Удаление углекислого газа ( CDR ) — это процесс, в котором углекислый газ (CO2 ) удаляется из атмосферы в результате преднамеренной деятельности человека и надолго сохраняется в геологических, наземных или океанических резервуарах или в продуктах. [3] : 2221 Этот процесс также известен как удаление углерода , удаление парниковых газов или отрицательные выбросы . CDR все чаще интегрируется в климатическую политику как элемент стратегий смягчения последствий изменения климата . [4] [5] Достижение чистых нулевых выбросов потребует в первую очередь глубоких и устойчивых сокращений выбросов, а затем — в дополнение — использования CDR («CDR — это то, что переводит чистую часть в чистые нулевые выбросы» [6] ). В будущем CDR может быть в состоянии уравновесить выбросы, которые технически трудно устранить, такие как некоторые сельскохозяйственные и промышленные выбросы. [7] : 114
CDR включает методы, которые реализуются на суше или в водных системах. Наземные методы включают лесонасаждение , лесовосстановление , сельскохозяйственные практики, которые секвестрируют углерод в почвах ( углеродное фермерство ), биоэнергетику с улавливанием и хранением углерода (BECCS) и прямое улавливание воздуха в сочетании с хранением. [7] [8] Существуют также методы CDR, которые используют океаны и другие водоемы. Они называются удобрением океана , повышением щелочности океана , [9] восстановлением водно-болотных угодий и подходами синего углерода . [7] Необходимо провести подробный анализ, чтобы оценить, сколько отрицательных выбросов достигает конкретный процесс. Этот анализ включает анализ жизненного цикла и «мониторинг, отчетность и проверку» ( MRV ) всего процесса. [10] Улавливание и хранение углерода (CCS) не считаются CDR, поскольку CCS не снижает количество углекислого газа, уже находящегося в атмосфере .
По оценкам, к 2023 году CDR будет удалять около 2 гигатонн CO2 в год. [11] Это эквивалентно примерно 4% парниковых газов, выбрасываемых в атмосферу в результате деятельности человека в год. [12] : 8 Существует потенциал для удаления и связывания до 10 гигатонн углекислого газа в год с использованием тех методов CDR, которые можно безопасно и экономично применять уже сейчас. [12] Однако точное определение количества углекислого газа, удаляемого из атмосферы с помощью CDR, затруднительно.
Удаление углекислого газа (CDR) определяется МГЭИК как: «Антропогенная деятельность, удаляющая CO2 из атмосферы и надолго сохраняющая его в геологических, наземных или океанических резервуарах или в продуктах. Она включает существующее и потенциальное антропогенное улучшение биологических или геохимических поглотителей и прямое улавливание и хранение воздуха, но исключает естественное поглощение CO2, не вызванное напрямую деятельностью человека». [3] : 2221
Синонимы CDR включают удаление парниковых газов (GGR), [13] технологию отрицательных выбросов [12] и удаление углерода . [14] Были предложены технологии для удаления парниковых газов, отличных от CO2 , таких как метан, из атмосферы, [15] но в настоящее время только углекислый газ можно удалить в больших масштабах. [13] Поэтому в большинстве случаев удаление парниковых газов означает удаление углекислого газа .
Термин геоинженерия (или климатическая инженерия ) иногда используется в научной литературе как для CDR, так и для SRM ( управление солнечной радиацией ), если эти методы используются в глобальном масштабе. [16] : 6–11 Термины геоинженерия или климатическая инженерия больше не используются в отчетах МГЭИК. [3]
Методы CDR можно отнести к разным категориям, основанным на разных критериях: [7] : 114
CDR можно спутать с улавливанием и хранением углерода (CCS), процессом, в котором углекислый газ собирается из точечных источников, таких как газовые электростанции , чьи дымовые трубы выбрасывают CO2 в концентрированном потоке. Затем CO2 сжимается и изолируется или утилизируется. [17] При использовании для улавливания углерода из газовой электростанции CCS сокращает выбросы от постоянного использования точечного источника, но не уменьшает количество углекислого газа, уже находящегося в атмосфере .
