stringtranslate.com

Прямая глубоководная закачка углекислого газа

Прямая глубоководная закачка углекислого газа была (ныне заброшенной) технологическим предложением с целью удаления углекислого газа из атмосферы путем прямой закачки в глубины океана для его хранения там на протяжении столетий. На дне океана давление было бы достаточно большим, чтобы CO 2 находился в жидкой фазе. Идея закачки в океан заключалась в том, чтобы иметь стабильные, стационарные бассейны CO 2 на дне океана. Океан потенциально мог бы удерживать более тысячи миллиардов тонн CO 2 . Однако интерес к этому способу хранения углерода значительно снизился примерно с 2001 года из-за опасений по поводу неизвестного воздействия на морскую жизнь , высоких затрат и опасений по поводу его стабильности или постоянства. [1]

Специальный отчет МГЭИК 2005 года подытожил состояние исследований на тот момент. Тогда было обнаружено, что «глубоководное хранение может помочь снизить воздействие выбросов CO2 на биологию поверхностного океана, но за счет воздействия на биологию глубоководного океана». [2] : 279  Кроме того, считалось сомнительным, что общественность примет эту технологию как часть стратегии смягчения последствий изменения климата . [2] : 279 

В Четвертом оценочном докладе МГЭИК в 2007 году эта технология упоминается как хранение в океане . [3] : 287  Однако в настоящее время этот термин используется более широко как часть улавливания и хранения углерода и секвестрации углерода в океане. Например, в Пятом оценочном докладе МГЭИК в 2014 году термин « хранение в океане» больше не упоминается в отчете о методах смягчения последствий изменения климата. [4] В последнем Шестом оценочном докладе МГЭИК в 2022 году также больше не упоминается хранение в океане в таксономии удаления диоксида углерода . [5] : 12–37  Вместо этого теперь больше внимания уделяется управлению синим углеродом в прибрежных зонах.

Контекст

Основные компоненты после растворения углекислого газа в океане

Океаны покрывают чуть более 70% от общей площади поверхности Земли и играют важную роль в климатической системе Земли . [6] Из-за растворимости углекислого газа в воде, CO2 естественным образом растворяется в океанических водах, образуя равновесие . С увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере положение равновесия сдвигает равновесие в сторону, в которой больше CO2 растворяется в воде. Благодаря этому механизму более 500 Гт углекислого газа (что в общей сложности составляет 140 Гт углерода) антропогенных выбросов углекислого газа, выпущенных за последние 200 лет, были поглощены океанами. [6] С ростом концентрации CO2 в атмосфере, выпущенной из - за деятельности человека, по сравнению с уровнями до индустриализации , океаны в настоящее время поглощают 7 Гт углекислого газа в год. [7]

После того, как углекислый газ из атмосферы растворяется в океане, часть углекислого газа реагирует с морской водой, образуя угольную кислоту . [8] Поскольку угольная кислота продолжает взаимодействовать с молекулами воды, образуется карбонат , который увеличивает концентрацию ионов водорода в океане и, следовательно, снижает pH океана . Таким образом, увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере снижает pH океана в процессе, называемом закислением океана . [2]

Концепция целенаправленного закачивания углекислого газа в более глубокие части океана была впервые предложена итальянским физиком Чезаре Маркетти в 1976 году. [9] Считалось, что закачка разбавленного углекислого газа со скоростью 0,37 ГТЧ/год окажет незначительное влияние на pH океана. [2] Закачка разбавленного океана требует мало инфраструктуры по сравнению с другими формами закачки в океан. [8]

Обзор 2022 года пояснил, что: «В 1997 году в Киото, во время КС-3 РКИК ООН , было подписано международное проектное соглашение по изучению прямого впрыска CO2 со спонсорами из Министерства энергетики США , Организации по развитию новых энергетических и промышленных технологий Японии и Норвежского исследовательского совета ». Однако была критика со стороны различных организаций, включая Greenpeace , из-за неизвестных воздействий на глубоководную морскую жизнь и любых правовых последствий. [10] : 262  Эта критика рассматривалась как препятствие примерно с 2003 года.

