Guinguette Marais Poitevin

Aby węgiel mógł być sekwestrowany sztucznie (tj. bez wykorzystania naturalnych procesów cyklu węglowego), musi najpierw zostać wychwycony lub musi zostać znacznie opóźniony lub uniemożliwione jego ponowne uwolnienie do atmosfery (poprzez spalanie, rozkład itp.) z istniejącego materiału bogatego w węgiel, poprzez włączenie go do trwałego użytku (np. w budownictwie). Następnie może być pasywnie przechowywany lub produktywnie wykorzystywany na różne sposoby.

Na przykład, po pozyskaniu drewno (jako materiał bogaty w węgiel) może być natychmiast spalone lub w inny sposób służyć jako paliwo, zwracając węgiel do atmosfery, lub może być włączone do konstrukcji lub szeregu innych trwałych produktów, tym samym sekwestrując węgiel przez lata, a nawet wieki.

Bardzo starannie zaprojektowany i trwały, energooszczędny i pochłaniający energię budynek ma potencjał sekwestracji (w swoich bogatych w węgiel materiałach budowlanych) tyle samo lub więcej węgla niż zostało uwolnione w wyniku pozyskania i wbudowania wszystkich materiałów i niż zostanie uwolnione w wyniku „importu energii” z funkcji budynku podczas jego (potencjalnie wielowiekowego) istnienia. Taka struktura może być określona jako „neutralna węglowo” lub nawet „negatywna węglowo”. Szacuje się, że budowa i eksploatacja budynków (zużycie energii elektrycznej, ogrzewanie, itp.) przyczyniają się do powstania prawie połowy rocznej ilości dwutlenku węgla wprowadzanego do atmosfery w wyniku działalności człowieka.

Zakłady oczyszczania gazu ziemnego często już muszą usuwać dwutlenek węgla, aby uniknąć zatykania cystern gazowych suchym lodem lub aby zapobiec przekroczeniu przez stężenie dwutlenku węgla maksymalnego poziomu 3% dopuszczalnego w sieci dystrybucji gazu ziemnego.

Poza tym, jednym z najbardziej prawdopodobnych wczesnych zastosowań wychwytywania dwutlenku węgla jest wychwytywanie dwutlenku węgla z gazów spalinowych w elektrowniach (w przypadku węgla, to łagodzenie zanieczyszczeń węglowych jest czasami znane jako „czysty węgiel”). Typowa nowa elektrownia węglowa o mocy 1000 MW wytwarza około 6 milionów ton dwutlenku węgla rocznie. Dodanie wychwytywania dwutlenku węgla do istniejących elektrowni może znacznie zwiększyć koszty produkcji energii; pomijając koszty oczyszczania, elektrownia węglowa o mocy 1000 MW będzie wymagała składowania około 50 milionów baryłek (7 900 000 m3) dwutlenku węgla rocznie. Jednak oczyszczanie jest stosunkowo niedrogie, jeśli doda się je do nowych elektrowni opartych na technologii gazyfikacji węgla, gdzie szacuje się, że podniesie ono koszty energii dla gospodarstw domowych w Stanach Zjednoczonych korzystających wyłącznie z węglowych źródeł energii elektrycznej z 10 centów za kW-h do 12 centów.

