Секвестрация углерода – это процесс хранения углерода в углеродном пуле . [2] : 2248 Связывание углерода — это естественный процесс, но его также можно улучшить или достичь с помощью технологий, например, в рамках проектов по улавливанию и хранению углерода . Существует два основных типа связывания углерода: геологическое и биологическое (также называемое биосеквестрацией ). [3]
Углекислый газ ( CO
2) естественным образом улавливается из атмосферы посредством биологических, химических и физических процессов. [4] Эти изменения можно ускорить за счет изменений в землепользовании и сельскохозяйственной практике, таких как преобразование пахотных земель в земли для выращивания некультурных быстрорастущих растений. [5] Для достижения аналогичных эффектов были разработаны искусственные процессы, [4] включая крупномасштабный искусственный улавливание и секвестрацию промышленно производимого CO .
2использование подземных соленых водоносных горизонтов или стареющих нефтяных месторождений . Другие технологии, которые работают с секвестрацией углерода, включают биоэнергетику с улавливанием и хранением углерода , биоуголь , усиленное выветривание , прямое улавливание и связывание углерода в воздухе (DACCS).
Леса, заросли водорослей и другие формы растительной жизни поглощают углекислый газ из воздуха по мере своего роста и связывают его в биомассу. Однако эти биологические хранилища считаются летучими поглотителями углерода , поскольку долгосрочное связывание не может быть гарантировано. Например, природные явления, такие как лесные пожары или болезни, экономическое давление и изменение политических приоритетов, могут привести к выбросу секвестрированного углерода обратно в атмосферу. [6] Углекислый газ, удаленный из атмосферы, также может храниться в земной коре путем закачивания его в недра или в виде нерастворимых карбонатных солей ( связывание минералов ). Эти методы считаются энергонезависимыми, поскольку они удаляют углерод из атмосферы и изолируют его на неопределенный срок и, предположительно, на значительный период времени (от тысяч до миллионов лет).
Для усиления процессов улавливания углерода в океанах были предложены следующие технологии, но ни одна из них до сих пор не получила широкомасштабного применения: выращивание морских водорослей , удобрение океана , искусственный апвеллинг , хранение базальта, минерализация и глубоководные отложения, добавление оснований для нейтрализации кислот. От идеи прямого закачивания углекислого газа в глубокое море отказались. [7]
Термин секвестрация углерода используется по-разному в литературе и средствах массовой информации. В Шестом оценочном докладе МГЭИК это определяется как «Процесс хранения углерода в углеродном пуле». [2] : 2248 Впоследствии бассейн определяется как «резервуар в системе Земля, где элементы, такие как углерод и азот, находятся в различных химических формах в течение определенного периода времени». [2] : 2244
Геологическая служба США (USGS) определяет секвестрацию углерода следующим образом: «Связывание углерода — это процесс улавливания и хранения углекислого газа в атмосфере». [3] Таким образом, разница между секвестрацией углерода и улавливанием и хранением углерода (CCS) иногда размывается в средствах массовой информации. Однако МГЭИК определяет CCS как «процесс, в котором относительно чистый поток диоксида углерода (CO 2 ) из промышленных источников отделяется, обрабатывается и транспортируется в место длительного хранения». [8] : 2221
Следовательно, CCS — это технологическое приложение, в котором используются методы искусственного связывания углерода. [ нужна цитата ]
Термин секвестрация основан на латинском sequestrare , что означает отстранение или сдача. Оно происходит от секвестра, депозитария или доверительного управляющего, того, в чьи руки была передана спорная вещь до разрешения спора. В английском языке «sequestered» означает изолированный или замкнутый. [9]
По закону секвестр — это действие по изъятию, отделению или конфискации чего-либо из владения его владельца в соответствии с законом в пользу кредиторов или государства. [9]
Связывание углерода является частью естественного углеродного цикла , посредством которого углерод обменивается между биосферой , педосферой , геосферой , гидросферой и атмосферой Земли . [ нужна цитата ]
Углекислый газ естественным образом улавливается из атмосферы посредством биологических, химических или физических процессов и хранится в долговременных резервуарах.
Связывание углерода, действуя как поглотитель углерода , помогает смягчить изменение климата и, таким образом, уменьшить вредные последствия изменения климата . Это помогает замедлить накопление в атмосфере и морской среде парниковых газов , которые выделяются в результате сжигания ископаемого топлива и промышленного животноводства. [10]
Связывание углерода, когда оно применяется для смягчения последствий изменения климата, может основываться либо на усилении естественного связывания углерода, либо на применении процессов искусственного связывания углерода. [ нужна цитата ]
В рамках подходов к улавливанию и хранению углерода секвестрация углерода относится к компоненту «хранения». Здесь применяются технологии искусственного хранения углерода, такие как хранение газа в глубоких геологических формациях (включая солончаковые формации и отработанные газовые месторождения), а также хранение в твердом состоянии путем реакции CO 2 с оксидами металлов с получением стабильных карбонатов . [11]
Для того чтобы углерод можно было изолировать искусственно (т.е. не используя естественные процессы углеродного цикла), его необходимо сначала уловить, либо необходимо существенно задержать или предотвратить его повторный выброс в атмосферу (путем сгорания, распада и т. д.) из существующий богатый углеродом материал, включенный в постоянное использование (например, в строительстве). После этого его можно пассивно хранить или продуктивно использовать с течением времени различными способами. Например, после заготовки древесина (как богатый углеродом материал) может быть использована в строительстве или ряде других товаров длительного пользования, таким образом изолируя углерод на протяжении многих лет или даже столетий. [12]
Прибрежное улавливание углерода — это новая технология, целью которой является удаление углекислого газа из атмосферы за счет использования песка, удаляющего углерод, который увеличивает щелочность морской воды. [13] Это повышает способность морской воды поглощать CO2. В частности, увеличение щелочности приводит к превращению угольной кислоты в бикарбонат и, как следствие, к последующему поглощению CO2 из атмосферы и хранению его в морской воде. Этот процесс направлен на ускорение естественного химического выветривания минерала оливина за счет распределения значительных количеств измельченной породы, содержащей оливин, вдоль береговой линии, где она может растворяться в морской воде, тем самым увеличивая скорость поглощения CO2 океаном. [ нужна цитата ]
Биологическая секвестрация углерода (также называемая биосеквестрацией ) — это улавливание и хранение углекислого газа, содержащего парниковый эффект в атмосфере, посредством непрерывных или усиленных биологических процессов. Эта форма связывания углерода происходит за счет увеличения скорости фотосинтеза в результате таких методов землепользования, как лесовосстановление и устойчивое управление лесами . [14] [15] Изменения в землепользовании , которые усиливают улавливание природного углерода, могут ежегодно улавливать и хранить большие количества углекислого газа. К ним относятся сохранение, управление и восстановление таких экосистем, как леса, торфяники, водно-болотные угодья и луга, а также методы улавливания углерода в сельском хозяйстве. [16]