Аспекты дизайна

Впрыскивание и хранение разбавленного углекислого газа

Впрыск разбавленного углекислого газа требует впрыскивания на глубинах, где углекислый газ может рассеиваться океанскими течениями и перемешиванием океана. При впрыскивании воды взаимодействуют и смешиваются в зависимости от плотности и разбавляют концентрацию углекислого газа. [2] Впрыскивание углекислого газа с лодки распределяет низкие концентрации углекислого газа в открытых водах при движении для увеличения площади рассеивания углекислого газа. Рассеивание углекислого газа с лодки может также происходить с помощью трубы, прикрепленной к судну, впрыскивающей смесь разбавленного углекислого газа в толщу воды. Углекислый газ будет впрыскиваться на глубине 1000 м для уменьшения утечки пузырьков углекислого газа . По мере того, как впрыскиваемые пузырьки углекислого газа поднимаются, рассеивание увеличивается вверх по толще воды. [11]

Исследования показывают, что доставка жидкого углекислого газа по буксируемому трубопроводу (прикрепленному к судну, движущемуся перпендикулярно течению) может минимизировать скопления высококонцентрированных уровней углекислого газа. Доставка по фиксированной трубе будет ограничена небольшим регионом океана и, в свою очередь, мгновенно убьет чувствительные виды, населяющие этот регион. Ученые сходятся во мнении, что поглощение углекислого газа океаном не является долгосрочным планом, на который можно положиться, но может решить непосредственные проблемы с атмосферой, если будет реализовано временно. Ученые полагают, что можно разработать способы выброса углекислого газа со скоростью, которая будет напоминать естественные колебания углекислого газа в океанах. [12]

Выброс твердого углекислого газа на глубине

Хранение углекислого газа в океане может происходить посредством твердого или твердого гидрата углекислого газа . Плотность твердого состояния углекислого газа примерно в 1,5 раза больше, чем у морской воды, и поэтому он имеет тенденцию опускаться на дно океана. Скорость растворения на поверхности составляет около 0,2 см/ч, так что небольшое количество углекислого газа может полностью раствориться до того, как достигнет морского дна. [2] Помимо закачки твердого углекислого газа, еще одним популярным методом хранения является гидрат углекислого газа [13] . Образование гидрата происходит, когда концентрация растворенного жидкого углекислого газа составляет около 30% и на глубине 400 метров ниже уровня моря. Гидраты образуются как внешний слой вокруг капель жидкого углекислого газа или как твердая масса. [14] Молекулярный состав состоит из углекислого газа и воды, углекислый газ•nH2O ( n ≈ 5,75). [8] Полученная плотность плотнее морской воды примерно на 10%. По сравнению с жидким углекислым газом, гидратная форма растворяется в морской воде значительно медленнее, также со скоростью около 0,2 см/час. [14] Кроме того, гидрат остается неподвижным на морском дне и образует гидратную шапку, заставляя жидкий углекислый газ двигаться только вбок. [15]

Общая молекулярная стабильность зависит от температуры и давления окружающей среды, и гидраты диссоциируют только при прямом контакте с дополнительным теплом и водой при концентрациях ниже их равновесной концентрации. [16] Однако из-за своей кристаллической структуры чистый гидрат не перемещается по трубам. Учитывая, что 100% эффективности достичь крайне сложно, в действительности как лабораторные, так и полевые эксперименты показывают, что эффективность реакции погружения составляет приблизительно 15–25%. [8] Любой вид нестабильности гидратов, вероятно, вызовет растворение и дисперсию во время процесса спуска или закачки. [15]

