Dwutlenek węgla (CO2) stanowi naturalną część atmosfery ziemskiej. Ten gaz jest głównym produktem oddychania wszystkich organizmów żywych oraz wynikiem procesów spalania substancji zawierających węgiel, takich jak paliwa kopalne i biomasa. CO2 odgrywa również kluczową rolę w fotosyntezie. Jest absorbowany przez rośliny, które przekształcają go w tlen.
Efekt cieplarniany jest naturalnym procesem, w którym gazy w atmosferze Ziemi, takie jak CO2, metan (CH4) i podtlenek azotu (N2O), zatrzymują część promieniowania słonecznego odbitego od powierzchni Ziemi, zapobiegając jego ucieczce w przestrzeń kosmiczną. Dzięki temu procesowi temperatura na Ziemi jest na tyle wysoka, aby umożliwić istnienie życia. Niestety, nadmierne emisje CO2, prowadzą do nasilenia efektu cieplarnianego, co z kolei przyczynia się do globalnego ocieplenia i szeroko pojętych zmian klimatycznych.
Dwutlenek węgla – ŹRÓDŁA
Zrozumienie źródeł dwutlenku węgla jest kluczowe dla opracowywania skutecznych strategii zmniejszania jego emisji i łagodzenia zmian klimatycznych.
Jego źródła można podzielić na naturalne i antropogeniczne, czyli wynikające z działalności człowieka.
- Spalanie paliw kopalnych: Jest to najważniejsze antropogeniczne źródło CO2. Spala się paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, aby wyprodukować energię elektryczną, napędzić pojazdy i w przemyśle. Proces ten uwalnia CO2, który przez miliony lat zmagazynowała ziemia.
- Zmiany w użytkowaniu ziemi: Wycinanie lasów i przekształcanie terenów leśnych w obszary rolnicze lub miejskie powoduje uwolnienie CO2 zgromadzonego w roślinności i glebie. Drzewa podczas fotosyntezy pochłaniają CO2, więc ich utrata zmniejsza zdolność Ziemi do pochłaniania tego gazu.
- Przemysł: W produkcji cementu emituje się dwutlenek węgla głównie przez dekarbonizację wapienia (węglanu wapnia, CaCO3) w procesie wypalania klinkieru cementowego. Podczas tego procesu, węglan wapnia rozkłada się, uwalniając CO2. W produkcji stali, szczególnie w tradycyjnych wielkich piecach jest emitowany podczas redukcji rudy żelaza przy użyciu np. koksu.
- Rolnictwo: Chociaż głównym gazem cieplarnianym w rolnictwie jest metan, to działalność rolnicza przyczynia się również do emisji CO2, np. poprzez wykorzystanie maszyn rolniczych i procesy glebowe. Obróbka gleby, w tym orka i spulchnianie, może przyczyniać się do uwolnienia CO2 zgromadzonego w glebie.
- Naturalne źródła: Są to m.in. oddychanie organizmów żywych, rozkład materii organicznej czy erupcje wulkaniczne. Naturalny cykl węglowy zapewnia równowagę między ilością CO2 emitowaną a pochłanianą, jednak działalność ludzka zakłóca tę równowagę. Cykl węglowy to proces, w którym węgiel jest wymieniany między różnymi zbiornikami węgla na Ziemi, w tym atmosferą, hydrosferą (oceanami), biosferą (roślinami, zwierzętami i mikroorganizmami), litosferą (skorupą ziemską) oraz pedosferą (glebą). Jest to fundamentalny proces ekologiczny, który wpływa na klimat Ziemi i życie na naszej planecie.
Dwutlenek węgla – ZARZADZANIE i USUWANIE
Innowacyjne metody pochłaniania dwutlenku węgla mają kluczowe znaczenie w walce ze zmianami klimatycznymi. Postęp technologiczny pozwala na rozwój nowych technik, które są bardziej efektywne i ekonomiczne.
