Ponieważ dwutlenek węgla nadal gromadzi się w ziemskiej atmosferze, zespoły badawcze na całym świecie spędziły lata na poszukiwaniu sposobów na skuteczne usunięcie gazu z powietrza. Tymczasem największym na świecie „pochłaniaczem” dwutlenku węgla z atmosfery jest ocean, który pochłania około 30 do 40 procent całego gazu wytwarzanego w wyniku działalności człowieka.
Niedawno pojawiła się możliwość usuwania dwutlenku węgla bezpośrednio z wód oceanicznych jako kolejna obiecująca możliwość łagodzenia emisji CO2, która może kiedyś potencjalnie doprowadzić nawet do całkowitej ujemnej emisji netto. Ale, podobnie jak systemy przechwytywania powietrza, pomysł ten nie doprowadził jeszcze do szerokiego zastosowania, chociaż jest kilka firm, które próbują wejść na ten obszar.
Teraz zespół naukowców z MIT twierdzi, że być może znalazł klucz do naprawdę wydajnego i niedrogiego mechanizmu usuwania. Odkrycia zostały opisane w tym tygodniu w czasopiśmie Energy and Environmental Science, w artykule profesorów MIT T. Alana Hattona i Kripy Varanasi, postdoc Seoni Kim oraz doktorantów Michaela Nitzschego, Simona Rufera i Jacka Lake’a.
Istniejące metody usuwania dwutlenku węgla z wody morskiej stosują napięcie na stosie membran w celu zakwaszenia strumienia zasilającego poprzez rozszczepienie wody. Powoduje to przekształcenie wodorowęglanów w wodzie w cząsteczki CO2, które można następnie usunąć pod próżnią. Hatton, który jest profesorem inżynierii chemicznej Ralpha Landaua, zauważa, że membrany są drogie, a chemikalia są potrzebne do napędzania ogólnych reakcji elektrodowych na obu końcach stosu, co dodatkowo zwiększa koszt i złożoność procesów. „Chcieliśmy uniknąć konieczności wprowadzania chemikaliów do półogniw anodowych i katodowych oraz, jeśli to w ogóle możliwe, uniknąć stosowania membran” – mówi.
Zespół opracował odwracalny proces składający się z ogniw elektrochemicznych pozbawionych membran. Elektrody reaktywne służą do uwalniania protonów do wody morskiej podawanej do komórek, napędzając uwalnianie rozpuszczonego dwutlenku węgla z wody. Proces jest cykliczny: najpierw zakwasza wodę w celu przekształcenia rozpuszczonych nieorganicznych wodorowęglanów w cząsteczkowy dwutlenek węgla, który jest zbierany w postaci gazu pod próżnią. Następnie woda jest podawana do drugiego zestawu ogniw o odwróconym napięciu, aby odzyskać protony i zmienić kwaśną wodę z powrotem na zasadową przed wypuszczeniem jej z powrotem do morza. Okresowo role obu ogniw ulegają odwróceniu, gdy jeden zestaw elektrod zostanie wyczerpany z protonów (podczas zakwaszania), a drugi zostanie zregenerowany podczas alkalizacji.
To usuwanie dwutlenku węgla i ponowne wprowadzanie wody alkalicznej może powoli zacząć odwracać, przynajmniej lokalnie, zakwaszenie oceanów, które zostało spowodowane przez nagromadzenie dwutlenku węgla, co z kolei zagraża rafom koralowym i skorupiakom, mówi Varanasi, profesor Inżynieria mechaniczna. Mówią, że ponowne wstrzyknięcie wody alkalicznej można przeprowadzić przez rozproszone wyloty lub daleko od brzegu, aby uniknąć lokalnego skoku zasadowości, który mógłby zakłócić ekosystemy.
„Nie będziemy w stanie poradzić sobie z emisjami całej planety” – mówi Varanasi. Ale ponowne wstrzyknięcie można wykonać w niektórych przypadkach w miejscach takich jak hodowle ryb, które mają tendencję do zakwaszania wody, więc może to być sposób na przeciwdziałanie temu efektowi.