Шлейфы углекислого газа

Исследователи смогли показать в лабораторных условиях и в небольших экспериментах in situ, что углекислый газ может быть введен в океаны в виде восходящих или нисходящих шлейфов. [2] Шлейф будет тонуть, если он плотнее морской воды. Это должно произойти, если шлейф, смесь углекислого газа и морской воды, будет введен на глубине 3 км. [8] По мере того, как шлейф движется вертикально, он будет растворяться, по крайней мере, частично из-за конвективного массопереноса с проходящей морской водой. Растворение увеличивается за счет увеличения потоков, перпендикулярных вертикальному водному столбу, содержащему шлейф, из-за увеличения конвективного массопереноса. Для нисходящих шлейфов желательны минимальные горизонтальные потоки, чтобы шлейф мог опускаться на дно океана для более долгосрочного секвестрирования. Противоположное желательно для восходящих шлейфов, которые, подобно другим ранее упомянутым методам хранения разбавленного океана, полагаются на рассеивание, чтобы сделать изменение концентрации углекислого газа в океане достаточно низким, чтобы не оказывать существенного влияния на морскую биосферу. [17]

Предлагаемый метод инъекции — это капли сверхкритического диоксида углерода, смешанные с морской водой. Шлейфы могут быть спроектированы для растворения с разной скоростью в зависимости от размера, концентрации и скорости инъекции капель диоксида углерода/морской воды. Для восходящих шлейфов, которые полагаются на растворение для секвестрации диоксида углерода, меньшая капля с большей скоростью инъекции лучше, поскольку она приводит к более быстрому растворению. Тонущие шлейфы в идеале образуют озера диоксида углерода на дне океана для более долгосрочного секвестрирования. [2]

Озера углекислого газа

Озера углекислого газа образуются на дне океана в углублениях или впадинах морского дна. Эти озера изолируют углекислый газ посредством изоляции. Глубокий океан имеет очень медленную скорость смешивания с поверхностным океаном. Кроме того, поверхность озера углекислого газа образует слой кристаллических гидратов, которые замедляют растворение углекислого газа в вышележащем океане. Конвективное движение над поверхностью озера из-за штормов на дне океана или обычных морских течений увеличит растворение. Без какого-либо объемного потока над озером срок хранения углекислого газа составляет 10 000 лет для озера глубиной 50 м. Это число уменьшается более чем в 25 раз с течениями от штормов на дне океана. [2]

Места будут выбираться на основе глубины дна океана, сейсмической и вулканической активности, а также наличия отложений CaCO 3 , которые могут увеличить скорость минерализации углерода. [18] Некоторые места, предложенные для хранения на глубине более 6 км, включают индонезийский желоб Зонда , японский желоб Рюкю и желоб Пуэрто-Рико . [16]

Использование клатратных гидратов

Использование клатратных гидратов может быть реализовано для снижения скорости растворения углекислого газа. [19] [20] Гидраты придают углекислому газу отрицательную плавучесть, что позволяет производить инъекцию на поверхностных уровнях, а не через трубопроводы. [21] Эксперименты показали, что использование клатратных гидратов минимизирует скорость, с которой инжектируемый углекислый газ распространяется по дну океана. [12] Оказалось, что эта скорость минимизирует воздействие на глубоководные организмы. [19] Целостность гидратов в значительной степени зависит от величины океанического течения в месте инъекции. [20] Углекислый газ растворяется в поверхностных водах до того, как гидрат успевает опуститься в глубокие слои океана (10–55% углекислого газа остаются прилипшими к гидрату на глубине 1500 м в океане). [19] В лабораторных экспериментах непрерывные потоки гидратов пока не были достигнуты. [12]

Расходы

По оценкам 2007 года, затраты на эту технологию составляли 5-30 долларов США за тонну чистого закачанного CO 2. Эта оценка затрат была «включая морскую транспортировку на расстояние от 100 до 500 км». [3] : 287 