Существуют методы и практика для повышения связывания углерода почвой как в сельском , так и в лесном секторе . [17]
Деревья поглощают углекислый газ (CO2) из атмосферы в процессе фотосинтеза . В ходе этого биохимического процесса хлорофилл в листьях дерева использует солнечный свет для преобразования CO2 и воды в глюкозу и кислород. [18] Хотя глюкоза служит для дерева источником энергии, кислород выбрасывается в атмосферу в качестве побочного продукта. Деревья хранят углерод в форме биомассы, включая корни, стебли, ветви и листья. На протяжении всей своей жизни деревья продолжают улавливать углерод, выступая в качестве долговременного хранилища атмосферного CO 2 . [19] Таким образом, устойчивое лесопользование, облесение, лесовосстановление и возобновление лесных массивов являются важным вкладом в смягчение последствий изменения климата. Облесение – это создание леса на территории, где ранее не было древесного покрова. Пролесение — это практика выращивания существующего леса в нетронутом виде до достижения полного его экологического потенциала. [20] Важным соображением в таких усилиях является то, что потенциал поглощения углерода лесами будет насыщаться [21] и леса могут превратиться из поглотителей углерода в источники углерода. [22] [23] Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) пришла к выводу, что сочетание мер, направленных на увеличение запасов углерода в лесах, и устойчивый сбор древесины принесет наибольшую выгоду от секвестрации углерода. [24]
С точки зрения удержания углерода на лесных площадях лучше избегать вырубки лесов , чем вырубать деревья и впоследствии восстанавливать леса, поскольку вырубка лесов приводит к необратимым последствиям, например, утрате биоразнообразия и деградации почвы . [25] Кроме того, последствия лесовосстановления в будущем будут более значительными, чем сохранение существующих лесов в нетронутом виде. [26] Для восстановления лесных территорий требуется гораздо больше времени – несколько десятилетий – для того, чтобы вернуться к тем же уровням секвестрации углерода, которые наблюдаются в зрелых тропических лесах. [27]
Существует четыре основных способа, с помощью которых лесовосстановление и сокращение вырубки лесов могут увеличить секвестрацию углерода. Во-первых, за счет увеличения объема существующего леса. Во-вторых, за счет увеличения плотности углерода в существующих лесах в масштабе древостоя и ландшафта. [28] В-третьих, за счет расширения использования лесной продукции, которая устойчиво заменит выбросы от ископаемого топлива. В-четвертых, за счет сокращения выбросов углекислого газа, вызванных вырубкой и деградацией лесов. [29]
Посадка деревьев на малоплодородных и пастбищных землях помогает поглощать углерод из атмосферного CO.
2в биомассу . [30] [31] Чтобы этот процесс секвестрации углерода был успешным, углерод не должен возвращаться в атмосферу в результате сжигания или гниения биомассы, когда деревья умирают. [32] С этой целью земля, отведенная под деревья, не должна использоваться для других целей, и может потребоваться регулирование частоты нарушений во избежание экстремальных явлений. Альтернативно, древесина из них сама должна быть изолирована, например, с помощью биоугля , биоэнергии с хранением углерода ( BECS ), захоронения или складирования для использования в строительстве.
Лесовосстановление долгоживущими деревьями (>100 лет) будет связывать углерод в течение значительных периодов времени и высвобождаться постепенно, сводя к минимуму воздействие углерода на климат в 21 веке. На Земле достаточно места, чтобы посадить еще 1,2 триллиона деревьев. [33] Их посадка и защита компенсируют около 10 лет выбросов CO 2 и секвестрируют 205 миллиардов тонн углерода. [34] Этот подход поддерживается кампанией «Триллион деревьев» . Восстановление всех деградировавших лесов во всем мире позволит в общей сложности уловить около 205 миллиардов тонн углерода, что составляет около двух третей всех выбросов углерода. [35] [36]
Если в течение 30-летнего периода до 2050 года во всем новом строительстве во всем мире будет использоваться 90% изделий из древесины, в основном за счет массового использования древесины в малоэтажном строительстве, это может изолировать 700 миллионов чистых тонн углерода в год, [37] [38] , тем самым сводя на нет примерно 2% годовых выбросов углерода по состоянию на 2019 год. [39] Это в дополнение к устранению выбросов углерода из вытесненных строительных материалов, таких как сталь или бетон, производство которых является углеродоемким.
Городское лесное хозяйство увеличивает количество углерода, поглощаемого городами, за счет добавления новых участков деревьев, и секвестрация углерода происходит в течение всего срока службы деревьев. [40] Обычно это практикуется и поддерживается в меньших масштабах, например, в городах. Результаты городского лесного хозяйства могут иметь разные результаты в зависимости от типа используемой растительности, поэтому она может функционировать как поглотитель, но также может выступать и как источник выбросов. [41] В жарких регионах мира деревья оказывают важное охлаждающее действие за счет тени и транспирации. Это может сэкономить на необходимости кондиционирования воздуха, что, в свою очередь, может снизить выбросы парниковых газов. [41]
Восстановление водно-болотных угодий включает восстановление естественных биологических, геологических и химических функций водно-болотных угодий путем восстановления или реабилитации. [43] Это также было предложено в качестве потенциальной стратегии смягчения последствий изменения климата. [44] Почва водно-болотных угодий, особенно в прибрежных водно-болотных угодьях, таких как мангровые заросли, морские травы и солончаки, [44] является важным резервуаром углерода; 20–30% мирового почвенного углерода находится в водно-болотных угодьях, в то время как только 5–8% мировой суши состоит из водно-болотных угодий. [45] Исследования показали, что восстановленные водно-болотные угодья могут стать продуктивными поглотителями CO 2 [46] [47] [48] , и в США и во всем мире было реализовано множество проектов по восстановлению. [49] [50] Помимо климатических преимуществ, восстановление и сохранение водно-болотных угодий может помочь сохранить биоразнообразие, улучшить качество воды и помочь в борьбе с наводнениями. [51]
Растения, составляющие водно-болотные угодья, поглощают углекислый газ (CO 2 ) из атмосферы и преобразуют его в органические вещества. Переувлажненность почвы замедляет разложение органического материала, что приводит к накоплению богатого углеродом торфа, действующего как долгосрочный поглотитель углерода . [52] Кроме того, анаэробные условия в заболоченных почвах препятствуют полному распаду органического вещества, способствуя преобразованию углерода в более стабильные формы. [53]
Как и в случае с лесами, для успешного процесса секвестрации водно-болотные угодья должны оставаться нетронутыми. Если ее каким-то образом нарушить, углерод, накопленный в растениях и отложениях, будет выброшен обратно в атмосферу, и экосистема больше не будет функционировать как поглотитель углерода. [54] Кроме того, некоторые водно-болотные угодья могут выделять парниковые газы, отличные от CO 2 , такие как метан [55] и закись азота [56] , которые могут свести на нет потенциальные выгоды для климата. Количество углерода, связываемого водно-болотными угодьями посредством голубого углерода , также сложно измерить. [51]
