Ånga stiger från PacifiCorps Hunter kolkraftverk utanför Castle Dale, Utah. Den 1, 577 megawatt kraftverk öppnade 1978 och är en av de största koleldade anläggningarna i västra USA. GEORGE FREY/AFP via Getty Images Tänk dig ett scenario där ett ont supergeni hittar ett sätt att suga ut allt syre ur luften, begraver den sedan i marken. Låter det som serietidningar? Väl, ja, om vi pratar om syre. Men forskare arbetar på ett sätt att göra just det med koldioxid. Varför fånga koldioxid från luften? För att bekämpa den globala uppvärmningen och klimatförändringarna.
Koldioxid (CO2) är en naturgas som tillåter solljus att nå jorden men förhindrar också att en del av solens värme strålar tillbaka ut i rymden, därmed värmer planeten. Forskare kallar denna uppvärmning för växthuseffekten. När denna effekt inträffar naturligt, det värmer jorden tillräckligt för att upprätthålla liv. Faktiskt, om vi inte hade någon växthuseffekt, planetens genomsnittliga yttemperatur skulle vara bara 0 grader Fahrenheit (-18 grader Celsius) [källa:Lang]. Säker, skidåkningen kan vara bra, men vi skulle alla vara för döda för att njuta av det.
Ja, koldioxid och växthuseffekten är nödvändiga för att livet på jorden ska överleva. Men mänskliga uppfinningar avsedda att bränna fossila bränslen, såsom kraftverk och transportfordon, släpper ut extra koldioxid i stora mängder. Och det är inte bra.
Årtionden 2011 till 2020 var det varmaste på rekord [källa:World Meteorological Organization]. Sedan slutet av 1800 -talet har vår planets medeltemperatur har stigit med ungefär 2,12 grader Fahrenheit (1,18 grader Celsius) [källa:NASA]. Som ett resultat, is vid båda polerna smälter, havsnivån stiger, djur förändrar sina migrationsmönster, och många ställen har sett en uppgång i extrema väderhändelser [källor:Carrington, NOAA och Bradford].
Så vad är den främsta drivkraften bakom denna uppvärmningstrend? Tyvärr, människor. Mellan 1970 och 2004, koldioxidutsläppen ökade med 90 procent [källa:PBL]. Och 2019, den globala genomsnittliga koncentrationen av koldioxid i jordens atmosfär var högre än den hade varit vid någon tidpunkt tidigare 800, 000 år [källa:Lindsey].
Nyligen, uppmanade FN:s ekonomiska kommission för Europa (UNECE) till en omfattande användning av teknik för koldioxidavskiljning [källa:FN:s nyheter].
Kolfångst innebär att koldioxiden fångas upp vid dess utsläppskälla, transportera den till en lagringsplats (vanligtvis djupt under jorden) och isolera den. Detta innebär att vi eventuellt kan blockera överskott av koldioxid från att komma in i atmosfären.
I den här artikeln, vi kommer att titta på några av de befintliga och framväxande metoderna för avskiljning och lagring av koldioxid.
Innehåll
Under 2014, Boundary Dam Power Station nära Estevan, Saskatchewan, Kanada, blev den första kraftstationen i världen som framgångsrikt använde koldioxiduppsamling och lagring. Den ger 115 megawatt effekt, och minskar sina SO2 -utsläpp från kolprocessen med upp till 100 procent och CO2 med upp till 90 procent. SaskPower Det finns tre huvudsteg för koldioxidavskiljning och lagring (CCS):
Låt oss ta en mer detaljerad titt på fångst- och separationsprocessen:
Kol tas från en kraftverkskälla på tre grundläggande sätt:efter förbränning, förbränning och förbränning av oxig bränsle [källa:National Energy Technology Laboratory].
Ett fossilt kraftverk genererar kraft genom att förbränna fossilt bränsle (kol, olja eller naturgas), som genererar värme som förvandlas till ånga. Den ångan vänder en turbin ansluten till en elgenerator. Ett annat ord för förbränningsprocessen är förbränning.