По оценкам Программы исследований и разработок МЭА по парниковым газам, закачка разбавленного диоксида углерода обойдется в 70 долларов за тонну диоксида углерода, включая расходы на улавливание, транспортировку и хранение углерода перед его выбросом на судне. [22]

Вызовы

В 2006 году проблемы были обобщены следующим образом: «неизвестные биологические воздействия, высокие затраты, непостоянство хранения в океане и опасения относительно общественного признания». [1] Проблема непостоянства связана с тем, что в течение нескольких сотен лет закачиваемый CO2 снова придет в равновесие с атмосферой. [3] : 285 

Оценка 2013 года резюмировала состояние дел следующим образом: Объективно опасения по поводу прямого удаления CO 2 из океана необоснованны; было бы слишком дорого, слишком спорно и технически сложно переносить большие объемы CO 2 на большую глубину. Но в любом случае такие усилия будут ничтожны по сравнению с примерно 1 миллионом тонн ископаемого топлива CO 2 в час, которое сейчас переносится из воздуха в море. Тем не менее, срочные обсуждения вокруг концепции прямого удаления CO 2 из океана значительно помогли современному научному пониманию воздействия повышенного CO 2 на океан. [23]

Воздействие на окружающую среду

Исследователи изучают, как экосистемы подвергаются влиянию до и после инъекции жидкого углекислого газа посредством «исследований процессов, обследований биогеохимических трассеров и исследований дна океана». [2] Проблема возникает из-за пространственного диапазона океана и временного масштаба, в котором будут происходить эффекты, что затрудняет точное обнаружение этих эффектов. [20] Существует очень ограниченное знание о том, какие организмы и экосистемы существуют в этой неисследованной области и взаимозависимости таких экосистем. [20] Следующее относится конкретно к глубоководной секвестрации океана посредством разбавленной инъекции, но затрагивает альтернативные методы (инъекция с помощью буксируемого трубопровода, инъекция с помощью стационарного трубопровода, использование гидратов). Из-за размера океана прогнозы и выводы относительно экологического риска этого процесса секвестрации основаны на мелкомасштабных экспериментах, которые были экстраполированы, чтобы показать возможные результаты в масштабе, таком большом, как океан. [2]

Глубоководная биота

Секвестрация океана в глубоководных отложениях может повлиять на жизнь в глубоководье. Химический и физический состав глубоководья не претерпевает изменений, как это происходит в поверхностных водах. [2] Из-за ограниченного контакта с атмосферой большинство организмов развивались с очень небольшим физическим и химическим воздействием и подвергались минимальному уровню углекислого газа. [2] Большую часть своей энергии они получают, питаясь твердыми частицами, которые спускаются с поверхности воды океана и его экосистем. [2] Глубоководные экосистемы не имеют высоких темпов воспроизводства и не рождают много потомства из-за ограниченного доступа к кислороду и питательным веществам. [2] В частности, виды, обитающие на глубине 2000–3000 м в океане, имеют небольшие, разнообразные популяции. [2] Введение смертельных количеств углекислого газа в среду обитания такого вида может оказать серьезное влияние на размер популяции и потребует больше времени для восстановления по сравнению с видами, обитающими на поверхности воды. [21]

Долгосрочные эффекты

Если глубоководная секвестрация океана станет обычной практикой, долгосрочные эффекты будут продолжать изучаться для прогнозирования будущих сценариев воздействия углекислого газа на глубоководье. [21] Океаническая секвестрация жидкого углекислого газа не только повлияет на глубоководные экосистемы, но и в долгосрочной перспективе начнет влиять на виды, обитающие на поверхности воды. [21]

Хотя долгосрочные эффекты наиболее важны для понимания, их также сложнее всего точно предсказать из-за масштабов океана и разнообразия видовой чувствительности к повышенному уровню углекислого газа. Поверхностные морские организмы были лучше изучены, чем глубоководные животные, с точки зрения последствий из-за длительного воздействия углекислого газа, и было доказано, что они испытывают меньшую кальцификацию и повреждение скелетов. [2] Это более серьезно влияет на смертность и скорость роста панцирных животных. [2] Взрослые рыбы показали замечательную толерантность к повышенному уровню углекислого газа, только когда растворение углекислого газа происходило с медленной скоростью. [21] Развивающиеся рыбы показали меньшую толерантность, чем их взрослые сородичи. [21]