Водно-болотные угодья создаются, когда вода переливается в почву с густой растительностью, заставляя растения адаптироваться к затопленной экосистеме. [57] Водно-болотные угодья могут встречаться в трех разных регионах. [58] Морские водно-болотные угодья встречаются в мелководных прибрежных районах, приливные водно-болотные угодья также являются прибрежными, но находятся дальше вглубь суши, а неприливные водно-болотные угодья находятся внутри страны и не подвергаются воздействию приливов. Почва водно-болотных угодий является важным поглотителем углерода ; 14,5% мирового почвенного углерода находится в водно-болотных угодьях, в то время как только 5,5% мировой суши состоит из водно-болотных угодий. [59] Водно-болотные угодья не только являются отличным поглотителем углерода, но и обладают многими другими преимуществами, такими как сбор паводковых вод, фильтрация загрязнителей воздуха и воды, а также создание дома для многочисленных птиц, рыб, насекомых и растений. [58]
Изменение климата может изменить накопление углерода в почве, превратив его из поглотителя в источник. [60] С повышением температуры происходит увеличение выбросов парниковых газов из водно-болотных угодий, особенно из мест с вечной мерзлотой . Когда эта вечная мерзлота тает, количество доступного кислорода и воды в почве увеличивается. [60] Из-за этого бактерии в почве создают большое количество углекислого газа и метана, которые выбрасываются в атмосферу. [60]
Связь между изменением климата и водно-болотными угодьями до сих пор полностью не известна. [60] Также неясно, как восстановленные водно-болотные угодья управляют углеродом, оставаясь при этом источником метана. Однако сохранение этих территорий поможет предотвратить дальнейший выброс углерода в атмосферу. [61]
Торфяники содержат около 30% углерода в нашей экосистеме. [61] Когда торфяники осушаются для сельскохозяйственных угодий и урбанизации, поскольку торфяники настолько обширны, большое количество углерода разлагается и выбрасывает CO 2 в атмосферу. [61] Потеря одного торфяника потенциально может произвести больше углерода, чем выбросы метана за 175–500 лет . [60]
Торфяники действуют как поглотитель углерода, поскольку они накапливают частично разложившуюся биомассу, которая в противном случае продолжала бы полностью разлагаться. Существуют различия в том, насколько торфяники действуют как поглотитель или источник углерода, что может быть связано с различным климатом в разных регионах мира и в разное время года. [62] Создавая новые болота или улучшая существующие, количество углерода, улавливаемого болотами, увеличится. [63]
По сравнению с естественной растительностью почвы пахотных земель обеднены почвенным органическим углеродом (SOC). Когда почва преобразуется из естественных или полуестественных земель, таких как леса, лесные массивы, луга, степи и саванны, содержание SOC в почве снижается примерно на 30–40%. [64] Эти потери связаны с удалением растительного материала, содержащего углерод, с точки зрения урожая. Когда землепользование меняется , содержание углерода в почве либо увеличивается, либо уменьшается, и это изменение будет продолжаться до тех пор, пока почва не достигнет нового равновесия. На отклонения от этого равновесия также могут влиять изменения климата. [65] Снижению содержания SOC можно противодействовать за счет увеличения поступления углерода. Это можно сделать с помощью нескольких стратегий, например, оставлять на поле пожнивные остатки, использовать навоз в качестве удобрения или включать в севооборот многолетние культуры. Многолетние культуры имеют большую долю подземной биомассы, что увеличивает содержание ПОУ. [64] Многолетние культуры уменьшают потребность в обработке почвы и, таким образом, помогают смягчить эрозию почвы, а также могут помочь увеличить содержание органического вещества в почве. По оценкам, во всем мире почвы содержат >8580 гигатонн органического углерода, что примерно в десять раз больше, чем в атмосфере, и намного больше, чем в растительности. [66] Исследователи обнаружили, что повышение температуры может привести к резкому увеличению популяции почвенных микробов, превращающих накопленный углерод в углекислый газ. В лабораторных экспериментах по нагреванию почвы почвы, богатые грибами, выделяют меньше углекислого газа, чем другие почвы. [67]
Модификация методов ведения сельского хозяйства является признанным методом связывания углерода, поскольку почва может действовать как эффективный поглотитель углерода, компенсируя до 20% ежегодных выбросов углекислого газа в 2010 году. [68] (См. «Нулевая обработка почвы »). Восстановление органического земледелия и дождевых червей может полностью компенсировать ежегодный избыток углерода CO 2 в размере 4 Гт в год и снизить остаточный избыток углерода в атмосфере. [69] (См. Компост ).
Методы сокращения выбросов углерода в сельском хозяйстве можно сгруппировать в две категории: сокращение и/или вытеснение выбросов и повышение удаления углерода из атмосферы. Некоторые из этих сокращений связаны с повышением эффективности сельскохозяйственных операций (например, использование более экономичного оборудования), тогда как некоторые связаны с перерывами в естественном углеродном цикле. Кроме того, некоторые эффективные методы (например, прекращение сжигания стерни [70] ) могут отрицательно повлиять на другие экологические проблемы (увеличение использования гербицидов для борьбы с сорняками, не уничтожаемыми при сжигании).
Поскольку обеспечение защиты лесов может недостаточно эффективно устранять причины вырубки лесов (самой крупной из которых является производство говядины в случае тропических лесов Амазонки [71] ), возможно, также потребуется политика. Они могли бы эффективно запретить и/или постепенно препятствовать торговле, связанной с вырубкой лесов, посредством, например, требований к информации о продукции, спутникового мониторинга, такого как Global Forest Watch , соответствующих экологических тарифов и сертификации продукции. [72] [73] [74]
Восстановление прерий — это природоохранная попытка восстановить земли прерий , которые были разрушены в результате промышленного, сельскохозяйственного , коммерческого или жилого строительства. [75] Основная цель – вернуть территории и экосистемы в прежнее состояние, существовавшее до их истощения. [76] Масса ПОУ, которую можно хранить на этих восстановленных участках, обычно больше, чем у предыдущего урожая, и действует как более эффективный поглотитель углерода. [77] [78]
Городские газоны могут хранить значительные количества углерода. Сохраняемый объем увеличивается с течением времени после последнего нарушения (например, строительства дома). [79]
Углеродное земледелие — это название различных сельскохозяйственных методов , направленных на улавливание атмосферного углерода в почве , корнях сельскохозяйственных культур, древесине и листьях. Целью углеродного земледелия является увеличение скорости поглощения углерода почвой и растительным материалом с целью создания чистой потери углерода из атмосферы. [80] Увеличение содержания органических веществ в почве может помочь росту растений, увеличить общее содержание углерода, улучшить способность почвы удерживать воду [81] и сократить использование удобрений. [82] Углеродное земледелие является одним из компонентов климатически оптимизированного сельского хозяйства .