Med efterförbränning av kol , CO2 fångas efter att det fossila bränslet har bränts. Förbränning av fossila bränslen producerar något som kallas rökgaser, som inkluderar CO2, vattenånga, kväve och svaveldioxid.
I en efterförbränningsprocess, CO2 separeras och fångas upp från rökgaserna som orsakas av förbränning av fossilt bränsle. Denna process är den vanligaste tekniken inom teknik för kolavskiljning. Det är en bekväm strategi eftersom den kan användas på både nya och redan existerande kolkraftverk. Dock, det finns några nackdelar. För att fungera, kolavskiljning efter förbränning kräver viss fysiskt stor utrustning-och det kan göra turbiner mindre effektiva [källa:Elhenawy].
Med förbränning av kol , kol fångas och avlägsnas från fossila bränslen innan förbränningsprocessen avslutas.
Kol, olja eller naturgas värms upp i ånga och syre, vilket resulterar i en syntesgas, eller syngas. Gasen innehåller mestadels CO2, väte (H2), och kolmonoxid (CO). Senare, en separat reaktion omvandlar vatten (H2O) till väte. Medan det pågår, en del av kolmonoxiden omvandlas till koldioxid. Slutresultatet är en gasblandning laddad med H2 och CO2 [källa:U.S. Department of Energy].
Det är lätt att isolera, fånga upp och avlägsna koldioxid från den blandningen. Under tiden, ingenjörer kan använda vätet för andra energiproduktionsprocesser.
Förbränning av kol är vanligtvis effektivare än efterförbränningsstrategin. Dock, utrustningen kommer med en högre prislapp. Förutom, äldre kraftverk tenderar att vara mindre lämpade för denna teknik än några nya [källa:Elhenawy].
Med oxy-fuel förbränning koluppsamling , kraftverket bränner fossila bränslen - men inte i vanlig luft. Istället, bränslen bränns i en gasblandning som innehåller massor av rent syre. Detta resulterar i en rökgas vars två huvudkomponenter är CO2 och vatten. Efteråt, det är möjligt att skilja ut CO2 genom att komprimera och kyla vattnet [källor:National Energy Technology Laboratory och National Resources of Canada].
Vissa aspekter av oxy-fuel-förbränning koluppsamling är billiga, men processen har en hög kostnad totalt sett. (Rent syre är inte billigt.) Dessutom, Det finns vissa bekymmer om dess tillämplighet. En granskning från 2020 som publicerades i tidskriften Catalysts hävdade att relevant teknik "måste bevisas för storskaliga operationer" [källa:Elhenawy].
På den positiva sidan, förbränning av oxy-fuel kan användas på både gamla och nya koleldande kraftverk [källa:Elhenawy].
Nu, här är en viktig fråga:När kolet har fångats upp, hur transporteras det till en lagringsplats? Fortsätt läsa för att ta reda på det.
Frigid mark håller koldioxid låstMark som förblir vid eller under 32 grader Fahrenheit (0 grader Celsius) i två raka år eller längre kallas permafrost. Den här kalla gräsmattan har kommit in i klimatförändringssamtalet. I norra halvklotets permafrostbärande regioner, cirka 1,6 biljoner till 1,7 biljoner ton (1, 460 miljarder till 1, 600 miljarder ton) kol är låst inne i marken. Men när världen värms och många av dessa sediment tinar, vetenskapsmän vill lära sig mer om hur allt det långfångade kolet kommer att påverka vår planet [källa:Schurr].
Rörledningar, som den här vid Boundary Dam Power Station nära Estevan, i Saskatchewan, Kanada, används ofta för att transportera CO2. Phillip Chin/Shell Canada Limited Efter att koldioxid (CO2) fångats upp, nästa steg är att transportera den till en lagringsplats. Den vanliga metoden för att transportera CO2 är genom en pipeline.
Rörledningar har använts i decennier, och stora mängder gaser, olja och vatten flödar genom rörledningarna varje dag. Koldioxidrörledningar är en befintlig del av infrastrukturen i USA och många andra länder. Faktiskt, det finns nu fler än 4, 039 miles (6, 500 kilometer) CO2 -rörledningar fördelade över Afrika, Australien, Mellanöstern och Nordamerika. De flesta skapades för en process som heter Enhanced Oil Recovery (EOR), men vissa är kopplade till CCS -projekt [källa:Noothout].