BuildingsEdit

Mjøstårnet, jeden z najwyższych budynków drewnianych, podczas otwarcia 2019

Według międzynarodowego zespołu interdyscyplinarnych naukowców w badaniu z 2020 r, szerokie przyjęcie drewna masowego i zastąpienie nim stali i betonu w nowych projektach budowlanych średniej wysokości w ciągu najbliższych kilku dziesięcioleci ma potencjał, aby przekształcić budynki drewniane w globalny pochłaniacz dwutlenku węgla, ponieważ przechowują one dwutlenek węgla pobrany z powietrza przez drzewa, które są zbierane i wykorzystywane jako drewno konstrukcyjne. Zwracając uwagę na demograficzne zapotrzebowanie na nowe budownictwo miejskie w ciągu najbliższych trzydziestu lat, zespół przeanalizował cztery scenariusze przejścia na nowe budownictwo średniowysokie z drewna masowego. Przy założeniu kontynuacji dotychczasowych działań, do 2050 roku tylko 0,5% nowych budynków na świecie będzie zbudowanych z drewna (scenariusz 1). Wartość ta może wzrosnąć do 10% (scenariusz 2) lub 50% (scenariusz 3), przy założeniu, że produkcja masowego drewna wzrośnie wraz z odpowiednią skalą rewolucji materiałowej zastępującej cement i stal w budownictwie miejskim drewnem. Wreszcie, jeśli kraje o obecnym niskim poziomie uprzemysłowienia, np. Afryka, Oceania i część Azji, również przestawią się na drewno (w tym bambus), to do 2050 r. można sobie wyobrazić nawet 90% drewna (scenariusz 4). Mogłoby to skutkować składowaniem od 10 mln ton węgla rocznie w najniższym scenariuszu do blisko 700 mln ton w najwyższym scenariuszu. Badanie wykazało, że potencjał ten może zostać zrealizowany pod dwoma warunkami. Po pierwsze, pozyskane lasy musiałyby być zarządzane w sposób zrównoważony, zarządzane i wykorzystywane. Po drugie, drewno z rozebranych budynków drewnianych musiałoby być ponownie wykorzystane lub zachowane na lądzie w różnych formach.

Wychwytywanie dwutlenku węglaEdit

Obecnie wychwytywanie dwutlenku węgla odbywa się na dużą skalę poprzez absorpcję dwutlenku węgla na różnych rozpuszczalnikach na bazie amin. Obecnie badane są również inne techniki, takie jak adsorpcja zmiennociśnieniowa, adsorpcja zmienno temperaturowa, membrany do separacji gazów, kriogenika i wychwytywanie spalin.

W elektrowniach węglowych główną alternatywą dla modernizacji istniejących elektrowni w absorbery na bazie amin są dwie nowe technologie: zgazowanie węgla w cyklu kombinowanym i spalanie tlenowo-paliwowe. W wyniku gazyfikacji powstaje najpierw „syngaz”, składający się głównie z wodoru i tlenku węgla, który jest spalany, a dwutlenek węgla jest odfiltrowywany ze spalin. Spalanie tlenowo-paliwowe spala węgiel w tlenie zamiast powietrza, wytwarzając jedynie dwutlenek węgla i parę wodną, które można stosunkowo łatwo oddzielić. Część produktów spalania musi być zawrócona do komory spalania, przed lub po oddzieleniu, w przeciwnym razie temperatury byłyby zbyt wysokie dla turbiny.

Inną długoterminową opcją jest wychwytywanie węgla bezpośrednio z powietrza za pomocą wodorotlenków. Powietrze zostałoby dosłownie oczyszczone z zawartości CO2. Pomysł ten oferuje alternatywę dla paliw nie opartych na węglu dla sektora transportu.

Przykłady sekwestracji węgla w elektrowniach węglowych obejmują przekształcanie węgla z kominów w sodę oczyszczoną oraz wychwytywanie węgla z alg, omijające składowanie poprzez przekształcanie alg w paliwo lub paszę.

OceansEdit

Inną proponowaną formą sekwestracji węgla w oceanie jest bezpośrednie zatłaczanie. W tej metodzie, dwutlenek węgla jest pompowany bezpośrednio do wody na głębokości i oczekuje się, że utworzy „jeziora” ciekłego CO2 na dnie. Eksperymenty przeprowadzone w wodach o umiarkowanej i dużej głębokości (350-3 600 metrów) wskazują, że ciekły CO2 reaguje tworząc stałe hydraty klatratów CO2, które stopniowo rozpuszczają się w otaczających wodach.