Использование CDR снижает общую скорость, с которой люди добавляют углекислый газ в атмосферу. [7] : 114 Температура поверхности Земли стабилизируется только после того, как глобальные выбросы будут сокращены до чистого нуля , [18] что потребует как агрессивных усилий по сокращению выбросов , так и развертывания CDR. [7] : 114 Свести чистые выбросы к нулю без CDR невозможно, поскольку некоторые типы выбросов технически трудно устранить. [19] : 1261 Выбросы, которые трудно устранить, включают выбросы закиси азота от сельского хозяйства, [7] : 114 авиационные выбросы, [12] : 3 и некоторые промышленные выбросы. [7] : 114 В стратегиях смягчения последствий изменения климата использование CDR уравновешивает эти выбросы. [7] : 114
После достижения нулевых чистых выбросов CDR можно будет использовать для снижения концентрации CO2 в атмосфере , что может частично обратить вспять потепление, которое уже произошло к этой дате. [19] Все пути выбросов, ограничивающие глобальное потепление до 1,5 °C или 2 °C к 2100 году, предполагают использование CDR в сочетании с сокращением выбросов. [20] [21]
Критики отмечают, что CDR не следует рассматривать как замену требуемых сокращений выбросов парниковых газов. Океанограф Дэвид Хо сформулировал это так в 2023 году: «Мы должны прекратить говорить о развертывании CDR как решения сегодня, когда выбросы остаются высокими — как будто это каким-то образом заменяет радикальное, немедленное сокращение выбросов». [6]
В 2018 году зависимость от крупномасштабного развертывания CDR рассматривалась как «основной риск» для достижения цели потепления менее чем на 1,5 °C, учитывая неопределенность относительно того, насколько быстро CDR может быть развернута в масштабе. [22] Стратегии смягчения последствий изменения климата, которые в меньшей степени полагаются на CDR и в большей степени на устойчивое использование энергии, несут в себе меньший риск. [22] [23]
Возможность крупномасштабного развертывания CDR в будущем была описана как моральный риск , поскольку это может привести к сокращению краткосрочных усилий по смягчению последствий изменения климата. [21] : 124 [12] Однако в отчете NASEM за 2019 год делается вывод: «Любой аргумент в пользу отсрочки усилий по смягчению последствий, поскольку сети обеспечат поддержку, радикально искажает их текущие возможности и вероятные темпы научно-исследовательского прогресса». [12]
CDR призван дополнять усилия в секторах, которые трудно сократить, а не заменять смягчение последствий. Ограничение изменения климата до 1,5°C и достижение нулевых выбросов повлечет за собой существенное удаление углекислого газа (CDR) из атмосферы к середине столетия, но неясно, сколько CDR потребуется на уровне страны с течением времени. Справедливое распределение CDR во многих случаях превышает предполагаемые возможности земли и хранения углерода. Во многих странах либо недостаточно земли для внесения справедливой доли глобального CDR, либо недостаточно геологической емкости хранения. [24]
Эксперты также подчеркивают социальные и экологические ограничения для удаления углекислого газа, такие как требуемая площадь земли. Например, совокупные потребности в земле для планов удаления в соответствии с глобальными Национально определяемыми вкладами в 2023 году составили 1,2 млрд гектаров, что равно совокупному размеру мировых пахотных земель. [25]
Леса, водорослевые заросли и другие формы растительной жизни поглощают углекислый газ из воздуха по мере своего роста и связывают его в биомассу. Однако эти биологические хранилища считаются нестабильными поглотителями углерода , поскольку долгосрочное удержание не может быть гарантировано. Например, природные явления, такие как лесные пожары или болезни, экономическое давление и изменение политических приоритетов могут привести к тому, что удержанный углерод будет выброшен обратно в атмосферу. [26]
Биомасса, например, деревья, может напрямую храниться в недрах Земли. [27] Кроме того, углекислый газ, который был удален из атмосферы, может храниться в земной коре путем его инъекции в недра или в форме нерастворимых карбонатных солей. Это происходит потому, что они удаляют углерод из атмосферы и изолируют его на неопределенный срок и, предположительно, на значительный срок (тысячи-миллионы лет).