Сторонники секвестрации океана утверждают, что из-за размера океана инъекции разбавленного углекислого газа не будут достаточными для создания фактического воздействия на экосистемы и что виды могут в конечном итоге эволюционировать к этим повышенным уровням углекислого газа. [2] Способность глубоководных организмов адаптироваться к инъекции углекислого газа не была исследована, и гипотеза о том, что они будут эволюционировать со временем, не имеет научной поддержки. [2] Научные исследования показывают, что места инъекции пространственно специфичны, и экосистемы, которые случайно населяют место инъекции, могут пострадать от немедленных последствий. [24] Пострадавшие районы испытают закисление из-за повышенных уровней бикарбоната и, в свою очередь, снижения уровней карбоната кальция. [24] Это приведет к более быстрому растворению отложений и раковин организмов. [2]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Benson, SM; Surles, T. (2006-10-01). «Улавливание и хранение углекислого газа: обзор с акцентом на улавливание и хранение в глубоких геологических формациях». Труды IEEE . 94 (10): 1795–1805. doi :10.1109/JPROC.2006.883718. ISSN  0018-9219. S2CID  27994746. Архивировано из оригинала 11 июня 2020 г. Получено 10 сентября 2019 г.
  2. ^ abcdefghijklmnopqrstu IPCC, 2005: Специальный доклад IPCC об улавливании и хранении диоксида углерода. Подготовлено Рабочей группой III Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Metz, B., O. Davidson, HC de Coninck, M. Loos и LA Meyer (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 442 стр.
  3. ^ abc IPCC, 2007: Изменение климата 2007: Смягчение последствий. Вклад Рабочей группы III в Четвертый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [B. Metz, OR Davidson, PR Bosch, R. Dave, LA Meyer (ред.)], Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
  4. ^ МГЭИК, 2014: Изменение климата 2014: Смягчение последствий изменения климата. Вклад Рабочей группы III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [Эденхофер, О., Р. Пикс-Мадруга, И. Сокона, Э. Фарахани, С. Каднер, К. Сейбот, А. Адлер, И. Баум, С. Бруннер, П. Эйкемайер, Б. Криманн, Дж. Саволайнен, С. Шлёмер, К. фон Штехов, Т. Цвикель и Дж. К. Минкс (ред.)]. Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
  5. ^ IPCC (2022) Глава 12: Межсекторальные перспективы Архивировано 13 октября 2022 г. в Wayback Machine в Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Вклад Рабочей группы III в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата Архивировано 2 августа 2022 г. в Wayback Machine , Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США
  6. ^ ab "6. Может ли CO2 храниться в глубинах океана?".
  7. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2018-06-12 . Получено 2018-12-08 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
  8. ^ abcde Адамс, Э. Эрик и Кен Калдейра. «Хранение CO 2 в океане ». Elements , т. 4, октябрь 2008 г., стр. 319–324., doi:10.2113/gselements.4.5.319.
  9. ^ Маркетти, Чезаре (март 1977 г.). «О геоинженерии и проблеме CO2» (PDF) . Изменение климата . 1 (1): 59–68. Bibcode : 1977ClCh....1...59M. doi : 10.1007/bf00162777. ISSN  0165-0009. S2CID  153503699.