Bioenergia z wychwytywaniem i sekwestracją węgla (BECCS – od ang. Bio-Energy with Carbon Capture and Storage):
Ta metoda łączy spalanie biomasy do produkcji energii z wychwytywaniem CO2. Wychwycony gaz jest następnie bezpiecznie składowany pod ziemią. BECCS ma potencjał nie tylko do zmniejszania emisji CO2, ale nawet do uzyskania ujemnych emisji.
ETAPY:
Produkcja biomasy: Biomasa, czyli materia organiczna pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, jest pozyskiwana jako surowiec. Może to być drewno, odpady rolnicze, algi lub inne organiczne materiały. Jest to pierwszy etap pochłaniania CO2 przez rośliny podczas fotosyntezy.
Konwersja biomasy na energia: Biomasa jest następnie przetwarzana w energię poprzez procesy takie jak spalanie, gazowanie czy fermentacja.
Wychwytywanie CO2: Podczas procesu konwersji, oprócz energii uwalniany jest również dwutlenek węgla. Ten CO2 jest wychwytywany bezpośrednio z gazów powstających w procesie spalania lub przetwarzania biomasy, zanim zostanie on wyemitowany do atmosfery.
Transport i sekwestracja CO2: Wychwycony CO2 jest następnie transportowany, zazwyczaj za pomocą rurociągów, do miejsca, gdzie może być bezpiecznie zmagazynowany. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu geologiczne formacje podziemne, takie jak wyczerpane złoża ropy naftowej lub gazu ziemnego, lub głębokie warstwy solankowe.
Bezpośrednie wychwytywanie CO2 z powietrza (DAC – od ang. Direct Air Capture):
Technologia polega na wykorzystaniu chemicznych filtrów do pochłaniania CO2 bezpośrednio z atmosfery. Jest to wyjątkowo ważne, ponieważ pozwala na usuwanie CO2, które zostało wyemitowane w przeszłości.
ETAPY:
Wychwytywanie CO2 z atmosfery: W DAC, powietrze atmosferyczne jest przepuszczane przez system, który zawiera materiały chemiczne zdolne do absorbowania CO2. Te materiały, znane jako sorbenty, wiążą cząsteczki CO2 z powietrza. Istnieją różne metody absorpcji CO2, w tym na bazie cieczy (aminowych) oraz na bazie stałych materiałów (jak np. węglowe aerogele).
Regeneracja sorbentu i uwalnianie CO2: Po nasyceniu sorbentu, konieczne jest jego odnowienie, aby mógł być ponownie wykorzystany. W tym celu stosuje się proces regeneracji, który zazwyczaj wymaga podgrzewania materiału, aby uwolnić związany CO2. Uwalniany w ten sposób CO2 jest następnie koncentrowany i przygotowywany do dalszego wykorzystania lub przechowywania.
Wykorzystanie lub sekwestracja CO2: Można wykorzystać skoncentrowany CO2 w różnych celach przemysłowych, na przykład do produkcji napojów gazowanych, jako surowiec w produkcji paliw syntetycznych lub w technologiach ulepszania ropy naftowej. Alternatywnie, można bezpiecznie zmagazynować CO2 w geologicznych formacjach podziemnych, podobnie jak w technologii BECCS.
Sorbent, po regeneracji, jest ponownie gotowy do absorpcji CO2 z atmosfery, co czyni proces cyklicznym.
Mineralizacja węglanowa:
Polega na przyspieszaniu naturalnych procesów mineralizacji, w których CO2 reaguje z minerałami tworząc stabilne węglany. Jest to obiecująca technologia ze względu na jej trwałość i potencjał do przechowywania ogromnych ilości CO2.
ETAPY:
Wychwytywanie CO2: Pierwszym krokiem jest wychwytywanie CO2 z atmosfery lub ze źródeł przemysłowych. Można to realizować za pomocą technologii takich jak Bezpośrednie Wychwytywanie CO2 z Powietrza (DAC).
