеральных формах. Этот процесс ( CO
2-to-stone) известно как «связывание углерода путем минеральной карбонизации » или связывание минералов. Процесс включает реакцию углекислого газа с широко распространенными оксидами металлов – либо оксидом магния (MgO), либо оксидом кальция (CaO) – с образованием стабильных карбонатов. Эти реакции являются экзотермическими и происходят естественным образом (например, выветривание горных пород в течение геологических периодов времени). [115] [116]
Кальций и магний встречаются в природе обычно в виде силикатов кальция и магния (таких как форстерит и серпентинит ), а не в виде бинарных оксидов. Для форстерита и серпентина реакции следующие:
Эти реакции немного более благоприятны при низких температурах. [115] Этот процесс происходит естественным образом в течение геологических временных рамок и отвечает за большую часть известняка на поверхности Земли . Однако скорость реакции может быть увеличена за счет реакции при более высоких температурах и/или давлениях, хотя этот метод требует некоторой дополнительной энергии. В качестве альтернативы минерал можно измельчить, чтобы увеличить площадь его поверхности, и подвергнуть воздействию воды и постоянного истирания, чтобы удалить инертный кремнезем, как это может быть достигнуто естественным путем, сбросив оливин в высокоэнергетический прибой пляжей. [117]
Когда СО
2растворяется в воде и впрыскивается в горячие базальтовые породы под землей, было показано, что CO
2реагирует с базальтом, образуя твердые карбонатные минералы. [118] Тестовый завод в Исландии был запущен в октябре 2017 года, извлекая до 50 тонн CO 2 в год из атмосферы и храня его под землей в базальтовой породе. [119] [ требуется обновление ]
Океан естественным образом поглощает углерод посредством различных процессов. [120] Насос растворимости перемещает углекислый газ из атмосферы в поверхностный океан, где он реагирует с молекулами воды, образуя угольную кислоту. Растворимость углекислого газа увеличивается с понижением температуры воды. Термохалинная циркуляция перемещает растворенный углекислый газ в более холодные воды, где он более растворим, увеличивая концентрацию углерода в недрах океана. Биологический насос перемещает растворенный углекислый газ с поверхности океана в недра океана посредством преобразования неорганического углерода в органический углерод посредством фотосинтеза. Органическое вещество, которое переживает дыхание и реминерализацию, может транспортироваться посредством тонущих частиц и миграции организмов в глубины океана. [ необходима ссылка ]
Низкие температуры, высокое давление и пониженный уровень кислорода в глубоком море замедляют процессы разложения , предотвращая быстрый выброс углерода обратно в атмосферу и выступая в качестве долгосрочного резервуара для хранения. [121]
Водоросли растут в мелководных и прибрежных районах и захватывают значительное количество углерода, который может быть перенесен в глубины океана океаническими механизмами; водоросли, достигающие глубин океана, связывают углерод и предотвращают его обмен с атмосферой на протяжении тысячелетий. [123] Было предложено выращивать водоросли в открытом море с целью погружения водорослей в глубины моря для связывания углерода. [124] Кроме того, водоросли растут очень быстро и теоретически могут быть собраны и переработаны для получения биометана , путем анаэробного сбраживания для выработки электроэнергии, посредством когенерации/ТЭЦ или в качестве замены природного газа . Одно исследование показало, что если бы фермы по выращиванию морских водорослей покрывали 9% океана, они могли бы производить достаточно биометана для удовлетворения эквивалентного спроса Земли на энергию ископаемого топлива, удалять 53 гигатонны CO2 в год из атмосферы и устойчиво производить 200 кг рыбы в год на человека для 10 миллиардов человек. [125] [ устаревший источник ] Идеальные виды для такого выращивания и переработки включают Laminaria digitata , Fucus serratus и Saccharina latissima . [126]
Как макроводоросли , так и микроводоросли изучаются в качестве возможных средств связывания углерода. [127] [128] Морской фитопланктон обеспечивает половину глобальной фотосинтетической фиксации CO2 ( чистая мировая первичная продукция ~50 Пг C в год) и половину продукции кислорода, несмотря на то, что он составляет всего ~1% от мировой биомассы растений. [129]
