Det kanske bästa hoppet för att bromsa klimatförändringarna – fånga och lagra koldioxidutsläpp under jord – har förblivit svårfångade, delvis på grund av osäkerhet om dess ekonomiska genomförbarhet.

I ett försök att ge klarhet på denna punkt, forskare vid Stanford University och Carnegie Mellon University har uppskattat energibehovet i ett kritiskt skede av processen.

Deras resultat, publicerad 8 april in Miljövetenskap och teknik, tyder på att hantering och bortskaffande av saltlösningar med hög salthalt – en biprodukt av effektiv underjordisk kolbindning – kommer att innebära betydande energi- och utsläppsstraff. Deras arbete kvantifierar dessa straff för olika ledningsscenarier och ger en ram för att göra tillvägagångssättet mer energieffektivt.

"Att designa massiva nya infrastruktursystem för geologisk kollagring med en förståelse för hur de korsar sig med andra tekniska utmaningar - i det här fallet svårigheten att hantera saltlösningar med hög salthalt - kommer att vara avgörande för att maximera kolfördelarna och minska systemkostnaderna, " sade studie senior författare Meagan Mauter, en docent i civil- och miljöteknik vid Stanford University.

Att komma till en städning, framtiden för förnybar energi kommer inte att hända över en natt. En av broarna på den vägen kommer att involvera hanteringen av koldioxidutsläppen – den dominerande växthusgasen som värmer jorden – när användningen av fossila bränslen avtar. Det är där koldioxidbindning kommer in. Medan de flesta klimatforskare är överens om behovet av ett sådant tillvägagångssätt, det har varit lite klarhet om hela livscykelkostnaderna för infrastruktur för kollagring.

Salt utmaning

En viktig aspekt av den analysen är att förstå hur vi kommer att hantera saltlösningar, högkoncentrerat saltvatten som utvinns från underjordiska reservoarer för att öka koldioxidlagringskapaciteten och minimera jordbävningsrisken. Saltlösningsreservoarer är de mest sannolika lagringsplatserna för infångad koldioxid eftersom de är stora och allestädes närvarande, men de extraherade saltlösningarna har en genomsnittlig saltkoncentration som är nästan tre gånger högre än havsvatten.

Dessa saltlösning måste antingen kasseras via djup brunninjektion eller avsaltas för fördelaktig återanvändning. Att pumpa det under jord – ett tillvägagångssätt som har använts för olje- och gasindustrins avloppsvatten – har kopplats till ökad jordbävningsfrekvens och har lett till betydande offentliga reaktioner. Men att avsalta saltlösningarna är betydligt dyrare och mer energikrävande pga. till viss del, till effektivitetsgränserna för termisk avsaltningsteknik. Det är viktigt, komplexa steg med en potentiellt stor prislapp.

Den stora bilden

Den nya studien är den första som heltäckande utvärderar energistraffen och koldioxidutsläppen som är involverade i hantering av saltlösning som en funktion av olika koltransporter, reservoarhantering och scenarier för behandling av saltlake i USA. Forskarna fokuserade på saltlösningsbehandling i samband med lagring av kol från koleldade kraftverk eftersom de är landets största källor till koldioxid, de mest kostnadseffektiva målen för koldioxidavskiljning och deras platser är generellt representativa för koldioxidpunktskällornas placering.

Kanske inte överraskande, studien fann högre energistraff för scenarier för hantering av saltlösning som prioriterar behandling för återanvändning. Faktiskt, saltlösningshantering kommer att utdöma den största straffavgiften för efterfångning och kompressionsenergi per ton av koldioxid, upp till en storleksordning större än koltransport, enligt studien.

"Det finns ingen gratis lunch, " sade studiens huvudförfattare Timothy Bartholomew, en tidigare civilingenjör och miljöteknik doktorand vid Carnegie Mellon University som nu arbetar för KeyLogic Systems, en entreprenör för Energidepartementets nationella energitekniska laboratorium. "Till och med tekniska lösningar för kollagring kommer att innebära energistraff och resultera i vissa koldioxidutsläpp. Som ett resultat, vi måste designa dessa system så effektivt som möjligt för att maximera deras koldioxidreduktionsfördelar."

Vägen framåt

Lösningar kan finnas till hands.

Energistraffet för brinehantering kan minskas genom att prioritera lagring i reservoarer med låg salthalt, minimera saltvattenekstraktionsförhållandet och begränsa omfattningen av saltlösningsåtervinning, enligt forskarna. De varnar, dock, att dessa tillvägagångssätt ger sina egna avvägningar för transportkostnader, energistraff, reservoarlagringskapacitet och säkra hastigheter för koldioxidinjektion i underjordiska reservoarer. Att utvärdera avvägningarna kommer att vara avgörande för att maximera minskningen av koldioxidutsläpp, minimera finansiella kostnader och begränsa externa miljöeffekter.

"Det finns vattenrelaterade konsekvenser för de flesta djupa avkolningsvägar, sade Mauter, som också är fellow vid Stanford Woods Institute for the Environment. "Nyckeln är att förstå dessa begränsningar i tillräcklig detalj för att designa runt dem eller utveckla tekniska lösningar som mildrar deras inverkan."