Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hävdar att en begränsning av den globala uppvärmningen till 1,5˚C kan avvärja de mest katastrofala effekterna av klimatförändringarna. I sin senaste rapport, den lade fram fyra sätt att uppnå detta - och alla förlitar sig på att ta bort koldioxid från atmosfären. Detta beror på att även om vi minskar de flesta av våra koldioxidutsläpp till noll, utsläpp från jordbruk och flygresor skulle vara svåra att eliminera helt. Och eftersom koldioxid som redan finns i atmosfären kan påverka klimatet i hundratals till tusentals år, IPCC hävdar att teknik för avlägsnande av koldioxid (CDR) kommer att vara avgörande för att bli av med 100 till 1000 gigaton CO2 detta århundrade.

Hur kan koldioxid tas bort?

Det finns en mängd olika CDR-strategier, alla i olika utvecklingsstadier, och varierar i kostnad, fördelar och risker. CDR-metoder som använder träd, växter och jord för att absorbera kol har använts i stor skala i årtionden; andra strategier som förlitar sig mer på teknik är oftast på demonstrations- eller pilotstadiet. Varje strategi har för- och nackdelar.

Beskogning och återplantering

När växter och träd växer, de tar koldioxid från atmosfären och omvandlar den till sockerarter genom fotosyntes. På det här sättet, Amerikanska skogar absorberar 13 procent av landets koldioxidutsläpp; globalt, skogarna lagrar nästan en tredjedel av världens utsläpp.

Att plantera ytterligare träd kan ta bort mer kol från atmosfären och lagra det under lång tid, samt förbättra markkvaliteten till en relativt låg kostnad - $ 0 till $ 20 per ton kol. Beskogning innebär plantering av träd där det inte fanns några tidigare; återplantering av skog innebär att återställa skogar där träd har skadats eller utarmats.

Skogsplantering, dock, kan konkurrera om mark som används för jordbruk precis som livsmedelsproduktionen behöver öka 70 procent till 2050 för att mata den växande världsbefolkningen. Det kan också påverka biologisk mångfald och ekosystemtjänster.

Och även om skogar kan binda kol i årtionden, de tar många år att växa och kan bli mättade på årtionden till århundraden. De kräver också noggrann hantering eftersom de utsätts för mänskliga och naturliga effekter som skogsbränder, torka och skadedjursangrepp.

Kolbindning i marken

Kolet som växter tar upp från atmosfären i fotosyntesen blir en del av jorden när de dör och sönderfaller. Den kan ligga kvar där i årtusenden eller så kan den släppas ut snabbt beroende på klimatförhållanden och hur marken sköts. Minimal jordbearbetning, täckgrödor, växelbruk och lämnande av skörderester på fältet hjälper jorden att lagra mer kol.

IPCC, som anser att markens kolbindning har förmågan att minska CO2 till lägsta kostnad – 0 till 100 USD per ton – uppskattar att markens kolbindning skulle kunna ta bort mellan 2 och 5 gigaton koldioxid per år till 2050. Som jämförelse, världens kraftverk släppte ut 32,5 gigaton CO2 2017.

Kolbindning i marken skulle kunna sättas in omedelbart, och skulle förbättra markens hälsa och öka skörden; dessutom skulle det inte stressa mark- och vattenresurser. Men medan marken lagrar stora mängder kol i början, det kan bli mättat efter 10 till 100 år, beroende på klimatet, jordtyp och hur den sköts.

Bioenergi med avskiljning och lagring av koldioxid (BECCS)

Om vi ​​bränner anläggningar för energi vid ett kraftverk och fångar upp och lagrar de resulterande utsläppen, CO2 som växterna tidigare absorberat tas bort från atmosfären. CO2 kan sedan användas för ökad oljeutvinning eller injiceras i jorden där den binds i geologiska formationer.

