Atmosfären kan liknas vid ett badkar som bara kan fyllas till kanten om den globala uppvärmningen ska begränsas till en viss nivå. Vi skulle kunna skapa ytterligare ett litet utgående flöde med negativa utsläpp. Dock, det går inte att stänga av kranen. Kredit:M. May/HZB
Om CO 2 utsläppen sjunker inte tillräckligt snabbt, sedan CO 2 kommer att behöva avlägsnas från atmosfären för att begränsa den globala uppvärmningen. Inte bara kan plantering av ny skog och biomassa bidra till detta, men också ny teknik för artificiell fotosyntes. Fysiker har uppskattat hur mycket yta sådana lösningar skulle kräva. Även om artificiell fotosyntes kan binda CO 2 mer effektivt än den naturliga modellen, Det krävs enorma investeringar i forskning för att uppskala tekniken.
Efter flera år under vilka de globala utsläppen stagnerade, de steg igen något under 2017 och 2018. Tyskland har också klart missat sina klimatmål. För att hålla den globala uppvärmningen under 2 grader Celsius, endast cirka 1100 gigaton CO 2 kan släppas ut i atmosfären år 2050. Och för att begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 grader, bara knappt 400 gigaton CO 2 kan sändas ut över hela världen. År 2050, utsläppen måste minska till noll. För närvarande dock 42 gigaton CO 2 tillkommer varje år.
Nästan alla olika scenarier kräver "negativa utsläpp"
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) har numeriskt simulerat olika scenarier. Endast i det mest optimistiska scenariot kan klimatmålet fortfarande uppnås:och detta genom omedelbara och drastiska åtgärder inom alla sektorer (transport, lantbruk, konstruktion, energi, etc.).
I de mindre optimistiska scenarierna, världssamfundet kommer att behöva vidta ytterligare åtgärder med början 2030 eller senast 2050:vi måste implementera "negativa utsläpp" genom att ta bort stora mängder koldioxid 2 från atmosfären och lagra dem permanent för att balansera kolbudgeten. Ett exempel på negativa utsläpp är storskalig skogsplantering – skog binder koldioxid 2 i trä så länge det inte senare används som bränsle. Men CO 2 kunde också avlägsnas från atmosfären och bindas med hjälp av artificiell fotosyntes.
Fysiker har nu räknat ut hur detta kan fungera. Dr Matthias May från HZB Institute for Solar Fuels är expert på artificiell fotosyntes. Dr. Kira Rehfeld är miljöfysiker vid universitetet i Heidelberg som studerar klimat och miljövariabilitet.
Naturlig fotosyntes:en yta lika stor som Europa skulle behöva beskogas
I ett medianscenario, minst 10 gigaton CO 2 per år skulle behöva avlägsnas från atmosfären med början omkring 2050 för att balansera klimatbudgeten för koldioxid. Skogsbruk och odling av biomassa för att minska CO 2 konkurrera om samma områden som behövs för jordbruket, dock. Med bara mer biomassa, det är därför svårt att nå denna skala, för naturlig fotosyntes är inte en särskilt effektiv process. Bladen kan använda maximalt två procent av ljuset för att omvandla CO 2 och vatten till nya kemiska föreningar. De två fysikerna hävdar att för att binda 10 gigaton CO 2 per år i skogen, cirka 10 miljoner kvadratkilometer av de bördiga områdena på jorden skulle behöva planteras med ny skog. Detta motsvarar kontinentens yta...upp till Ural!.
Med artificiell fotosyntes, ett område av delstaten Brandenburgs storlek skulle kunna räcka
Materialsystem som för närvarande undersöks för artificiell fotosyntes kan binda CO 2 med betydligt högre effektivitet. Redan idag, i labbskala, fotoelektrokemiska system gjorda av halvledarmaterial och oxider kan använda cirka 19 % av ljuset för att dela vatten, till exempel, och därmed förverkliga en del av fotosyntesprocessen. Dock, det materialsystem som May och Rehfeld förutsåg handlar inte om att producera väte med solljus, utan istället om att binda CO 2 molekyler och omvandlar dem till stabila kemiska föreningar. "Dock, detta är ett relativt liknande problem ur fysikalisk kemisynpunkt", säger May.
Förutsättningen, dock, är att det år 2050 kommer att vara möjligt att utveckla storskalig, hållbara moduler som använder solenergi för att omvandla atmosfärisk CO 2 till andra föreningar. Den erforderliga arean för denna lösning kan beräknas. Om man antar en effektivitet på 19 % och 50 % systemförluster, runt 30, 000 kvadratkilometer moduler kan vara tillräckligt för att utvinna 10 gigaton CO 2 från atmosfären årligen. Detta motsvarar det ungefärliga området för den tyska delstaten Brandenburg.
"Den här typen av moduler kan placeras i icke-jordbruksregioner - i öknar, till exempel. I motsats till växter, de kräver knappt något vatten för att fungera, och deras effektivitet blir inte lidande när de utsätts för intensiv solstrålning, " förklarar May. Den extraherade CO 2 kan omvandlas till myrsyra, alkohol eller oxalat och kombineras med andra föreningar (som kalciumklorid) för att bilda fasta mineraler som kan lagras eller till och med användas i form av plast som byggmaterial.
Fokus på utveckling, inte på mirakel
Även om May och Rehfeld är övertygade om att sådana lösningar bör övervägas närmare, de varnar för att förlita sig på tekniska mirakel. Detta beror på att sådana system fortfarande bara fungerar i den minsta skalan, är dyra, och inte stabilt på lång sikt. Att förändra detta kräver stora investeringar i forskning och utveckling.
"Det kan vara möjligt att utveckla sådana moduler, men även om vi då kunde bygga dem, vi uppskattar att omvandlingen kommer att kosta minst 65 euro per ton CO 2 . Utvinning av 10 gigaton CO 2 resulterar alltså i kostnader på 650 miljarder euro varje år. Dessutom, negativa utsläpp kan bara vara den sista utvägen för att bromsa den dramatiska klimatutvecklingen. Det bästa nu vore att drastiskt minska utsläppen omedelbart – det skulle vara säkrare och mycket billigare, säger May.