Поскольку водоросли не содержат сложного лигнина, который присутствует в наземных растениях , углерод, содержащийся в водорослях, высвобождается в атмосферу быстрее, чем углерод, улавливаемый на суше. [127] [130] Водоросли были предложены в качестве краткосрочного хранилища углерода, который может использоваться в качестве сырья для производства различных видов биогенного топлива. [131]
Крупномасштабное выращивание морских водорослей может поглощать значительные объемы углерода. [6] Дикие морские водоросли будут поглощать большое количество углерода посредством растворенных частиц органического вещества, переносимых на глубоководное морское дно, где они будут захоронены и оставаться там в течение длительных периодов времени. [7] Что касается углеродного земледелия, потенциальный рост морских водорослей для углеродного земледелия приведет к тому, что собранные морские водоросли будут транспортироваться в глубокие слои океана для долгосрочного захоронения. [7] Выращивание морских водорослей происходит в основном в прибрежных районах Азиатско-Тихоокеанского региона, где это быстро растущий рынок. [7] Специальный доклад МГЭИК об океане и криосфере в условиях изменяющегося климата рекомендует «дальнейшее исследовательское внимание» к выращиванию морских водорослей в качестве тактики смягчения последствий. [8]
Удобрение океана или питание океана — это тип технологии удаления углекислого газа из океана, основанный на целенаправленном введении питательных веществ для растений в верхние слои океана для увеличения производства морской пищи и удаления углекислого газа из атмосферы. [132] [133] Удобрение океана питательными веществами, например, удобрение железом , может стимулировать фотосинтез в фитопланктоне . Фитопланктон будет преобразовывать растворенный в океане углекислый газ в углеводы , часть которых будет погружаться в более глубокие слои океана перед окислением. Более дюжины экспериментов в открытом море подтвердили, что добавление железа в океан увеличивает фотосинтез в фитопланктоне до 30 раз. [134]
Это один из наиболее хорошо изученных подходов к удалению углекислого газа (CDR), поддерживаемый сторонниками восстановления климата . Однако существует неопределенность относительно этого подхода относительно продолжительности эффективного поглощения углерода океаном. В то время как кислотность поверхностного океана может снизиться в результате удобрения питательными веществами, когда тонущий органический материал реминерализуется, кислотность глубокого океана может увеличиться. Отчет о CDR за 2021 год показывает, что существует средняя-высокая уверенность в том, что этот метод может быть эффективным и масштабируемым при низких затратах со средними экологическими рисками. [135] Риски удобрения питательными веществами можно контролировать. Питер Фиковси и Кэрол Дуглис пишут: «Я считаю, что удобрение железом является важным пунктом в нашем списке потенциальных решений по восстановлению климата. Учитывая тот факт, что удобрение железом является естественным процессом, который происходил в огромных масштабах в течение миллионов лет, вполне вероятно, что большинство побочных эффектов являются знакомыми и не представляют серьезной угрозы» [136]
Было предложено несколько методов, включая удобрение микроэлементом железа (так называемое удобрение железом) или азотом и фосфором (оба макроэлемента). Некоторые исследования в начале 2020-х годов показали, что оно может постоянно связывать только небольшое количество углерода. [137] Более поздние исследовательские публикации подтверждают, что удобрение железом является многообещающим. Специальный отчет NOAA оценил удобрение железом как имеющее «умеренный потенциал с точки зрения стоимости, масштабируемости и того, как долго может храниться углерод по сравнению с другими идеями морской секвестрации» [138].Искусственный подъем глубинных вод или их опускание — это подход, который изменит смешивание слоев океана. Поощрение смешивания различных слоев океана может перемещать питательные вещества и растворенные газы. [139] Смешивание может быть достигнуто путем размещения больших вертикальных труб в океанах для перекачивания богатой питательными веществами воды на поверхность, вызывая цветение водорослей , которые накапливают углерод, когда растут, и экспортируют [ необходимо разъяснение ] углерод, когда умирают. [139] [140] [141] Это дает результаты, несколько похожие на удобрение железом. Одним из побочных эффектов является кратковременное повышение CO