Du kan lägga en pipeline nästan var som helst, inklusive under jord eller under vattnet. De kan hittas genom olika miljöer som öknar, åkermark, bergskedjor och hav. [källa:Mellanstatliga panelen för klimatförändringar].
Rörledningar kan anslutas till bearbetningsanläggningar eller kraftverk som är beroende av fossila bränslen, såväl som naturliga källor till CO2. Renheten i en linjes koldioxidförsörjning kan påverkas av den teknik som används vid källan [källa:Noothout].
I vissa fall, CO2 kan resa så långt det kan i röret, övergå sedan till en tankbil, tankfartyg eller cylindrar under tryck för att avsluta sin resa. Observera att det finns en kvävningsrisk om en enorm mängd CO2 släpps ut i atmosfären. Som med tankar som transporterar naturgas och andra farliga material, bra konstruktion är nyckeln. Den där, och bra körning.
Återgå till rörledningarna, de kan transportera CO2 i tre tillstånd:gasformiga, flytande och fast. Fast CO2 kallas allmänt torris, och det är inte kostnadseffektivt att transportera CO2 som ett fast ämne.
Rörledningar transporterar vanligtvis koldioxid i dess gasformiga tillstånd. Nämnda gas måste komprimeras innan den flyttas från punkt A till punkt B. Enligt National Energy Technology Laboratory, det ideala tryckområdet är mellan 1500 och 2200 PSI (eller 10, 342 och 15, 168 KPA).
Ingenjörer måste vara på vakt mot föroreningar i CO2 -strömmen, som vätesulfid och vatten. Den senare har varit känd för att korrodera rörledningar, men det är bara toppen av isberget. Under högt tryck och låga temperaturer, vattnet i dessa rör kan bilda naturgashydrater, fasta kristaller som kan täppa till dina linjer. Forskare håller fortfarande på att ta fram sätt att hantera sådana föroreningar [källor:Onyebuchi och Bai].
I byggnadsvärlden, säkerhet är högsta prioritet. Om ett rör går sönder nära ett befolkat område, den plötsliga utsläpp av CO2 -gas i stora mängder kan få allvarliga konsekvenser för både folkhälsan och miljön. För att förhindra att industriell grävutrustning råkar träffa rören av misstag planerare kan begrava dem djupt under jorden. Också, när det är möjligt, lägga rörledningar långt bort från städer, städer och liknande kan vara tillrådligt [källa:Onyebuchi].
DNV, ett framstående riskhanterings- och kvalitetssäkringsföretag baserat i Norge, släppte nya säkerhetsförfaranden för CO2 -transportrörledningar 2021. Under tiden har Storbritanniens hälso- och säkerhetschef har nu en omfattande lista med riktlinjer som täcker allt från korrosion till markanvändning.
Rörledningskostnaderna varierar beroende på rörledningens rutt (genom hårt överbelastade områden, berg, offshore); kvaliteten på materialen; utrustningen som berörs; hur mycket arbete som krävs och andra utgifter.
Varelser av kolKolatomer representerar cirka 12 procent av alla atomer i din kropp. För att sätta det i perspektiv, en 176 pund (80 kilo) person innehåller ungefär 31,7 pund (14,4 kilo) kol. Vi tror att du håller med om att det är en betydande siffra. Av alla de element som krävs för att göra ett mänskligt "bod, "bara syre står för mer kroppsmassa. Dessutom, över 99 av 100 atomer som finns i våra kroppar är antingen syre, kol, väte- eller kväveatomer [källa:New Scientist].
Hur kolfångst och lagring fungerar The Royal Society of Chemistry När vi samlar in och transporterar all koldioxid (CO2), vi kommer behöva någonstans att lägga det. Men var? I någon sorts jätteförvaringsenhet? En enorm tank ute i öknen? Kommer vi att behöva fler deponier för att hålla vårt koldioxidavfall?