Методы сокращения выбросов углерода в сельском хозяйстве можно разделить на две категории: сокращение и вытеснение выбросов и повышение секвестрации углерода. Сокращение включает повышение эффективности сельскохозяйственных операций (например, использование более экономичного оборудования) и прерывание естественного углеродного цикла .Хотя бамбуковый лес хранит меньше общего количества углерода, чем зрелый лес деревьев, бамбуковая плантация поглощает углерод гораздо быстрее, чем зрелый лес или древесная плантация. Таким образом, выращивание бамбуковой древесины может иметь значительный потенциал связывания углерода. [83]
После поглощения углекислого газа (CO 2 ) из атмосферы растения откладывают органические вещества в почву. [84] Это органическое вещество, полученное из разлагающегося растительного материала и корневых систем, богато соединениями углерода. Микроорганизмы в почве расщепляют это органическое вещество, и при этом часть углерода стабилизируется в почве в виде гумуса – процесс, известный как гумификация . [85]
По оценкам, в глобальном масштабе почва содержит около 2500 гигатонн углерода. Это более чем в 3 раза превышает количество углерода, обнаруженного в атмосфере, и в 4 раза — в живых растениях и животных. [86] Около 70% мирового органического углерода почвы в районах, где нет вечной мерзлоты, находится в более глубоких слоях почвы в пределах верхнего 1 метра и стабилизируется минерально-органическими ассоциациями. [87]
Все культуры поглощают CO
2во время роста и выпускать его после сбора урожая. Целью удаления углерода в сельском хозяйстве является использование урожая и его связи с углеродным циклом для постоянного связывания углерода в почве. Это достигается путем выбора методов ведения сельского хозяйства, которые возвращают биомассу в почву и улучшают условия, в которых углерод внутри растений будет восстановлен до его элементарной природы и сохранен в стабильном состоянии. Методы достижения этой цели включают в себя:
Практика секвестрации сельскохозяйственных культур может оказать положительное воздействие на качество почвы , воздуха и воды, принести пользу дикой природе и расширить производство продуктов питания . На деградированных пахотных землях увеличение запасов почвенного углерода на одну тонну может увеличить урожайность пшеницы на 20–40 кг/га , кукурузы на 10–20 кг/га и вигны на 0,5–1 кг/га . [92]
Последствия секвестрации почвы можно обратить вспять. Если почва разрушается или используются методы интенсивной обработки почвы, почва становится чистым источником парниковых газов. Обычно после нескольких десятилетий секвестрации почва становится насыщенной и перестает поглощать углерод. Это означает, что существует глобальный предел количества углерода, который может удерживать почва. [93]
На стоимость улавливания углерода влияют многие факторы, включая качество почвы , операционные издержки и различные внешние факторы, такие как утечка и непредвиденный ущерб окружающей среде. Потому что сокращение выбросов CO в атмосфере
2является долгосрочной проблемой, фермеры могут не захотеть применять более дорогие сельскохозяйственные методы, когда нет явной выгоды от урожая, почвы или экономической выгоды. Такие правительства, как Австралия и Новая Зеландия, рассматривают возможность разрешить фермерам продавать углеродные кредиты, как только они подтвердят, что у них достаточно повышено содержание углерода в почве. [88] [94] [95] [ 96] [97] [98]
Биоуголь — это древесный уголь , полученный путем пиролиза отходов биомассы . Полученный материал выбрасывают на свалку или используют в качестве улучшителя почвы для создания terra preta . [99] [100] Добавление пирогенного органического углерода (биоугля) представляет собой новую стратегию увеличения запасов углерода в почве в долгосрочной перспективе и смягчения последствий глобального потепления путем компенсации атмосферного углерода (до 9,5 гигатонн углерода в год). [101] В почве углерод биоугля недоступен для окисления до CO.
2и последующий выброс в атмосферу. Однако были высказаны опасения по поводу того, что биоуголь потенциально ускоряет выброс углерода, уже присутствующего в почве. [102]
Terra preta , антропогенная почва с высоким содержанием углерода, также исследуется как механизм секвестрации. Путем пиролиза биомассы около половины ее углерода можно превратить в древесный уголь , который может сохраняться в почве веками и является полезным удобрением для почвы, особенно в тропических почвах ( биоуголь или агроуголь ). [103] [104]
Непосредственное захоронение биомассы (например, деревьев) имитирует естественные процессы, которые привели к созданию ископаемого топлива . [105] Глобальный потенциал секвестрации углерода с помощью древесного захоронения оценивается в 10 ± 5 ГтУ/год, при этом наибольшие показатели наблюдаются в тропических лесах (4,2 ГтУ/год), за которыми следуют умеренные (3,7 ГтУ/год) и бореальные леса (2,1 ГтУ/год). /год). [12] В 2008 году Нин Цзэн из Университета Мэриленда оценил, что 65 ГтУ, лежащие на подстилке мировых лесов, представляют собой грубый древесный материал, который можно захоронить, а затраты на секвестрацию углерода в древесном захоронении составляют 50 долларов США/тС, что намного ниже, чем улавливание углерода, например, из выбросов электростанций. [12] Фиксация CO 2 в древесной биомассе – это естественный процесс, осуществляемый посредством фотосинтеза . Это природное решение, и предлагаемые методы включают использование «деревянных хранилищ» для хранения содержащего древесину углерода в бескислородных условиях. [106]
В 2022 году сертификационная организация опубликовала методологии захоронения биомассы. [107] Другие предложения по хранению биомассы включали захоронение биомассы глубоко под водой, в том числе на дне Черного моря . [108]
Геологическая секвестрация относится к хранению CO 2 под землей в истощенных нефтяных и газовых резервуарах, соляных пластах или глубоких, непригодных для разработки угольных пластах. [ нужна цитата ]
Как только CO 2 улавливается из точечного источника, такого как цементный завод, [109] его можно сжать до давления ≈100 бар и превратить в сверхкритическую жидкость . В таком виде CO 2 можно транспортировать по трубопроводу к месту хранения. Затем CO 2 можно было бы закачать глубоко под землю, обычно на глубину около 1 км, где он будет стабильным в течение сотен и миллионов лет. [7] При таких условиях хранения плотность сверхкритического CO 2 составляет от 600 до 800 кг/м 3 . [110]
Важными параметрами при выборе 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 и пористость до ≈30%. Пористая порода должна быть покрыта слоем низкой проницаемости, который действует как уплотнитель или покрышка для CO 2 . Сланец является примером очень хорошей покрышки с проницаемостью от 10-5 до 10-9 по Дарси. После впрыскивания шлейф CO 2 поднимется за счет выталкивающих сил, поскольку он менее плотен, чем его окружение. Как только он встретит покрышку, он будет распространяться вбок, пока не встретит разрыв. Если вблизи зоны закачки имеются плоскости разлома, существует вероятность того, что CO 2 может мигрировать по разлому на поверхность, просачиваясь в атмосферу, что будет потенциально опасно для жизни в окружающей местности. Еще одним риском, связанным с секвестрацией углерода, является наведенная сейсмичность. Если закачка CO 2 создаст слишком высокое давление под землей, пласт разобьется, что может привести к землетрясению. [111]
Структурные улавливания считаются основным механизмом хранения. Непроницаемые или низкопроницаемые породы, такие как глинистые породы, ангидрит, галит или плотные карбонаты, действуют как барьер для восходящей плавучей миграции CO2, что приводит к удержанию CO2 внутри формации-хранилища. [112] Находясь в ловушке в горной породе, CO 2 может находиться в сверхкритической жидкой фазе или растворяться в грунтовых водах/рассоле. Он также может реагировать с минералами в геологических формациях с осаждением карбонатов.