Przygotowanie minerałów: Następnym etapem jest przygotowanie minerałów zawierających sylkaty magnezu lub wapnia, które będą reagować z CO2. Do najczęściej wykorzystywanych minerałów należą oliwin, serpentynit, czy bazalt. Minerały te mogą być wydobywane naturalnie lub pochodzić z odpadów przemysłowych.
Reakcja chemiczna: CO2 reaguje z przygotowanymi minerałami w procesie zwany karbonatyzacją. W tym procesie, CO2 łączy się z minerałami wapnia lub magnezu, tworząc stabilne minerały węglanowe, takie jak węglan wapnia (CaCO3) lub węglan magnezu (MgCO3). Reakcja ta może być przyspieszana poprzez różne metody, w tym podgrzewanie lub zwiększenie ciśnienia.
Trwałe składowanie: Można bezpiecznie składować powstałe minerały węglanowe w różnych lokalizacjach, w tym w wyrobiskach górniczych i kamieniołomach, lub wykorzystywać je jako materiały budowlane.
Ulepszona fotosynteza w roślinach:
Inżynieria genetyczna pozwalają na modyfikację procesów fotosyntezy, aby były one bardziej efektywne w absorpcji CO2. Metoda ta wspomaga produkcję biomasy, która może być wykorzystana w różnych celach, w tym jako źródło odnawialnej energii.
Zalety:
Ulepszona fotosynteza w roślinach prezentuje szereg zalet, które mogą mieć znaczący wpływ na rolnictwo i środowisko. Jedną z głównych korzyści jest zwiększona wydajność upraw. Dzięki optymalizacji procesu fotosyntezy, rośliny mają zdolność do lepszego wykorzystywania światła słonecznego, co przekłada się na zwiększenie plonów. To ma kluczowe znaczenie w obliczu rosnącego globalnego zapotrzebowania na żywność. Dodatkowo, rośliny z ulepszoną fotosyntezą mogą wykazywać większą odporność na zmienne warunki środowiskowe, takie jak ekstremalne temperatury czy niedobory wody. Inną istotną zaletą jest możliwość zmniejszenia emisji CO2. Ulepszenie efektywności fotosyntezy może prowadzić do zwiększonego pochłaniania dwutlenku węgla przez rośliny, co przyczynia się do korzystnych zmian dla środowiska.
Wady:
Chociaż ulepszona fotosynteza w roślinach oferuje wiele potencjalnych korzyści, wiąże się również z szeregiem wyzwań i wad. Jednym z głównych problemów jest kompleksowość biologiczna procesu fotosyntezy. Modyfikacje genetyczne mające na celu optymalizację tego procesu mogą prowadzić do nieprzewidzianych skutków dla roślin. Ponadto, genetyczne modyfikacje roślin często spotykają się z kontrowersjami etycznymi i społecznymi. Istnieją obawy dotyczące bezpieczeństwa GMO (zmodyfikowanych genetycznie organizmów) dla zdrowia ludzi oraz dla środowiska naturalnego. Kolejną istotną wadą jest ryzyko promowania monokultur i upraw intensywnych, co może negatywnie wpływać na lokalną bioróżnorodność i równowagę ekosystemów. Te czynniki stanowią poważne wyzwania, które muszą być rozważone przy dalszym rozwoju i implementacji technologii ulepszonej fotosyntezy.
Wykorzystanie alg do absorpcji CO2
Algi są bardzo efektywne w pochłanianiu dwutlenku węgla podczas fotosyntezy. Technologie oparte na algach umożliwiają nie tylko wychwytywanie CO2, ale także produkcję biomasy, którą można wykorzystać do produkcji biopaliw.
ETAPY:
Hodowla alg: Hodowla przebiega w specjalnych systemach, takich jak otwarte stawy.