Oroa dig inte, svaret på alla dessa frågor är "nej". Det finns några platser vi har hittat för att lagra CO2, inklusive flera underjordiska. Faktiskt, det finns forskning som tyder på att USA ensam har tillräckligt med underjordiskt utrymme för att potentiellt rymma 1,8 biljoner ton (1,71 biljoner ton) koldioxid i djupa akviferer, permeabla stenar och andra sådana platser [källa:Cunliff och Nguyen].
Låt oss prata om logistiken för underjordisk lagring. Djupt under jorden, CO2 kan hållas vid tryck över 1, 057 PSI (72,9 atm) och vid temperaturer över 88 grader Fahrenheit (31,1 grader Celsius).
När dessa specifika villkor är uppfyllda, CO2 blir överkritiskt. I det tillståndet, koldioxid tar på sig egenskaper som normalt är associerade med både gaser och vätskor. Superkritisk CO2 har låg viskositet, precis som en gas. Men samtidigt, Det har också den höga densiteten hos en vätska [källor:National Energy Technology Laboratory and Imaging Technology Group].
Eftersom det kan sippra in i utrymmena i porösa stenar, en stor mängd CO2 kan lagras i ett relativt litet område. Olje- och gasreservoarer är väl lämpade för att lagra CO2 eftersom de består av lager av porösa bergformationer som har fångat olja och gas i åratal [källa:Center for Science Education].
CO2 injiceras artificiellt i underjordiska bergformationer under jordens yta. Dessa naturreservoarer har överliggande stenar som bildar en tätning, hålla gasen inne. Det kan finnas risker för underjordisk lagring, fastän, och vi diskuterar dem lite senare.
Basaltiska bergformationer gör också attraktiva koldioxidlagringsplatser. Vulkaniskt ursprung, basalt är en av de vanligaste bergarterna i jordskorpan. Forskare har funnit att när CO2 reagerar med magnesium och kalciumbasalt innehåller naturligt, det kan vara förvandlas till fasta mineraler , specifikt dolomit, kalcit och magnesit [källa:Cartier].
Sedan har vi kolfyndigheter. Ibland, de som har avskrivits som "ohållbara" kan hålla mycket stora mängder fångad CO2. Inuti, det är möjligt att lagra gasen vid lägre tryck - och därmed spara pengar [källa:Talapatra].
Förutom underjordisk lagring, Vi tittar också på havet för permanent koldioxidlagring. Historiskt sett Det har diskuterats mycket om potentiellt dumpning av CO2 direkt i havet - på djup större än 9, 842 fot (3, 000 meter). Så långt under ytan, koldioxid är faktiskt tätare än vatten. Så förhoppningsvis, den dumpade koldioxidutsläppet skulle vara kvar på plats under en tid [källa:Center for Science Education].
Lagring av koldioxid i havet är i stort sett otestad, och det finns många bekymmer om säkerheten i marint liv och möjligheten att koldioxiden så småningom skulle ta sig tillbaka till miljön.
Nästa, Vi kommer att titta närmare på några av dessa problem och ta reda på om koldioxidavskiljning och lagring är en livskraftig lösning för vår framtid.
Enlisting the SeasEn hypotetisk metod för avlägsnande av koldioxid föreslogs nyligen av forskare vid University of California, Los Angeles. Planen skulle innebära att CO2 utvinns ur havsvatten och artificiellt omvandlas till kalksten och magnesium för lagring. Vattnet i våra hav innehåller naturligtvis cirka 150 gånger så mycket koldioxid som jordens atmosfär. Genom att ta bort befintlig CO2, vi skulle teoretiskt kunna locka havsvatten till att dra mer av denna växthusgas ur vår atmosfär. Kallas "enstegs kolbindning och lagring, "eller sCS 2 , processen skulle sannolikt kräva en enorm finansiell investering. (Tror biljoner dollar.) [källa:Lewis].
Petra Nova -anläggningen, ett kolkraftverk nära Houston, Texas, är den enda koluppsamlings- och lagringsanläggningen i USA. Det fångar och återanvänder mer än 90 procent av sina egna koldioxidutsläpp. Luke Sharrett/Bloomberg via Getty Images Även om avskiljning och lagring av koldioxid kan verka som en mirakellösning, det är inte utan bekymmer eller kontroverser.