По оценкам, к 2023 году CDR будет удалять около 2 гигатонн CO2 в год, почти полностью за счет низкотехнологичных методов, таких как лесовосстановление и создание новых лесов. [11] Это эквивалентно 4% парниковых газов, выбрасываемых в год в результате деятельности человека. [12] : 8 В отчете о консенсусном исследовании NASEM за 2019 год оценивался потенциал всех форм CDR, кроме удобрения океана , которые можно было бы безопасно и экономично внедрить с использованием современных технологий, и подсчитано, что они могли бы удалять до 10 гигатонн CO2 в год, если бы были полностью развернуты по всему миру. [12] В 2018 году все проанализированные пути смягчения , которые предотвратили бы потепление более чем на 1,5 °C, включали меры CDR. [22]
Некоторые пути смягчения предлагают достичь более высоких показателей CDR посредством массового внедрения одной технологии, однако эти пути предполагают, что сотни миллионов гектаров пахотных земель будут преобразованы в выращивание биотопливных культур. [12] Дальнейшие исследования в областях прямого улавливания воздуха , геологического связывания углекислого газа и минерализации углерода потенциально могут привести к технологическим достижениям, которые сделают более высокие показатели CDR экономически осуществимыми. [12]
Ниже приведен список известных методов CDR в порядке их уровня технологической готовности (TRL). Те, что находятся наверху, имеют высокий TRL от 8 до 9 (9 — максимально возможное значение, означающее, что технология проверена), те, что находятся внизу, имеют низкий TRL от 1 до 2, означающий, что технология не проверена или проверена только в лабораторных масштабах. [7] : 115
Методы CDR с наибольшим потенциалом для содействия усилиям по смягчению последствий изменения климата в соответствии с иллюстративными путями смягчения последствий - это методы CDR на основе биологического землепользования (в первую очередь облесение/лесовозобновление (A/R)) и/или биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (BECCS). Некоторые из путей также включают прямой захват и хранение воздуха (DACCS). [7] : 114
Деревья используют фотосинтез для поглощения углекислого газа и сохранения углерода в древесине и почве. [14] Лесонасаждение — это создание леса на территории, где ранее не было леса. [19] : 1794 Лесовозобновление — это восстановление леса, который был ранее вырублен. [19] : 1812 Леса жизненно важны для человеческого общества, животных и видов растений. Это связано с тем, что деревья поддерживают чистоту воздуха, регулируют местный климат и обеспечивают среду обитания для многочисленных видов. [28]
По мере роста деревьев они поглощают CO2 из атмосферы и сохраняют его в живой биомассе, мертвом органическом веществе и почвах . Лесонасаждение и лесовозобновление – иногда называемые в совокупности «лесонасаждением» – облегчают этот процесс удаления углерода путем создания или восстановления лесных зон. Лесам требуется около 10 лет, чтобы достичь максимальной скорости поглощения. [29] : 26–28
В зависимости от вида деревья достигают зрелости примерно через 20–100 лет, после чего они накапливают углерод, но не удаляют его активно из атмосферы. [29] : 26–28 Углерод может храниться в лесах неограниченно долго, но хранение может быть и гораздо более кратковременным, поскольку деревья уязвимы для вырубки, сжигания или гибели от болезней или засухи. [29] : 26–28 После созревания лесные продукты можно собирать, а биомассу хранить в долговечных древесных продуктах или использовать для получения биоэнергии или биоугля . Последующее возобновление роста лесов затем позволяет продолжать удаление CO 2. [29] : 26–28
Риски, связанные с размещением новых лесов, включают доступность земли, конкуренцию с другими видами землепользования и сравнительно длительный период времени от посадки до созревания. [29] : 26–28