Ta metoda również ma potencjalnie niebezpieczne konsekwencje dla środowiska. Dwutlenek węgla reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy, H2CO3; jednak większość (aż 99%) pozostaje w postaci rozpuszczonego, molekularnego CO2. W warunkach wysokiego ciśnienia panującego w głębinach oceanu równowaga byłaby bez wątpienia zupełnie inna. Ponadto, jeśli głębinowe bakterie metanogenne, które redukują dwutlenek węgla, napotkałyby pochłaniacze dwutlenku węgla, poziom metanu mógłby wzrosnąć, prowadząc do wytworzenia jeszcze gorszego gazu cieplarnianego. Nieznane są wynikające z tego skutki środowiskowe dla bentosowych form życia w strefach batypelagicznej, abyssopelagicznej i hadopelagicznej. Mimo że życie w głębokich basenach oceanicznych wydaje się być raczej nieliczne, efekty energetyczne i chemiczne w tych głębokich basenach mogą mieć daleko idące implikacje. Potrzeba tu znacznie więcej pracy, aby określić zakres potencjalnych problemów.

Składowanie węgla w lub pod oceanami może być niezgodne z Konwencją o zapobieganiu zanieczyszczaniu mórz przez zatapianie odpadów i innych substancji.

Dodatkową metodą długoterminowej sekwestracji w oceanach jest zbieranie resztek pożniwnych, takich jak łodygi kukurydzy lub nadmiar siana, w duże ważone bele biomasy i składowanie ich w obszarach wachlarzy aluwialnych głębokich basenów oceanicznych. Zrzucenie tych resztek w wachlarzach aluwialnych spowodowałoby szybkie zagrzebanie ich w mule na dnie morza, sekwestrując biomasę na bardzo długi okres czasu. Wachlarze aluwialne istnieją we wszystkich morzach i oceanach świata, gdzie delty rzek opadają poza krawędź szelfu kontynentalnego, np. wachlarz aluwialny Missisipi w Zatoce Meksykańskiej czy wachlarz aluwialny Nilu w Morzu Śródziemnym. Wadą tego rozwiązania jest jednak wzrost wzrostu bakterii tlenowych spowodowany wprowadzeniem biomasy, co prowadzi do większej konkurencji o zasoby tlenu w głębinach morskich, podobnie jak w przypadku strefy minimum tlenowego.

Sekwencjonowanie geologiczneEdit

Metoda geosekwencjonowania lub geologicznego składowania polega na zatłaczaniu dwutlenku węgla bezpośrednio do podziemnych formacji geologicznych. Jako miejsca składowania sugeruje się zmniejszające się pola naftowe, solankowe warstwy wodonośne oraz nieeksploatowane pokłady węgla. Kawerny i stare kopalnie, które są powszechnie używane do przechowywania gazu ziemnego, nie są brane pod uwagę ze względu na brak bezpieczeństwa składowania.