IPCC uppskattar att BECCS skulle kunna ta bort mellan 0,5 och 5 gigaton kol per år till 2050. För att absorbera tillräckligt med kol för att hålla världen vid 2˚, dock, energigrödor skulle behöva planteras över ett landområde upp till tre gånger storleken på Indien, enligt en uppskattning; och även mindre mängder BECCS skulle konkurrera med mark som behövs för livsmedelsproduktion. En studie drog slutsatsen att storskalig BECCS kan få det globala skogstäcket att minska med 10 procent och kräva dubbelt så mycket vatten som för närvarande används globalt för jordbruk. BECCS kan också komma att påverka biologisk mångfald och ekosystemtjänster, och generera utsläpp av växthusgaser genom jordbruk och användning av gödningsmedel.

Vid denna tidpunkt, BECCS är dyrt. Just nu, det finns bara ett fungerande BECCS-projekt i världen – en etanolfabrik i Decatur, IL som har fångat och lagrat över 1,4 miljoner ton C02. Eftersom det finns så få forskningsprojekt och BECCS är oprövat i stor skala, den är fortfarande i ett tidigt utvecklingsstadium. Medan nuvarande kostnadsberäkningar för BECCS varierar mellan $30 och $400 per ton CO2, studier projekt att kostnaderna kan sjunka till 100 till 200 USD per ton kol år 2050. Ändå, BECCS anses vara en av de mest potentiellt effektiva strategierna för avlägsnande av koldioxid för att tillhandahålla långtidslagring av kol.

National Academy of Sciences, Ingenjörs- och medicinprojekt som med tanke på vad vi vet idag, skogsplantering och återplantering, kolbindning i marken, och BECCS, tillsammans med hållbara skogsbruksmetoder (som gallring av skogar och föreskrivna brännskador) skulle kunna skalas upp för att fånga och lagra 1 gigaton kol per år i USA och 10 gigaton globalt. Dock, detta skulle kräva enorma förändringar inom jordbruket, avfallshantering av skog och biomassa.

Kolmineralisering

Denna strategi utnyttjar en naturlig process där reaktiva material som peridotit eller basaltisk lava kemiskt binder till CO2, bildar fasta karbonatmineraler som kalksten som kan lagra CO2 i miljontals år. De reaktiva materialen kan kombineras med CO2-haltig vätska vid kolavskiljningsstationer, eller så kan vätskan pumpas in i reaktiva bergformationer där de förekommer naturligt.

Forskare vid Earth Institute:s Lamont-Doherty Earth Observatory har arbetat med kolmineralisering i flera år, och hittar sätt att påskynda den naturliga reaktionen för att öka CO2-upptaget och permanent lagra det. Lamont forskningsprofessor David Goldberg och hans kollegor, till exempel, studerar möjligheten att lagra 50 miljoner ton eller mer av CO2 i basaltreservoarer i Pacific Northwest. Över 20 år, projektet skulle injicera koldioxid från industriella källor, såsom tillverkning och fossila bränslekraftverk, i basalt 200 miles offshore, på den östra flanken av Juan de Fuca Ridge. Där, under 2600 meter vatten och ytterligare 200 meter sediment, basaltreservoaren innehåller porutrymmen som skulle fyllas upp när CO2 mineraliseras till karbonatkalksten. I detta område, basalten reagerar snabbt och mineralisering kan potentiellt ta bara två år eller mindre. Goldbergs team har analyserat faktorer inklusive hur man transporterar CO2, hur det skulle reagera kemiskt, och hur webbplatsen kunde övervakas över tid.

Nästa steg är att starta ett pilotprojekt där för att lagra 10, 000 ton CO2. "Ett pilotprojekt är avgörande för att flytta bollen framåt för basalt offshore kolmineralisering, både av tekniska och regulatoriska skäl, ", sa Goldberg. Det skulle göra det möjligt för forskarna att experimentera med olika typer av injektioner - t.ex. om de ska vara kontinuerliga eller intermittenta - och svara på frågor som "hur snabbt fyller porutrymmet?" som endast kan testas i fält. Dessutom, ett pilotprojekt är nyckeln till att förstå de regulatoriska konsekvenserna av kolmineralisering, eftersom det inte finns några regler för närvarande. Kanada och USA skulle bara börja skapa ett regelverk när de har ett pilotprojekt. Goldberg säger att de fortfarande letar efter finansiering för ett pilotprojekt, men "Det finns ett stort intresse."