Согласно большинству исследований, два наиболее уважаемых способа геологической секвестрации:
Закачка CO2 в соленые водоносные горизонты является ключевым методом геологической секвестрации. Соленые водоносные горизонты — это подземные слои пористых отложений, заполненные солоноватой (соленой) водой, обычно расположенные под резервуарами с пресной водой. Этот процесс включает улавливание CO2 из промышленных источников, его сжижение и последующую закачку в глубокие геологические формации. CO2 вводится в сверхкритическом состоянии, что означает, что он обладает свойствами как жидкости, так и газа. Это позволяет ему вытеснять более плотный рассол в водоносном горизонте. Один раз. Это создает многофазную, многокомпонентную среду внутри водоносного горизонта. Это позволяет ему вытеснять более плотный рассол в водоносном горизонте. Попадая в водоносный горизонт, CO2 изолируется как гидродинамически, так и путем реакции с другими растворенными солями с образованием карбонатов. Это создает многофазную, многокомпонентную среду внутри водоносного горизонта. Этот процесс экономически целесообразен, а также может повысить нефтеотдачу при использовании в нефтяных пластах. [113]
Закачка CO2 в нефтяные скважины и угольные пласты является важным методом геологической секвестрации. В нефтяные скважины закачивается CO2 для вытеснения нефти, ускоряя добычу истощающихся нефтяных и газовых месторождений. Этот процесс известен как повышение нефтеотдачи (EOR). Эта стратегия применяется в таких местах, как Техас, США, и на морских нефтяных скважинах в Норвегии. Однако это не считается секвестрацией, когда закачиваемый CO2 извлекается из подземных скважин. В угольные пласты CO2 закачивается, где он поглощается углем, вытесняя метан (CH4). Этот процесс увеличивает извлечение метана угольных пластов (МУП), при этом закачиваемый CO2 поглощается углем в два раза больше, чем CH4. [113]
Мировая емкость хранилищ нефти и газа оценивается в 675–900 Гт CO 2 , а в неизвлекаемых угольных пластах – в 15–200 Гт CO 2 . Глубоководные солончаковые формации обладают наибольшей мощностью, которая оценивается в 1000–10 000 Гт CO 2 . [110] По оценкам, в США имеется не менее 2600 Гт и не более 22 000 Гт общей емкости для хранения CO 2 . [114]
Существует ряд крупномасштабных проектов по улавливанию и секвестрации углерода, которые продемонстрировали жизнеспособность и безопасность этого метода хранения углерода, которые обобщены Глобальным институтом CCS. [115] Преобладающим методом мониторинга является сейсмическая визуализация, при которой генерируются вибрации, распространяющиеся по недрам. Геологическую структуру можно визуализировать по преломленным/отраженным волнам. [111]
В сентябре 2020 года Министерство энергетики США выделило федеральное финансирование в размере 72 миллионов долларов на поддержку разработки и продвижения технологий улавливания углерода. [116]
СО
2широко использовался в операциях по увеличению добычи сырой нефти в Соединенных Штатах , начиная с 1972 года. [10] Существует более 10 000 скважин, в которых закачивается CO.
2только в штате Техас . Газ частично поступает из антропогенных источников, но в основном из крупных природных геологических образований CO .
2. Он транспортируется на нефтедобывающие месторождения через обширную сеть CO протяженностью более 5000 километров (3100 миль).
2трубопроводы. Использование CO
2Также были предложены методы повышения нефтеотдачи пластов (EOR) в коллекторах тяжелой нефти в Западно-Канадском осадочном бассейне (WCSB). [117] Однако транспортные расходы остаются важным препятствием. Обширный CO
2трубопроводной системы в ЗЦСБ еще не существует. Добыча нефтеносных песков Атабаски , производящая CO
2находится в сотнях километров к северу от недр. Резервуары тяжелой сырой нефти , которые могут получить наибольшую выгоду от CO.
2инъекция. [ нужна цитата ]
Целью секвестрации минералов является улавливание углерода в виде 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 кремнезем и оставляя осадок глинистых минералов . Растворенные кальций и магний реагируют с бикарбонатом , образуя осаждение карбонатов кальция и магния - процесс, который организмы используют для образования раковин. Когда организмы умирают, их панцири 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. Продолжающиеся исследования направлены на ускорение подобных реакций с участием карбонатов щелочных металлов. [118]
Несколько месторождений серпентинита исследуются как потенциально крупномасштабные хранилища CO 2 , например, те, что обнаружены в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где реализуется первый проект пилотной установки по карбонизации минералов. [119] Полезное повторное использование карбоната магния в этом процессе может стать сырьем для новых продуктов, разработанных для искусственной среды и сельского хозяйства, без возврата углерода в атмосферу и, таким образом, выступая в качестве поглотителя углерода. [120]
Одна из предложенных реакций — это реакция богатого оливином каменного дунита или его гидратированного эквивалента серпентинита с углекислым газом с образованием карбонатного минерала магнезита , а также кремнезема и оксида железа ( магнетита ). [ нужна цитата ]
Секвестрация серпентинита предпочтительна из-за нетоксичности и стабильности карбоната магния. Идеальные реакции включают магниевые концевые компоненты оливина ( реакция 1) или серпентина (реакция 2), последний получен из более раннего оливина путем гидратации и окремнения (реакция 3). Наличие железа в оливине или серпентине снижает эффективность секвестрации, так как железосодержащие компоненты этих минералов распадаются до оксида железа и кремнезема (реакция 4).