Углеродное земледелие представляет собой набор сельскохозяйственных методов, направленных на сохранение углерода в почве , корнях сельскохозяйственных культур, древесине и листьях. Общая цель углеродного земледелия заключается в создании чистой потери углерода из атмосферы. [30] Это достигается путем увеличения скорости, с которой углерод поглощается почвой и растительным материалом. Одним из вариантов является увеличение содержания органического вещества в почве . Это также может способствовать росту растений, улучшить способность почвы удерживать воду [31] и сократить использование удобрений . [32] Устойчивое управление лесами является еще одним инструментом, который используется в углеродном земледелии. [33]
Сельскохозяйственные методы для углеродного земледелия включают корректировку того, как выполняется обработка почвы и выпас скота, использование органической мульчи или компоста , работа с биоуглем и terra preta , а также изменение типов культур. Методы, используемые в лесном хозяйстве, включают, например, лесовосстановление и выращивание бамбука . Углеродное земледелие не лишено своих проблем или недостатков. Это связано с тем, что некоторые из его методов могут влиять на экосистемные услуги . Например, углеродное земледелие может привести к увеличению расчистки земель, монокультур и потере биоразнообразия . [34]
Биоуголь создается путем пиролиза биомассы и исследуется как метод секвестрации углерода . Биоуголь — это древесный уголь, который используется в сельскохозяйственных целях, а также способствует секвестрации углерода , захвату или удержанию углерода. Он создается с помощью процесса , называемого пиролизом, который по сути является актом высокотемпературного нагрева биомассы в среде с низким уровнем кислорода. Остается материал, известный как уголь, похожий на древесный уголь, но произведенный с помощью устойчивого процесса, таким образом, использования биомассы. [36] Биомасса — это органическое вещество, произведенное живыми организмами или недавно живыми организмами, чаще всего растениями или растительными материалами. [37] Исследование, проведенное Британским исследовательским центром биоугля, показало, что на консервативном уровне биоуголь может хранить 1 гигатонну углерода в год. При больших усилиях по маркетингу и принятию биоугля преимуществом удаления углерода из биоугля может стать хранение 5–9 гигатонн в год в почвах. [38] [ необходим лучший источник ] Однако в настоящее время биоуголь ограничен емкостью хранения углерода на Земле, когда система достигает состояния равновесия, и требует регулирования из-за угроз утечки. [39]
Существует несколько методов секвестрации углерода из океана, где растворенный карбонат в форме угольной кислоты находится в равновесии с атмосферным углекислым газом. [9] К ним относится удобрение океана , целенаправленное введение питательных веществ для растений в верхние слои океана. [42] [43] Хотя удобрение океана является одним из наиболее хорошо изученных подходов к удалению углекислого газа, оно будет секвестрировать углерод только в масштабе времени 10-100 лет. В то время как кислотность поверхностного океана может снизиться в результате удобрения питательными веществами, тонущие органические вещества будут реминерализоваться, увеличивая кислотность глубокого океана. Отчет о CDR за 2021 год указывает на то, что существует средне-высокая уверенность в том, что этот метод может быть эффективным и масштабируемым при низких затратах со средними экологическими рисками. [44] По оценкам, удобрение океана способно секвестрировать от 0,1 до 1 гигатонны углекислого газа в год при стоимости от 8 до 80 долларов США за тонну. [9]
Повышение щелочности океана включает измельчение, диспергирование и растворение минералов, таких как оливин, известняк, силикаты или гидроксид кальция, для осаждения карбоната, удерживаемого в виде отложений на дне океана. [45] Потенциал удаления повышения щелочности не определен и оценивается в пределах от 0,1 до 1 гигатонны углекислого газа в год при стоимости от 100 до 150 долларов США за тонну. [9]
Электрохимические методы, такие как электродиализ, могут удалять карбонат из морской воды с помощью электричества. Хотя такие методы, используемые изолированно, по оценкам, способны удалять от 0,1 до 1 гигатонны углекислого газа в год по цене от 150 до 2500 долларов США за тонну, [9] эти методы намного менее затратны, если выполняются в сочетании с обработкой морской воды, такой как опреснение , где соль и карбонат удаляются одновременно. [46] Предварительные оценки показывают, что стоимость такого удаления углерода может быть оплачена в значительной степени, если не полностью, за счет продажи опресненной воды, произведенной в качестве побочного продукта. [47]