Od ponad 40 lat dwutlenek węgla jest wstrzykiwany do podupadających pól naftowych w celu zwiększenia wydobycia ropy. Opcja ta jest atrakcyjna, ponieważ koszty składowania są równoważone przez sprzedaż dodatkowej wydobytej ropy. Zazwyczaj możliwe jest uzyskanie 10-15% dodatkowego odzysku w stosunku do pierwotnie wydobytej ropy. Dalsze korzyści wynikają z istniejącej infrastruktury oraz informacji geofizycznych i geologicznych o polu naftowym, które są dostępne w trakcie poszukiwań ropy naftowej. Inną korzyścią z zatłaczania CO2 do pól naftowych jest to, że CO2 jest rozpuszczalny w ropie naftowej. Rozpuszczanie CO2 w ropie obniża lepkość ropy i zmniejsza jej napięcie międzyfazowe, co zwiększa mobilność ropy. Wszystkie złoża ropy naftowej posiadają barierę geologiczną zapobiegającą migracji ropy w górę. Ponieważ większość ropy i gazu znajduje się na miejscu od milionów do dziesiątków milionów lat, wyczerpane złoża ropy i gazu mogą zawierać dwutlenek węgla przez tysiąclecia. Zidentyfikowane możliwe problemy to wiele możliwości „wycieku”, jakie stwarzają stare odwierty naftowe, konieczność stosowania wysokich ciśnień zatłaczania oraz zakwaszenie, które może uszkodzić barierę geologiczną. Innymi wadami starych pól naftowych są ich ograniczone rozmieszczenie geograficzne i głębokości, które wymagają wysokich ciśnień zatłaczania w celu sekwestracji. Poniżej głębokości około 1000 m dwutlenek węgla jest zatłaczany jako ciecz w stanie nadkrytycznym, materiał o gęstości cieczy, ale lepkości i dyfuzyjności gazu.Niewydobywalne pokłady węgla mogą być wykorzystywane do przechowywania CO2, ponieważ CO2 wchłania się na powierzchnię węgla, zapewniając bezpieczne długoterminowe przechowywanie. W procesie tym uwalnia metan, który wcześniej był zaadsorbowany na powierzchni węgla i który może być odzyskany. Również w tym przypadku sprzedaż metanu może być wykorzystana do zrekompensowania kosztów składowania CO2. Uwolnienie lub spalenie metanu oczywiście przynajmniej częściowo zniwelowałoby uzyskany wynik sekwestracji – z wyjątkiem sytuacji, w której pozwolono gazowi uciec do atmosfery w znacznych ilościach: metan ma wyższy potencjał globalnego ocieplenia niż CO2.

Solankowe warstwy wodonośne zawierają wysoko zmineralizowane solanki i jak dotąd nie były uważane za korzystne dla ludzi, z wyjątkiem kilku przypadków, w których były wykorzystywane do składowania odpadów chemicznych. Ich zaletą jest duża potencjalna objętość magazynowa i stosunkowo częste występowanie, co zmniejsza odległość, na jaką trzeba transportować CO2. Główną wadą solankowych warstw wodonośnych jest to, że wiadomo o nich stosunkowo niewiele w porównaniu z polami naftowymi. Inną wadą solankowych warstw wodonośnych jest to, że wraz ze wzrostem zasolenia wody, mniej CO2 można rozpuścić w roztworze wodnym. Aby utrzymać koszty składowania na akceptowalnym poziomie, badania geofizyczne mogą być ograniczone, co skutkuje większą niepewnością co do struktury danej warstwy wodonośnej. W przeciwieństwie do składowania na polach naftowych lub w pokładach węgla, żaden produkt uboczny nie zrekompensuje kosztów składowania. Wyciek CO2 z powrotem do atmosfery może być problemem przy składowaniu w warstwach wodonośnych solankowych. Obecne badania pokazują jednak, że kilka mechanizmów wychwytujących unieruchamia CO2 pod ziemią, zmniejszając ryzyko wycieku.

Ważny projekt badawczy badający geologiczną sekwestrację dwutlenku węgla jest obecnie prowadzony na polu naftowym w Weyburn w południowo-wschodniej części Saskatchewan. Na Morzu Północnym norweska platforma gazu ziemnego Equinor, Sleipner, usuwa dwutlenek węgla z gazu ziemnego za pomocą rozpuszczalników aminowych i unieszkodliwia go poprzez sekwestrację geologiczną. Sleipner zmniejsza emisję dwutlenku węgla o około milion ton rocznie. Koszt sekwestracji geologicznej jest niewielki w stosunku do ogólnych kosztów eksploatacji. Od kwietnia 2005 r. BP rozważa przeprowadzenie próby sekwestracji na dużą skalę dwutlenku węgla pochodzącego z emisji elektrowni na polu naftowym Miller, w miarę wyczerpywania się jego zasobów.