Sedan 2012, CarbFix, ett isländskt projekt som Goldberg också arbetat med, har fångat kol och mineraliserat det vid landets största geotermiska kraftverk som drivs av Reykjavik Energy. Medan anläggningen drivs med geotermisk förnybar energi, det släpper fortfarande ut en liten mängd CO2; CarbFix injicerar 12, 000 ton CO2 årligen ner i marken för 30 USD per ton.

Eftersom kolmineralisering drar fördel av naturliga kemiska processer, den har potential att ge en ekonomisk, giftfritt och permanent sätt att lagra enorma mängder kol. Dock, det finns fortfarande tekniska och miljömässiga frågor som måste besvaras – enligt National Academies rapport, kolmineralisering kan eventuellt förorena vattenresurser eller utlösa jordbävningar.

Direkt luftuppsamling

Direkt luftinfångning suger ut koldioxid ur luften genom att använda fläktar för att flytta luft över ämnen som binder specifikt till koldioxid. (Detta koncept är baserat på Klaus Lackners "konstgjorda träd", chef för Center for Negative Carbon Emissions vid Arizona State University, som under många år var chef för Earth Institutes Lenfest Center for Sustainable Energy.) Tekniken använder föreningar i en flytande lösning eller i en beläggning på ett fast ämne som fångar upp CO2 när de kommer i kontakt med det; när de senare utsätts för värme och kemiska reaktioner, de släpper ut CO2, som sedan kan komprimeras och förvaras under jord. Fördelarna med direkt luftuppsamling är att det faktiskt är en teknik för negativa utsläpp - det kan ta bort kol som redan finns i atmosfären, i motsats till att fånga upp nya utsläpp som genereras – och systemen kan placeras nästan var som helst.

På ett kolverk, ungefär en av tio molekyler i avgaserna är CO2, men CO2 i atmosfären är mindre koncentrerad. Endast en av två, 500 molekyler är CO2, så processen för att ta bort CO2 är dyrare jämfört med att fånga upp kol från fossilbränsleanläggningar. Direkt luftavskiljning började med 600 USD per ton kol; för närvarande kostar det 100-200 dollar per ton – fortfarande dyrt, delvis för att det inte finns några ekonomiska incitament (som en koldioxidskatt) eller sekundära miljöfördelar (som förbättrad markkvalitet) för att avlägsna CO2 från luften. Att förbättra tekniken så att CO2 kan fångas upp mer effektivt, och/eller försäljning av den fångade CO2 kan få ner priset. Tre företag — Swiss Climeworks, kanadensisk kolteknik, och American Global Thermostat—jobbar på detta.

Climeworks första kommersiella anläggning nära Zürich fångar 1, 000 ton CO2 per år, som används i ett växthus för att öka skördarna med 20 procent. Under 2017, företaget installerade en direkt luftinfångningsenhet som en demo vid Reykjavik Energys isländska anläggning för att fånga upp en liten mängd CO2 som sedan lagras under jord av CarbFix.

Climeworks har nu 14 direkta luftinfångningsanläggningar byggda eller under uppbyggnad i Europa; dess italienska fabrik använder den fångade koldioxid för att göra metanbränsle till lastbilar.

Carbon Engineering, som stoltserar med Bill Gates som investerare, har en anläggning i västra Kanada som kan fånga upp en miljon ton CO2 om året. Den projekterar att i stor skala, det skulle kunna ta bort CO2 för $100 till $150 per ton. Dess mål är att använda CO2 för att göra kolneutrala syntetiska kolvätebränslen, vilket skulle sänka kostnaden ytterligare. Företaget hävdar att en anläggning som använder denna "Air to Fuels"-process, en gång skalat upp, kan producera bränsle för mindre än 1 dollar per liter.