2, что ограничивает его привлекательность. [142]
Смешивание слоев подразумевает транспортировку более плотной и холодной глубинной океанской воды в поверхностный смешанный слой . Поскольку температура океана понижается с глубиной, больше углекислого газа и других соединений могут растворяться в более глубоких слоях. [143] Это может быть вызвано обращением океанического углеродного цикла с помощью больших вертикальных труб, служащих океанскими насосами, [144] или массива смесителей. [145] Когда богатая питательными веществами глубинная океанская вода перемещается на поверхность, происходит цветение водорослей , что приводит к уменьшению углекислого газа из-за потребления углерода из фитопланктона и других фотосинтезирующих эукариотических организмов . Передача тепла между слоями также приведет к тому, что морская вода из смешанного слоя будет тонуть и поглощать больше углекислого газа. Этот метод не получил большого распространения, поскольку цветение водорослей наносит вред морским экосистемам , блокируя солнечный свет и выделяя вредные токсины в океан. [146] Внезапное увеличение углекислого газа на уровне поверхности также временно снизит pH морской воды, что ухудшит рост коралловых рифов . Производство угольной кислоты посредством растворения углекислого газа в морской воде препятствует морской биогенной кальцификации и вызывает серьезные нарушения в океанической пищевой цепи . [147]
Секвестрация углекислого газа в базальте включает в себя инъекцию CO
2в глубоководные формации. CO
2Сначала смешивается с морской водой, а затем реагирует с базальтом, оба из которых являются щелочными элементами. Эта реакция приводит к высвобождению ионов Ca 2+ и Mg 2+, образуя стабильные карбонатные минералы. [148]
Подводный базальт предлагает хорошую альтернативу другим формам океанического хранения углерода, поскольку он имеет ряд мер улавливания, которые обеспечивают дополнительную защиту от утечки. Эти меры включают «геохимическое, осадочное, гравитационное и гидратное образование». Поскольку CO
2гидрат плотнее, чем CO
2В морской воде риск утечки минимален. Впрыскивание CO
2на глубине более 2700 метров (8900 футов) гарантирует, что CO
2имеет большую плотность, чем морская вода, что заставляет ее тонуть. [149]
Одним из возможных мест инъекции является плита Хуан-де-Фука . Исследователи из обсерватории Земли Ламонта-Доэрти обнаружили, что эта плита на западном побережье США имеет возможную емкость хранения 208 гигатонн. Это может покрыть все текущие выбросы углерода в США на более чем 100 лет (по состоянию на 2009 год). [149]
Этот процесс проходит испытания в рамках проекта CarbFix , в результате которых 95% из введенных 250 тонн CO2 затвердевают в кальцит в течение двух лет, используя 25 тонн воды на тонну CO2 . [ 150] [151] [ требуется обновление ]
Подобно процессам минерализации , происходящим в горных породах, минерализация может происходить и под морем. Скорость растворения углекислого газа из атмосферы в океанические регионы [ необходимо разъяснение ] определяется периодом циркуляции океана и буферной способностью субдуцирующих поверхностных вод. [152] Исследователи продемонстрировали, что морское хранение углекислого газа на глубине в несколько километров может быть жизнеспособным в течение 500 лет, но зависит от места инъекции и условий. Несколько исследований показали, что, хотя оно может эффективно фиксировать углекислый газ, со временем углекислый газ может быть выпущен обратно в атмосферу. Однако это маловероятно по крайней мере в течение еще нескольких столетий. Нейтрализация CaCO 3 или уравновешивание концентрации CaCO 3 на морском дне, суше и в океане может быть измерена в масштабе времени в тысячи лет. Более конкретно, прогнозируемое время составляет 1700 лет для океана и приблизительно 5000-6000 лет для суши. [153] [154] Кроме того, время растворения CaCO 3 можно улучшить, впрыскивая его вблизи или ниже по течению от места хранения. [155]