Цеолитовые имидазолатные каркасы (ЗИФ) представляют собой металлорганические каркасы, подобные цеолитам . Из-за их пористости, химической стабильности и термостойкости ZIF исследуются на предмет их способности улавливать углекислый газ. [121] ЗИФ можно использовать для предотвращения попадания в атмосферу промышленных выбросов углекислого газа . [122]
CO 2 экзотермически реагирует с оксидами металлов, образуя стабильные карбонаты (например, кальцит , магнезит ). Этот процесс (преобразование CO 2 в камень) происходит естественным образом в течение нескольких лет и является причиной образования большого количества поверхностного известняка . Оливин является одним из таких оксидов металлов. [123] [ собственный источник? ] Породы, богатые оксидами металлов, которые реагируют с CO 2 , такими как MgO и CaO , содержащиеся в базальтах , оказались эффективным средством хранения углекислого газа. [124] [125] Скорость реакции в принципе можно ускорить с помощью катализатора [ 126] или за счет повышения температуры [ сомнительно ] и/или давления, или путем предварительной обработки минералов, хотя этот метод может потребовать дополнительной энергии. По оценкам МГЭИК , электростанции, оборудованной системой CCS с использованием хранилища полезных ископаемых, потребуется на 60–180% больше энергии, чем электростанции без нее. [127] Теоретически до 22% минеральной массы земной коры способно образовывать карбонаты . [ нужна ссылка ] Образование карбонатов считается самым безопасным механизмом улавливания CO 2 . [128]
Хвосты ультраосновных шахт являются легкодоступным источником мелкозернистых оксидов металлов, которые могут служить этой цели. [129] Ускорение пассивной секвестрации CO 2 посредством карбонизации минералов может быть достигнуто за счет микробных процессов, которые усиливают растворение минералов и осаждение карбонатов. [130] [131] [132]
Углерод в форме CO
2могут быть удалены из атмосферы химическими процессами и сохранены в стабильных карбонатных минеральных формах. Этот процесс ( CO
2-к камню) известен как «связывание углерода путем минеральной карбонизации » или секвестрация минералов. Этот процесс включает реакцию углекислого газа с широко доступными оксидами металлов – оксидом магния (MgO) или оксидом кальция (CaO) – с образованием стабильных карбонатов. Эти реакции являются экзотермическими и происходят естественным образом (например, выветривание горных пород в течение геологических периодов времени). [133] [134]
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. [133] Этот процесс происходит естественным образом в геологических временных рамках и отвечает за образование большей части известняка на поверхности Земли . Однако скорость реакции можно повысить за счет реакции при более высоких температурах и/или давлениях, хотя этот метод требует некоторой дополнительной энергии. Альтернативно, минерал можно размалывать, чтобы увеличить площадь его поверхности, подвергать воздействию воды и постоянному истиранию для удаления инертного кремнезема, чего можно достичь естественным путем, выбрасывая оливин в энергичный прибой на пляжах. [135] Эксперименты показывают, что процесс выветривания происходит достаточно быстро (один год) для пористых базальтовых пород. [136] [137]
Выход реакции, то есть количество минерализованного CO 2 на единицу массы целевого материала, редко достигается в соответствии со стехиометрией, и поэтому для достижения лучшего выхода в реакции придется использовать более высокую температуру, давление и даже химические реагенты. короткое время. Поскольку минерализованные продукты занимают больший объем, чем первоначально выкопанные породы, в первую очередь необходимо учитывать воздействие на окружающую среду, связанное с захоронением большего количества материала, чем было выкопано изначально. [138]
СО
2естественным образом реагирует с перидотитовой породой в поверхностных обнажениях офиолитов , особенно в Омане . Было высказано предположение, что этот процесс можно улучшить для проведения естественной минерализации CO .
2. [139] [140]
Когда СО
2растворяется в воде и закачивается в горячие базальтовые породы под землей. Было показано, что CO
2реагирует с базальтом с образованием твердых карбонатных минералов. [141] В октябре 2017 года был запущен испытательный завод в Исландии, который извлекает из атмосферы до 50 тонн CO 2 в год и хранит его под землей в базальтовых породах. [142]
Исследователи из Британской Колумбии разработали недорогой процесс производства магнезита , также известного как карбонат магния , который может улавливать CO 2 из воздуха или в местах загрязнения воздуха, например, на электростанции. Кристаллы встречаются в природе, но накопление обычно происходит очень медленно. [143]
Бетон является многообещающим местом назначения улавливаемого углекислого газа. Некоторые преимущества бетона включают, помимо прочего: источник большого количества кальция благодаря его значительному производству во всем мире; термодинамически стабильные условия хранения диоксида углерода в виде карбонатов кальция; и его долгосрочная способность хранить углекислый газ в качестве материала, широко используемого в инфраструктуре . [144] [145] Помимо вновь произведенного бетона можно также использовать снесенные бетонные отходы или переработанный бетон. [146] Исследования компании HeidelbergCement показывают, что секвестрация углерода может превратить разрушенный и переработанный бетон в дополнительный вяжущий материал, который может выступать в качестве вторичного связующего в тандеме с портландцементом при производстве нового бетона. [147] [148]
Океан естественным образом связывает углерод посредством различных процессов. [ нужна цитата ] Насос растворимости перемещает углекислый газ из атмосферы в поверхностный океан, где он вступает в реакцию с молекулами воды с образованием углекислоты. 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 во внутренней части океана. Биологический насос перемещает растворенный углекислый газ с поверхности океана во внутреннюю часть океана путем преобразования неорганического углерода в органический посредством фотосинтеза. Органическое вещество, которое выдерживает дыхание и реминерализацию, может переноситься через тонущие частицы и миграцию организмов в глубокие глубины океана. [ нужна цитата ]
Низкие температуры, высокое давление и пониженный уровень кислорода в морских глубинах замедляют процессы разложения , предотвращая быстрый выброс углерода обратно в атмосферу и действуя как резервуар для долгосрочного хранения. [149]
Морские водоросли растут на мелководье и в прибрежных районах и улавливают значительное количество углерода, который может переноситься в глубины океана с помощью океанических механизмов; морские водоросли, достигающие глубин океана, улавливают углерод и предотвращают его обмен с атмосферой на протяжении тысячелетий. [151] Было предложено выращивать морские водоросли на море с целью затопления водорослей в морских глубинах и связывания углерода. [152] Кроме того, морские водоросли растут очень быстро, и теоретически их можно собирать и перерабатывать для получения биометана , посредством 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 занимали 9% океана, они могли бы производить достаточно биометана, чтобы удовлетворить эквивалентную потребность Земли в энергии из ископаемого топлива, удалять 53 гигатонны CO 2 в год из атмосферы и устойчиво производить 200 кг рыбы в год. человек, на 10 миллиардов человек. [153] Идеальные виды для такого выращивания и переработки включают Laminaria digitata , Fucus serratus и Saccharina latissima . [154]
И макроводоросли , и микроводоросли исследуются как возможные средства связывания углерода. [155] [156] Морской фитопланктон осуществляет половину глобальной фотосинтетической фиксации CO 2 (чистая глобальная первичная продукция ~ 50 Пг C в год) и половину производства кислорода, несмотря на то, что он составляет лишь ~ 1% глобальной биомассы растений. [157]
Поскольку водорослям не хватает сложного лигнина, свойственного наземным растениям , углерод из водорослей выбрасывается в атмосферу быстрее, чем углерод, улавливаемый на суше. [155] [158] Водоросли были предложены в качестве краткосрочного хранилища углерода, который можно использовать в качестве сырья для производства различного биогенного топлива. [159]