Global termostat, som bygger sin första fabrik i Huntsville, AL, siktar på att få ner sitt pris till 50 dollar per ton genom att sälja den infångade CO2 till ett sodaföretag. Företaget skulle bygga små "fångningsanläggningar" på plats vid läsktillverkarens anläggningar, vilket minskar kostnaderna för energi och transporter.

En studie förutspådde att direkt luftinfångning skulle kunna suga upp 0,5 till 5 gigaton CO2 per år år 2050 med möjligen 40 gigaton år 2100. storskalig direkt luftinfångning kan så småningom få miljöpåverkan från utvinningen, raffinering, transport och avfallshantering av de mineraler som fångar upp koldioxidutsläppen.

Även om direkt luftinfångning har stor potential för avlägsnande av koldioxid, det är fortfarande på ett tidigt stadium av utvecklingen. Lyckligtvis, det får visst stöd från kongressen i form av FUTURE Act (The Furthering carbon capture, Utnyttjande, Teknologi, Underjordiskt förråd, och lagen om minskade utsläpp). Lagen fördubblar skatteavdragen för att fånga och permanent lagra koldioxid i geologiska formationer och använda den för ökad oljeutvinning; för företag som omvandlar kol till andra produkter som cement, kemikalier, plaster och bränslen; och ger en skattelättnad på $35 per ton CO2 via direkt luftavskiljning.

Förbättrad vittring

Stenar och jord blir vittrade genom att reagera med CO2 i luften eller i surt regn, vilket naturligt uppstår när CO2 i luft löses upp i regnvatten. Stenarna bryts ner, skapa bikarbonat, en kolsänka, som så småningom förs ut i havet där den förvaras. Förbättrad vittring påskyndar denna process genom att sprida pulveriserat sten, som basalt eller olivin, på jordbruksmark eller på havet. Det kunde krossas och spridas på åkrar och stränder, och även används för stigar och lekplatser.

Förbättrad vittring kan förbättra markkvaliteten, och när det alkaliska bikarbonatet sköljs ut i havet, det kan hjälpa till att neutralisera havsförsurningen. Men det kan också potentiellt förändra jordens pH och kemiska egenskaper, och påverka ekosystem och grundvatten. Brytning, slipning och transport av berget skulle bli kostsamt, kräver mycket energi och producerar ytterligare koldioxidutsläpp samt luftföroreningar. På grund av de många variablerna och det faktum att de flesta bedömningar av förbättrad väderlek inte har testats i fält, kostnadsuppskattningar varierar kraftigt.

Alkalisering av havet, betraktas som en typ av förstärkt väderpåverkan, involverar tillsats av alkaliska mineraler, som olivin, till havsytan för att öka CO2-upptaget och motverka havsförsurningen. En studie uppskattade att denna strategi kunde avlägsna mellan 100 ton till 10 gigaton CO2 per år, för kostnader som sträcker sig från $14 till över $500 per ton. Dess ekologiska effekter, dock, är okända.

Havsbefruktning

Havsbefruktning skulle tillföra näringsämnen, ofta järn, till havet för att få algblomning, som skulle absorbera mer CO2 genom fotosyntes. Dock, genom att stimulera tillväxten av växtplankton – basen i näringskedjan – kan havsgödsling påverka lokal och regional livsmedelsproduktivitet. Stora algblomningar kan också orsaka övergödning och resultera i döda zoner som är utarmade på syre. Förutom dess möjliga ekosystempåverkan, det har också mindre potential att binda kol på lång sikt.

Kustblått kol

Salta våtmarker, mangrove, Havsgräs och andra växter i tidvattenvåtmarker är ansvariga för mer än hälften av det kol som binds i havet och kustekosystemen. Detta blå kol kan lagras i årtusenden i växter och sediment. Dock, våtmarker förstörs av avrinning och föroreningar, torka och kustutveckling – ett område med sjögräs i storleken på en fotbollsplan går förlorat varje halvtimme. Att återställa och skapa våtmarker och hantera dem bättre kan potentiellt fördubbla deras kollagring. Friska våtmarker ger också stormskydd, förbättra vattenkvaliteten och stödja marint liv.