Стоимость CDR существенно различается в зависимости от зрелости используемой технологии, а также от экономики как рынков добровольного удаления углерода, так и физического объема производства; например, пиролиз биомассы производит биоуголь, который имеет различные коммерческие применения, включая регенерацию почвы и очистку сточных вод. [48] В 2021 году стоимость DAC составляла от 250 до 600 долларов за тонну по сравнению со 100 долларами за биоуголь и менее 50 долларами за решения на основе природных ресурсов, такие как лесовосстановление и лесоразведение. [49] [50] Тот факт, что биоуголь имеет более высокую цену на рынке удаления углерода, чем решения на основе природных ресурсов, отражает тот факт, что он является более долговечным поглотителем, поскольку углерод улавливается в течение сотен или даже тысяч лет, в то время как решения на основе природных ресурсов представляют собой более изменчивую форму хранения, что сопряжено с рисками, связанными с лесными пожарами, вредителями, экономическим давлением и изменением политических приоритетов. [51] В Оксфордских принципах компенсации выбросов углерода, согласованных с нулевым уровнем, указано, что для соответствия Парижскому соглашению: «...организации должны взять на себя обязательство постепенно увеличивать процент компенсации за удаление углерода, которую они закупают, с целью исключительного обеспечения удаления углерода к середине столетия». [51] Эти инициативы наряду с разработкой новых отраслевых стандартов для инженерного удаления углерода, таких как стандарт Puro, помогут поддержать рост рынка удаления углерода. [52]
Хотя с 2021 года CDR не покрывается квотами ЕС , Европейская комиссия готовится к сертификации по удалению углерода и рассматривает углеродные контракты на разницу . [53] [54] CDR также может быть в будущем добавлен в Схему торговли выбросами Великобритании . [55] По состоянию на конец 2021 года цены на углерод для обеих этих схем ограничения и торговли, в настоящее время основанных на сокращении углерода, а не на удалении углерода, оставались ниже 100 долларов США. [56] [57] После распространения целевых показателей чистого нуля CDR играет более важную роль в ключевых развивающихся экономиках (например, в Бразилии, Китае и Индии) [58]
По состоянию на начало 2023 года финансирование не достигло сумм, необходимых для того, чтобы высокотехнологичные методы CDR внесли значительный вклад в смягчение последствий изменения климата. Хотя доступные средства в последнее время существенно увеличились. Большая часть этого увеличения была получена за счет добровольных инициатив частного сектора. [59] Например, альянс частного сектора во главе с Stripe с видными членами, включая Meta , Google и Shopify , который в апреле 2022 года открыл фонд размером почти в 1 миллиард долларов для вознаграждения компаний, способных постоянно улавливать и хранить углерод. По словам старшего сотрудника Stripe Нэн Рансохофф, фонд был «примерно в 30 раз больше рынка удаления углерода, который существовал в 2021 году. Но он все еще в 1000 раз меньше рынка, который нам нужен к 2050 году». [60] Преобладание финансирования частного сектора вызвало обеспокоенность, поскольку исторически добровольные рынки оказались «на порядки величин» [59] меньше, чем те, которые были созданы государственной политикой. Однако по состоянию на 2023 год различные правительства увеличили свою поддержку CDR; К ним относятся Швеция, Швейцария и США. Недавняя активность правительства США включает уведомление о намерении в июне 2022 года о финансировании программы CDR на сумму 3,5 млрд долларов в рамках Двухпартийного закона об инфраструктуре и подписание закона о снижении инфляции 2022 года , который содержит налог 45Q для расширения рынка CDR. [59] [61]
Хотя некоторые исследователи предложили методы удаления метана , другие говорят, что закись азота была бы лучшим объектом для исследования из-за ее более длительного существования в атмосфере. [62]