Fotosynteza i absorpcja CO2: Algi, podobnie jak inne rośliny, przeprowadzają fotosyntezę. W tym procesie wykorzystują światło słoneczne do przekształcania CO2 i wody w tlen i związki organiczne. Algi potrafią aktywnie absorbować dwutlenek węgla z atmosfery lub bezpośrednio z emisji przemysłowych, jeśli podłączy się system do źródła emisji.
Zbiór i przetwarzanie alg: Po osiągnięciu odpowiedniego poziomu wzrostu, zbiera się algi. Następnie można je przetworzyć na różnorodne produkty, takie jak biopaliwa, pasze dla zwierząt, suplementy żywnościowe, kosmetyki czy nawozy.
Składowanie węgla: W zależności od sposobu przetwarzania i wykorzystania alg, można magazynować węgiel w różnych formach. Podczas produkcji biopaliw, przechowuje się węgiel w paliwie i uwalnia go ponownie podczas spalania, ale w bardziej zrównoważony sposób niż w przypadku paliw kopalnych.
Dwutlenek węgla – Postępy technologiczne
Niedawne postępy w technologiach pochłaniania i absorpcji dwutlenku węgla są kluczowym elementem w walce ze zmianami klimatycznymi. Innowacje te oferują obiecujące rozwiązania w celu zmniejszenia poziomu CO2 w atmosferze. Oto kluczowe osiągnięcia z 2023 roku:
Departament Energii USA i Laboratorium Narodowe Pacyfiku Północno-Zachodniego (PNNL) opracowało nowy system do pochłaniania i przekształcania CO2 w metanol. Technologia wykorzystuje rozpuszczalnik opracowany przez PNNL do pochłaniania CO2 z gazów spalinowych. Następnym krokiem jest przekształcanie go w metanol, szeroko stosowany w różnych branżach przemysłu. System ten jest efektywny w pochłanianiu CO2 i przekształcaniu go w użyteczne substancje, co czyni go ekonomicznie opłacalną opcją. Ta innowacja stanowi znaczący postęp w technologii pochłaniania CO2, integrując pochłanianie i konwersję w jeden, bardziej wydajny proces.
Badacze z Uniwersytetu Northwestern przedstawili innowacyjne podejście do pochłaniania CO2 z warunków otoczenia. Metoda ta, znana jako technika „zmiany wilgotności”, wykorzystuje związek między wodą a CO2. Technika ta polega na pochłanianiu CO2 przy niskiej wilgotności i uwalnianiu go przy wysokiej wilgotności, oferując energooszczędne rozwiązanie do sekwestracji węgla. Szczególnie godne uwagi jest jej zdolność do pochłaniania węgla z praktycznie dowolnego miejsca, nie tylko z punktu źródłowego. To osiągnięcie poszerza zakres technologii, czyniąc ją bardziej skalowalną i stosowalną w różnych warunkach środowiskowych.
Podsumowanie
Obecnie, globalne emisje dwutlenku węgla osiągają rekordowe poziomy, przede wszystkim z powodu spalania paliw kopalnych i wylesiania. Dane z ostatnich lat wskazują na ciągły wzrost emisji CO2, pomimo rosnącej świadomości problemu zmian klimatycznych i działań mających na celu ich ograniczenie.
Te innowacyjne metody pokazują, jak zaawansowana technologia może pomóc w rozwiązaniu problemu nadmiernych emisji CO2. Warto jednak pamiętać, że żadna z tych technologii nie zastąpi potrzeby redukcji emisji gazów cieplarnianych u źródła oraz przejścia na zrównoważone i odnawialne źródła energii.
Źródła:
https://www.wri.org/insights/6-ways-remove-carbon-pollution-sky
https://energypost.eu/10-carbon-capture-methods-compared-costs-scalability-permanence-cleanness/
https://news.northwestern.edu/
Zachęcamy do zapoznania się z innymi tekstami w dziale Ciekawostki oraz naszymi celami i ideami. Jak również do wsparcia Fundacji Utopia darowizną, by kolejne teksty dotyczyły naszych autorskich, wielkich projektów.