Att börja, det är viktigt att komma ihåg att koldioxidavskiljning och lagring (CCS) inte är en licens för att fortsätta släppa ut koldioxid i atmosfären. Oavsett vad framtiden innebär för CCS, andra utsläppsminskande insatser kommer fortfarande att vara nödvändiga. Dock, CCS ger ett sätt att städa upp några av våra befintliga kraftverk.
Enligt en rapport från 2020 från Global CCS Institute, det finns nu "65 kommersiella CCS -anläggningar i olika utvecklingsstadier globalt."
Men vissa kritiker oroar sig för ekonomin i CCS. Elbilar och solpaneler är varor som kan marknadsföras och säljas till privatpersoner och privata organisationer. Men däremot att hitta sätt att tjäna pengar på insamlad koldioxid har visat sig vara svårt.
En annan nackdel? Nuvarande CCS -teknik kräver faktiskt mycket energi för att implementera och köra. Förutom, de är beroende av vatten - och mycket av det - för kylning och bearbetning [källor:Magneschi och Rosa].
Med tanke på detta behov av H2O, Det har debatterats om hur CCS kan (eller kanske inte) bidra till vattenbrist. År 2020, ett team som leds av Lorenzo Rosa vid University of California, Berkeley simulerade effekterna av att eftermontera alla stora kolkraftverk i världen med fyra olika typer av CCS-teknik.
För att citera deras papper, som tidskriften Nature Sustainability publicerade den 4 maj, 2020, "vissa geografier saknar tillräckliga vattenresurser för att tillgodose de ytterligare vattenkraven för CCS -teknik."
Och detta är bara en av de miljöhänsyn som folk har tagit upp om koldioxidavskiljning och lagring.
Vad händer om koldioxiden läcker ut under jorden? Det är svårt att förutsäga vad den avlägsna framtiden innebär för CO2 vi redan har fastnat under jordens yta. Genomförande av goda regler - och val av lagringsplatser av hög kvalitet - kan göra en enorm skillnad på vägen.
Det finns några möjliga sätt för återfångad CO2 att läcka till ytan. Ironiskt, brunnarna som byggdes för att injicera den under jord i första hand kan bli en möjlig flyktväg senare. Så kan övergivna olje- och gasbrunnar - eller naturfel [källa:Dunne].
Ett projektionskrav från 2018 påstår att läckor är osannolika om "realistiskt välreglerad lagring" genomförs. Detta strider mot tidigare forskning i frågan [källor:Dunne och Alcalde].
Vissa motståndare till CCS tror att, livskraftig eller inte, fokus är helt fel. De säger att vi borde fokusera på sätt att avvänja oss från fossila bränslen, men CCS förlänger livslängden för kraftverk som förlitar sig på dem.
På andra sidan av klyftan, CCS -anhängare tror att förnybar energi bara är en del av lösningen. Enligt deras uppfattning, vi kommer förmodligen att behöva kombinera dessa med koldioxidavskiljningsteknik för att ha ett allvarligt hopp om att motverka katastrofala klimatförändringar.
Det finns fortfarande många frågor om den roll koldioxidavskiljning och lagring i slutändan kommer att spela för att hjälpa oss att lindra växthuseffekten och bekämpa klimatförändringarna. Men en sak är säker:Koldioxidutsläpp är ett globalt problem.
Träd kommer inte att rädda ossTräd är definitivt våra allierade i korståget mot global uppvärmning och klimatförändringar. Fotosyntesen gör att de kan absorbera och lagra koldioxid, så växterna fungerar lite som helt naturliga CCS-enheter. Tyvärr, forskare säger att det inte finns något sätt att plantera tillräckligt med träd för att motverka allt överskott av koldioxid som vi har pumpat in i vår atmosfär genom att förbränna fossila bränslen. Förutom, äldre skogar befolkade av en mängd olika trädslag är bättre på att stänga av CO2 än yngre, mer homogena [källa:Tso].
Ursprungligen publicerat:9 juli 2008