Крупномасштабное выращивание морских водорослей (так называемое «облесение океана») может изолировать огромное количество углерода. [160] Дикие морские водоросли улавливают большое количество углерода через растворенные частицы органического вещества, переносимые на глубокое дно океана, где они закапываются и остаются в течение длительных периодов времени. [161] В настоящее время выращивание морских водорослей осуществляется для производства продуктов питания, лекарств и биотоплива. [161] Что касается углеродного земледелия, потенциальный рост морских водорослей для углеродного земледелия приведет к транспортировке собранных морских водорослей в глубокие глубины океана для долгосрочного захоронения. [161] Выращивание морских водорослей привлекло к себе внимание, учитывая ограниченность земного пространства, доступного для выращивания углерода. [161] В настоящее время выращивание морских водорослей происходит в основном в прибрежных районах Азиатско-Тихоокеанского региона, где это быстро растущий рынок. [161] Специальный доклад МГЭИК об океане и криосфере в условиях меняющегося климата рекомендует «дальнейшее исследовательское внимание» выращиванию морских водорослей в качестве тактики смягчения последствий. [162]
Удобрение океана или питание океана — это тип технологии удаления углекислого газа из океана, основанный на целенаправленном внесении питательных веществ для растений в верхние слои океана с целью увеличения производства морских продуктов питания и удаления углекислого газа из атмосферы. [163] [164] Удобрения океана питательными веществами, например железом , могут стимулировать фотосинтез в фитопланктоне . Фитопланктон преобразует растворенный в океане углекислый газ в углеводы , часть которых опускается в более глубокие слои океана, прежде чем окислиться. Более дюжины экспериментов в открытом море подтвердили, что добавление железа в океан увеличивает фотосинтез в фитопланктоне почти в 30 раз. [165]
Это один из наиболее хорошо изученных подходов к удалению углекислого газа (CDR), однако этот подход будет связывать углерод только в течение периода времени 10-100 лет, в зависимости от времени перемешивания океана. Хотя кислотность поверхности океана может снизиться в результате внесения питательных удобрений, когда тонущее органическое вещество реминерализируется, кислотность глубин океана увеличится. Отчет о CDR за 2021 год показывает, что существует средне-высокая уверенность в том, что этот метод может быть эффективным и масштабируемым при низких затратах и со средними экологическими рисками. [166] Одним из ключевых рисков, связанных с внесением питательных удобрений, является хищение питательных веществ, процесс, в результате которого излишки питательных веществ, используемые в одном месте для повышения первичной продуктивности, как и в случае внесения удобрений, затем становятся недоступными для нормальной продуктивности в дальнейшем. Это может привести к воздействию на экосистему далеко за пределами первоначального места внесения удобрений. [166]
Был предложен ряд методов, включая удобрение микроэлементом железом (так называемое удобрение железом ) или азотом и фосфором (оба макроэлемента). Но исследования начала 2020-х годов показали, что он может навсегда изолировать лишь небольшое количество углерода. [167]Искусственный апвеллинг или даунвеллинг — это подход, который изменит слои смешения океана. Смешение различных слоев океана может привести к перемещению питательных веществ и растворенных газов, открывая возможности для геоинженерии . [168] Смешивания можно добиться, разместив в океанах большие вертикальные трубы, которые будут перекачивать богатую питательными веществами воду на поверхность, вызывая цветение водорослей , которые накапливают углерод, когда растут, и экспортируют углерод, когда умирают. [168] [169] [170] Это дает результаты, несколько похожие на внесение железных удобрений. Одним из побочных эффектов является кратковременное повышение уровня CO.
2, что ограничивает его привлекательность. [171]
Слои смешивания включают транспортировку более плотной и холодной глубоководной океанской воды к поверхностному перемешанному слою . Поскольку температура океана снижается с глубиной, больше углекислого газа и других соединений способно растворяться в более глубоких слоях. [172] Этого можно добиться, обратив вспять океанический углеродный цикл за счет использования больших вертикальных труб, служащих океанскими насосами, [173] или смесителей. [174] Когда богатая питательными веществами глубинная океанская вода перемещается на поверхность, происходит цветение водорослей , что приводит к снижению содержания углекислого газа из-за поглощения углерода фитопланктоном и другими фотосинтезирующими эукариотическими организмами . Передача тепла между слоями также приведет к тому, что морская вода из смешанного слоя опустится и поглотит 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. [175] Внезапное увеличение содержания углекислого газа на уровне поверхности также временно снизит pH морской воды, препятствуя росту коралловых рифов . Производство углекислого газа в результате растворения углекислого газа в морской воде препятствует биогенной кальцификации морской среды и вызывает серьезные нарушения в океанической пищевой цепи . [176]
Связывание углекислого газа в базальте предполагает закачку CO.
2в глубоководные образования. Совместно _
2сначала смешивается с морской водой, а затем вступает в реакцию с базальтом, оба из которых являются элементами, богатыми щелочами. В результате этой реакции высвобождаются ионы Ca 2+ и Mg 2+ , образующие стабильные карбонатные минералы. [177]
Подводный базальт предлагает хорошую альтернативу другим формам хранения океанического углерода, поскольку он имеет ряд мер по улавливанию, обеспечивающих дополнительную защиту от утечки. Эти меры включают «геохимическое, осадочное, гравитационное и гидратообразование ». Потому что СО
2гидрат плотнее 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, из-за чего она тонет. [178]
Одним из возможных мест инъекции является пластинка Хуана де Фука . Исследователи из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти обнаружили, что эта плита на западном побережье США имеет возможную емкость хранения 208 гигатонн. Это могло бы покрыть все текущие выбросы углекислого газа в США за более чем 100 лет. [178]
Этот процесс проходит испытания в рамках проекта CarbFix , в результате чего 95% закачанных 250 тонн CO 2 затвердевают в кальцит за два года, используя 25 тонн воды на тонну CO 2 . [137] [179]
Подобно процессам минерализации , происходящим внутри горных пород, минерализация может происходить и под водой. Скорость растворения углекислого газа из атмосферы в районы океана определяется периодом циркуляции океана и буферной способностью погружающихся поверхностных вод. [180] Исследователи продемонстрировали, что морское хранилище углекислого газа на глубине нескольких километров может быть жизнеспособным на срок до 500 лет, но это зависит от места и условий инъекции. Несколько исследований показали, что, хотя он может эффективно улавливать углекислый газ, со временем углекислый газ может выбрасываться обратно в атмосферу. Однако это маловероятно, по крайней мере, еще в течение нескольких столетий. Нейтрализацию CaCO 3 или балансировку концентрации CaCO 3 на морском дне, суше и в океане можно измерить в масштабе тысяч лет. Точнее, прогнозируемое время составляет 1700 лет для океана и примерно от 5000 до 6000 лет для суши. [181] [182] Кроме того, время растворения CaCO 3 можно улучшить путем впрыскивания вблизи или после места хранения. [183]
Помимо минерализации углерода , еще одним предложением является закачка глубоководных отложений . Он впрыскивает жидкий углекислый газ на глубину не менее 3000 м ниже поверхности непосредственно в отложения океана для образования гидрата углекислого газа. Для разведки определены две области: 1) зона отрицательной плавучести (NBZ), которая представляет собой область между жидким углекислым газом, более плотным, чем окружающая вода, и где жидкий углекислый газ имеет нейтральную плавучесть, и 2) зона гидратообразования (HFZ), которая обычно имеет низкие температуры и высокие давления. Несколько исследовательских моделей показали, что оптимальная глубина закачки требует учета внутренней проницаемости и любых изменений проницаемости жидкого углекислого газа для оптимального хранения. Образование гидратов снижает проницаемость жидкого диоксида углерода, и закачка ниже HFZ более энергетически выгодна, чем внутри HFZ. Если NBZ представляет собой больший столб воды, чем HFZ, закачку следует производить ниже HFZ и непосредственно в NBZ. [184] В этом случае жидкий диоксид углерода опустится в НБЗ и будет храниться ниже плавучести и гидратной шапки. Утечка углекислого газа может произойти в случае его растворения в поровой жидкости или в результате молекулярной диффузии . Однако это происходит на протяжении тысячелетий. [183] [185] [186]
Углекислый газ образует угольную кислоту при растворении в воде, поэтому закисление океана является важным следствием повышенного уровня углекислого газа и ограничивает скорость его поглощения в океане (насос растворимости ). Было предложено множество различных оснований , которые могли бы нейтрализовать кислоту и, таким образом, увеличить выбросы CO.