W październiku 2007 r. Bureau of Economic Geology na Uniwersytecie Teksańskim w Austin otrzymało 10-letni kontrakt podwykonawczy o wartości 38 mln USD na przeprowadzenie pierwszego w Stanach Zjednoczonych intensywnie monitorowanego, długoterminowego projektu badającego możliwość zatłaczania dużych ilości CO2 do podziemnego składowania. Projekt jest programem badawczym Southeast Regional Carbon Sequestration Partnership (SECARB), finansowanym przez National Energy Technology Laboratory of the U.S. Department of Energy (DOE). Partnerstwo SECARB zademonstruje wydajność zatłaczania CO2 i możliwości składowania w systemie geologicznym Tuscaloosa-Woodbine, który rozciąga się od Teksasu do Florydy. Począwszy od jesieni 2007 roku, w ramach projektu będzie wstrzykiwany CO2 w ilości miliona ton rocznie, przez okres do 1,5 roku, do solanki znajdującej się do głębokości 10 000 stóp (3 000 m) pod powierzchnią ziemi w pobliżu pola naftowego Cranfield, około 15 mil (24 km) na wschód od Natchez w stanie Missisipi. Urządzenia eksperymentalne będą mierzyć zdolność podłoża do przyjmowania i zatrzymywania CO2.

Sekwencjonowanie mineralneEdit

Sekwencjonowanie mineralne ma na celu zatrzymanie węgla w postaci stałych soli węglanowych. Proces ten zachodzi powoli w przyrodzie i jest odpowiedzialny za odkładanie się i akumulację wapienia w czasie geologicznym. Kwas węglowy w wodach gruntowych powoli reaguje ze złożonymi krzemianami, rozpuszczając wapń, magnez, zasady i krzemionkę oraz pozostawiając pozostałości minerałów ilastych. Rozpuszczony wapń i magnez reagują z wodorowęglanem, wytrącając węglany wapnia i magnezu, co jest procesem wykorzystywanym przez organizmy do tworzenia skorup. Kiedy organizmy umierają, ich skorupy są odkładane jako osad i ostatecznie zamieniają się w wapień. Wapienie gromadziły się przez miliardy lat w czasie geologicznym i zawierają dużą część węgla na Ziemi. Trwające badania mają na celu przyspieszenie podobnych reakcji z udziałem węglanów alkalicznych.

Kilka złóż serpentynitów jest badanych jako potencjalnie duże pochłaniacze CO2, takie jak te znalezione w NSW w Australii, gdzie trwa pierwszy projekt pilotażowego zakładu mineralnej karbonatyzacji. Korzystne ponowne wykorzystanie węglanu magnezu z tego procesu mogłoby dostarczyć surowca dla nowych produktów opracowanych dla środowiska budowlanego i rolnictwa, bez zwracania węgla do atmosfery, a więc działając jako pochłaniacz węgla.

Jedną z proponowanych reakcji jest reakcja bogatego w oliwiny dunitu lub jego uwodnionego odpowiednika serpentynitu z dwutlenkiem węgla, w wyniku której powstaje minerał węglanowy magnezyt, krzemionka i tlenek żelaza (magnetyt).

Sekwestracja serpentynitu jest preferowana ze względu na nietoksyczny i stabilny charakter węglanu magnezu. W idealnych reakcjach biorą udział magnezowe składniki końcowe oliwinu (reakcja 1) lub serpentynitu (reakcja 2), przy czym ten ostatni pochodzi z wcześniejszego oliwinu w wyniku hydratacji i krzemionkowania (reakcja 3). Obecność żelaza w oliwinie lub serpentynie zmniejsza efektywność sekwestracji, ponieważ żelazne składniki tych minerałów rozpadają się na tlenek żelaza i krzemionkę (reakcja 4).

Reakcje serpentynituEdit

Zeolityczne szkielety imidazolanoweEdit

Zeolitic imidazolate frameworks to metalowo-organiczny ramowy pochłaniacz dwutlenku węgla, który mógłby być stosowany do utrzymywania przemysłowych emisji dwutlenku węgla poza atmosferą.