  10. ^ Стратегия исследований по удалению и секвестрации углекислого газа в океане . 2022. doi : 10.17226/26278. ISBN 978-0-309-08761-2. PMID  35533244. S2CID  245089649.
  11. ^ Херцог, Ховард; Калдейра, Кен; Адамс, Эрик. «Секвестрация углерода посредством прямого впрыска» (PDF) . MIT.
  12. ^ abc Israelsson, Peter H.; Chow, Aaron C.; Eric Adams, E. (2009-02-01). «Обновленная оценка острых последствий секвестрации углерода в океане путем прямого впрыскивания». Energy Procedia . 1 (1): 4929–4936. doi : 10.1016/j.egypro.2009.02.324 . ISSN  1876-6102.
  13. ^ Хассанпурьюзбанд, Алиакбар; Джунаки, Эдрис; Вашигани Фарахани, Мехрдад; Такея, Сатоши; Руппель, Кэролин; Янг, Джинхай; Дж. Инглиш, Ниалл; М. Шикс, Джудит; Эдлманн, Катриона; Мехрабиан, Хади; М. Аман, Захари; Тохиди, Бахман (2020). «Газовые гидраты в устойчивой химии». Обзоры химического общества . 49 (15): 5225–5309. doi : 10.1039/C8CS00989A . hdl : 1912/26136 . PMID  32567615. S2CID  219971360.
  14. ^ ab ROCHELLE, C. (2003). "ГИДРАТ CO2 И ПОДЗЕМНОЕ ХРАНЕНИЕ" (PDF) . Опубликованная диссертация .
  15. ^ ab Capron, Mark (26 июля 2013 г.). "Безопасное хранение CO2 на морском дне" (PDF) . Опубликованная диссертация . Архивировано из оригинала (PDF) 5 июля 2016 г. . Получено 4 декабря 2018 г. .
  16. ^ ab Goldthorpe, Steve (01.07.2017). «Потенциал хранения CO2 на большой глубине океана без закисления океана: дискуссионный документ». Energy Procedia . 114 : 5417–5429. doi : 10.1016/j.egypro.2017.03.1686 . ISSN  1876-6102.
  17. ^ Алендаль, Гутторм; Дранге, Хельге (2001-01-15). «Двухфазное моделирование ближнего поля целенаправленно выпущенного CO2 в океане». Журнал геофизических исследований: Океаны . 106 (C1): 1085–1096. Bibcode : 2001JGR...106.1085A. doi : 10.1029/1999jc000290 . hdl : 1956/650 . ISSN  0148-0227.
  18. ^ Буллис, Кевин. «Хранение углекислого газа под океаном». MIT Technology Review . Получено 2018-12-03 .
  19. ^ abc Брюэр, Питер Г. «Прямая инъекция углекислого газа в океаны». Дилемма углекислого газа: перспективные технологии и политика. (2003)
  20. ^ abcd Сантильо, Дэвид., Джонстон, Пол. (3 декабря 2018 г.). «Улавливание и секвестрация углерода: потенциальные воздействия на окружающую среду». CiteSeerX 10.1.1.577.6246 .  {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  21. ^ abcdef Израэльссон, Питер Х.; Чоу, Аарон К.; Эрик Адамс, Э. (2009). «Обновленная оценка острых последствий секвестрации углерода в океане путем прямого впрыскивания». Energy Procedia . 1 : 4929–4936. doi : 10.1016/j.egypro.2009.02.324 .
  22. ^ "Хранение CO2 в океане" (PDF) . ieaghg.org . Программа исследований и разработок МЭА по парниковым газам.
  23. ^ Брюэр, ПГ (2013). «Краткая история науки о закислении океана в 20 веке: взгляд химика». Biogeosciences . 10 (11): 7411–7422. doi : 10.5194/bg-10-7411-2013 . ISSN  1726-4170. Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  24. ^ ab Azeem, Babar; KuShaari, KuZilati; Man, Zakaria B.; Basit, Abdul; Thanh, Trinh H. (май 2014 г.). «Обзор материалов и методов производства мочевинного удобрения с контролируемым высвобождением». Journal of Controlled Release . 181 : 11–21. doi :10.1016/j.jconrel.2014.02.020. ISSN  0168-3659. PMID  24593892.