2поглощение. [187] [188] [189] [190] [191] Например, добавление измельченного известняка в океаны увеличивает поглощение углекислого газа. [192] Другой подход заключается в добавлении в океаны гидроксида натрия , который получается путем электролиза соленой воды или рассола, при этом удаляя отработанную соляную кислоту путем реакции с вулканической силикатной породой, такой как энстатит , что эффективно увеличивает скорость естественного выветривания этих пород. для восстановления pH океана. [193] [194] [195]
Одноступенчатая секвестрация и хранение углерода — это технология минерализации на основе соленой воды, позволяющая извлекать углекислый газ из морской воды и хранить его в виде твердых минералов. [196]
Когда-то было высказано предположение, что CO 2 можно хранить в океанах путем прямой закачки в глубины океана и хранить его там в течение нескольких столетий. В то время это предложение называлось «океанское хранилище», но точнее оно было известно как « прямое глубоководное закачивание углекислого газа ». Однако интерес к этому способу хранения углерода значительно снизился примерно с 2001 года из-за опасений по поводу неизвестного воздействия на морскую жизнь [197] : 279 , высоких затрат и опасений по поводу его стабильности или постоянства. [7] «Специальный отчет МГЭИК по улавливанию и хранению углекислого газа» в 2005 году включил эту технологию в качестве опции. [197] : 279 Однако в Пятом оценочном докладе МГЭИК в 2014 году больше не упоминался термин «океанское хранилище» в своем докладе о методах смягчения последствий изменения климата. [198] В последнем Шестом оценочном докладе МГЭИК в 2022 году также больше не упоминается «океанское хранилище» в «Таксономии удаления углекислого газа». [199] : 12–37
Стоимость секвестрации (не включая улавливание и транспортировку) варьируется, но в некоторых случаях, когда имеется береговое хранилище, она не превышает 10 долларов США за тонну. [200] Например, стоимость Carbfix составляет около 25 долларов США за тонну CO 2 . [201] Согласно отчету за 2020 год, секвестрация в лесах (включая вылов) оценивается в 35 долларов США для небольших количеств и 280 долларов США за тонну, что составляет 10% от общего количества, необходимого для удержания потепления на 1,5°C. [202] Однако существует риск лесных пожаров с выбросом углерода. [203]
Исследователи выразили обеспокоенность тем, что использование компенсаций выбросов углерода – например, путем сохранения лесов, лесовосстановления или улавливания углерода – а также сертификатов возобновляемых источников энергии [ 204] позволяет компаниям, загрязняющим окружающую среду, продолжать выбрасывать парниковые газы в обычном режиме [205]. [206] и за то, что им необоснованно доверяют, и за неиспытанные техно-исправления . [207] Сюда также входит доклад МГЭИК 2022 года об изменении климата, который критикуют за то, что он содержит «много несбыточных мечтаний» и опирается на технологии с большими отрицательными выбросами. [208] Обзор исследований, проведенных Stanford Solutions Project, показал, что использование технологий улавливания и хранения/утилизации углерода (CCS/U) является опасным отвлечением, поскольку оно (в большинстве и крупномасштабных случаях) является дорогостоящим, увеличивает загрязнение воздуха и добыча полезных ископаемых неэффективна и вряд ли будет реализована в необходимом масштабе в нужное время. [209]
Хотя секвестрация углерода является важным инструментом смягчения последствий изменения климата, важно учитывать эти потенциальные недостатки и работать над их устранением, чтобы гарантировать его эффективное и ответственное использование.
• Связывание углерода является дорогостоящим методом, и его внедрение на электростанциях требует на 40% больше угля. Кроме того, ожидается, что стоимость энергии для секвестрации вырастет на 1–5 центов за киловатт-час [210].
• Утечка закачанного газа из-за структурных нарушений геологической формации может оказаться фатальной. Это связано с тем, что углекислый газ плотнее воздуха и оседает у земли. [211]
• Процесс улавливания и сжижения выбросов углекислого газа электростанциями требует значительного количества электроэнергии. Уже сейчас 20% электроэнергии, вырабатываемой такими станциями, потребляется во время работы. [210]
• Концентрация углекислого газа, выбрасываемого электростанциями, слишком низка, чтобы его можно было эффективно сжижать. [212]
• Деревьям, посаженным для поглощения и хранения углерода из атмосферы, требуется достаточное время для созревания. Кроме того, всегда существует риск выделения углекислого газа во время разложения после их смерти. [213]
• Возможно, не существует достаточных геологических резервуаров, доступных для связывания углерода. [214]
• Поскольку секвестрация углерода позволяет использовать ископаемое топливо, она может отвлечь государственное финансирование от более чистых и экологически чистых технологий. [215]
Начиная с середины-конца 2010-х годов, многие элементы политики США в области климата и окружающей среды были направлены на использование потенциала смягчения последствий изменения климата , связанного с секвестрацией углерода. Многие из этих мер политики предусматривают либо сохранение экосистем-поглотителей углерода, таких как леса и водно-болотные угодья, либо поощрение методов ведения сельского хозяйства и землепользования, направленных на увеличение улавливания углерода, таких как углеродное земледелие или агролесомелиорация , часто посредством финансового стимулирования фермеров и землевладельцев. [ нужна цитата ]
Указ о преодолении климатического кризиса внутри страны и за рубежом, подписанный президентом Джо Байденом 27 января 2021 года, включает в себя несколько упоминаний о секвестрации углерода посредством сохранения и восстановления экосистем-поглотителей углерода, таких как водно-болотные угодья и леса. К ним относятся подчеркивание важности фермеров, землевладельцев и прибрежных сообществ в секвестрации углерода, указание Министерству финансов содействовать сохранению поглотителей углерода с помощью рыночных механизмов и указание Министерству внутренних дел сотрудничать с другими агентствами для создания Гражданского климатического корпуса. среди прочего, увеличить секвестрацию углерода в сельском хозяйстве. [216]
{{cite web}}
: CS1 maint: archived copy as title (link)