Det finns få uppskattningar av kolavlägsnandepotentialen för blått kol, men kostnaderna skulle vara låga till noll.

Och några idéer för framtiden

Y Combinator, en organisation som finansierar lovande startups, har lagt ut en uppmaning till alla som arbetar med nya typer av teknik för borttagning av koldioxid, ingen av dem har ännu testats utanför ett labb. Specifikt, de letar efter projekt inom fyra områden:

• Genom att ändra växtplanktons gener skulle de kunna avskilja kol i områden i det globala havet som saknar de näringsämnen som behövs för fotosyntesen.
• Elektrogeokemi använder elektricitet från förnybara källor för att bryta ner saltvatten för att producera väte (som kan användas som bränsle) och syre, som, i närvaro av mineraler, ger en mycket reaktiv lösning. Denna lösning absorberar koldioxid från atmosfären och omvandlar den till bikarbonat.
• Enzymsystem påskyndar kemiska reaktioner som kan omvandla koldioxid till andra användbara organiska föreningar. Y Combinator skulle vilja skapa enzymsystem som kan göra detta utanför levande celler för att förenkla kolfixering.
• Den sista idén handlar om att skapa 4,5 miljoner små oaser i öknar för att vara värd för växtplankton som skulle absorbera CO2. De skulle också ge färskvatten och stödja vegetation som också skulle kunna suga upp kol.

Vad krävs för att avskaffa koldioxid?

Varje CDR-teknik är genomförbar på någon nivå, men har osäkerhet om kostnader, teknologi, hastigheten för eventuellt genomförande, eller miljöpåverkan. Det är uppenbart att ingen enskild tillhandahåller den ultimata lösningen på klimatförändringarna.

"Enbart borttagning av koldioxid kan inte göra det, sa Kate Gordon, en stipendiat vid Columbia Center on Global Energy Policy. "Om det finns en sak som IPCC-rapporten verkligen understryker är att vi behöver en portfölj - vi måste minska utsläppen dramatiskt, vi måste komma på fler förnybara energialternativ för att ersätta fossila bränslen, vi måste elektrifiera många saker som för närvarande körs på petroleum och sedan måste vi göra en enorm mängd koldioxidborttagning. "På kort sikt skulle hon vilja se mer utplacering och uppgradering av beprövade och sanna strategier, såsom trädplantering av träd och mer hållbara jordbruksmetoder.

Faktiskt, en ny studie fastställde precis att plantering av träd och förbättrad skötsel av gräsmarker, jordbruksmarker och våtmarker kan avlägsna 21 procent av USA:s årliga utsläpp av växthusgaser till relativt låg kostnad.

Att vidareutveckla de andra strategierna för avlägsnande av koldioxid kommer att kräva stora summor pengar.

"Klimatfilantropigemenskapen behöver faktiskt erkänna detta som en del av klimatlösningen - det är verkligen viktigt att [CDR] blir en del av den portföljen, ", sa Gordon. "Vi behöver också en ganska betydande federal FoU-budget tillägnad dessa strategier så att vi kan börja förbättra tekniken och få ett bättre grepp om hur mycket det kostar att göra var och en av dessa saker, hur effektiva de är och hur säkra de är."

Att upprätta ett ekonomiskt incitament för att ta bort kol, såsom en koldioxidskatt eller straff för att släppa ut kol skulle också hjälpa.

"Detta är nästa gräns för energin, klimat- och tekniksamtal, " sa Gordon. "Vi måste ligga före den här grejen om vi vill förbli konkurrenskraftiga - om vi vill fortsätta att ha de flesta av världens ren energi och avancerade energipatent ... annars kommer vi att köpa det från någon annan, för någon kommer att göra det."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu. Originalartikeln finns här.