Помимо минерализации углерода , еще одним предложением является глубоководная инъекция осадков . Она впрыскивает жидкий диоксид углерода по крайней мере на 3000 м (9800 футов) ниже поверхности непосредственно в океанические отложения для образования гидрата диоксида углерода. Для разведки определены две области: 1) зона отрицательной плавучести (NBZ), которая является областью между жидким диоксидом углерода, более плотным, чем окружающая вода, и где жидкий диоксид углерода имеет нейтральную плавучесть, и 2) зона образования гидратов (HFZ), которая обычно имеет низкие температуры и высокие давления. Несколько исследовательских моделей показали, что оптимальная глубина инъекции требует учета собственной проницаемости и любых изменений проницаемости жидкого диоксида углерода для оптимального хранения. Образование гидратов снижает проницаемость жидкого диоксида углерода, и инъекция ниже HFZ более энергетически выгодна, чем внутри HFZ. Если NBZ представляет собой больший столб воды, чем HFZ, инъекция должна происходить ниже HFZ и непосредственно в NBZ. [156] В этом случае жидкий диоксид углерода опустится в NBZ и будет храниться ниже плавучести и гидратной шапки. Утечка диоксида углерода может произойти, если происходит растворение в поровой жидкости [ необходимо разъяснение ] или через молекулярную диффузию . Однако это происходит в течение тысяч лет. [155] [157] [158]
Углекислый газ образует угольную кислоту при растворении в воде, поэтому закисление океана является существенным следствием повышенного уровня углекислого газа и ограничивает скорость, с которой он может быть поглощен океаном ( насос растворимости ). Было предложено множество различных оснований , которые могли бы нейтрализовать кислоту и, таким образом, увеличить CO
2Поглощение. [159] [160] [161] [162] [163] Например, добавление измельченного известняка в океаны усиливает поглощение углекислого газа. [164] Другой подход заключается в добавлении в океаны гидроксида натрия , который производится путем электролиза соленой воды или рассола, при этом устраняя отходы соляной кислоты путем реакции с вулканической силикатной породой, такой как энстатит , эффективно увеличивая скорость естественного выветривания этих пород для восстановления pH океана. [165] [166] [167] [ требуется редактирование копии ]
Одноэтапное связывание и хранение углерода представляет собой технологию минерализации на основе соленой воды, которая извлекает углекислый газ из морской воды и хранит его в виде твердых минералов. [168]
Когда-то было высказано предположение, что CO 2 может храниться в океанах путем прямого впрыскивания в глубины океана и хранения его там в течение нескольких столетий. В то время это предложение называлось «хранением в океане», но точнее оно было известно как « прямое впрыскивание углекислого газа в глубины моря ». Однако интерес к этому способу хранения углерода значительно снизился примерно с 2001 года из-за опасений по поводу неизвестного воздействия на морскую жизнь [169] : 279 , высоких затрат и опасений по поводу его стабильности или постоянства. [101] «Специальный доклад МГЭИК по улавливанию и хранению углекислого газа» в 2005 году действительно включал эту технологию в качестве варианта. [169] : 279 Однако Пятый оценочный доклад МГЭИК в 2014 году больше не упоминал термин «хранение в океане» в своем отчете о методах смягчения последствий изменения климата. [170] В последнем Шестом оценочном докладе МГЭИК за 2022 год также больше не упоминается «хранение в океане» в его «таксономии удаления углекислого газа». [171] : 12–37
Стоимость секвестрации углерода (не включая улавливание и транспортировку) варьируется, но в некоторых случаях, когда доступно наземное хранение, составляет менее 10 долларов США за тонну. [172] Например, стоимость Carbfix составляет около 25 долларов США за тонну CO2 . [173] В отчете за 2020 год секвестрация в лесах (включая улавливание) оценивается в 35 долларов США для небольших объемов и 280 долларов США за тонну для 10% от общего объема, необходимого для поддержания потепления на уровне 1,5 °C. [174] Однако существует риск высвобождения углерода в результате лесных пожаров. [175]
{{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)