Po usunięciu dwutlenku węgla z wody nadal należy go usuwać, podobnie jak w przypadku innych procesów usuwania węgla. Na przykład może być zakopany w głębokich formacjach geologicznych pod dnem morskim lub może zostać chemicznie przekształcony w związek taki jak etanol, który może być używany jako paliwo transportowe lub w inne specjalistyczne chemikalia. „Z pewnością można rozważyć wykorzystanie wychwyconego CO2 jako surowca do produkcji chemikaliów lub materiałów, ale nie będziesz w stanie wykorzystać go w całości jako surowca”, mówi Hatton. „Skończy ci się rynek zbytu na wszystkie produkty, które produkujesz, więc bez względu na wszystko znaczna ilość wychwyconego CO2 będzie musiała zostać zakopana pod ziemią”.
Przynajmniej początkowo pomysł polegałby na połączeniu takich systemów z istniejącą lub planowaną infrastrukturą, która już przetwarza wodę morską, taką jak zakłady odsalania. „Ten system jest skalowalny, abyśmy mogli zintegrować go potencjalnie z istniejącymi procesami, które już przetwarzają wodę oceaniczną lub mają kontakt z wodą oceaniczną” – mówi Varanasi. Tam usuwanie dwutlenku węgla mogłoby być prostym dodatkiem do istniejących procesów, które już zwracają ogromne ilości wody do morza i nie wymagałoby materiałów eksploatacyjnych, takich jak dodatki chemiczne czy membrany.
„Dzięki zakładom odsalania już pompujesz całą wodę, więc dlaczego nie umieścić ich tam razem?” Waranasi mówi. „Kilka kosztów kapitałowych związanych ze sposobem przemieszczania wody i uzyskiwaniem pozwoleń, wszystko to można było już załatwić”.
System mógłby również zostać wdrożony na statkach, które przetwarzałyby wodę podczas podróży, aby pomóc złagodzić znaczący udział ruchu statków w ogólnych emisjach. Istnieją już międzynarodowe nakazy obniżenia emisji z żeglugi i „może to pomóc przedsiębiorstwom żeglugowym zrekompensować część ich emisji i zamienić statki w płuczki oceaniczne” – mówi Varanasi.
System można również wdrożyć w miejscach takich jak platformy wiertnicze na morzu lub w gospodarstwach akwakultury. Ostatecznie może to doprowadzić do rozmieszczenia wolnostojących instalacji do usuwania dwutlenku węgla, rozproszonych na całym świecie.
Hatton mówi, że proces może być bardziej wydajny niż systemy przechwytywania powietrza, ponieważ stężenie dwutlenku węgla w wodzie morskiej jest ponad 100 razy większe niż w powietrzu. W systemach bezpośredniego przechwytywania powietrza konieczne jest najpierw wychwycenie i skoncentrowanie gazu przed jego odzyskaniem. „Oceany są jednak dużymi pochłaniaczami dwutlenku węgla, więc etap wychwytywania został już dla ciebie wykonany” – mówi. „Nie ma etapu przechwytywania, tylko uwolnienie”. Oznacza to, że ilość materiału, który należy przetworzyć, jest znacznie mniejsza, co potencjalnie upraszcza cały proces i zmniejsza wymagania dotyczące zajmowanej powierzchni.
Badania są kontynuowane, a jednym z celów jest znalezienie alternatywy dla obecnego etapu, która wymaga próżni w celu usunięcia oddzielonego dwutlenku węgla z wody. Inną potrzebą jest określenie strategii operacyjnych, aby zapobiec wytrącaniu się minerałów, które mogą zanieczyścić elektrody w komorze alkalizującej, co jest nieodłącznym problemem, który zmniejsza ogólną wydajność we wszystkich zgłoszonych podejściach. Hatton zauważa, że w tych kwestiach poczyniono znaczne postępy, ale jest jeszcze za wcześnie, aby o nich informować. Zespół spodziewa się, że system będzie gotowy do praktycznego projektu demonstracyjnego w ciągu około dwóch lat.
„Problem dwutlenku węgla jest definiującym problemem naszego życia, naszej egzystencji” – mówi Varanasi. „To oczywiste, że potrzebujemy wszelkiej możliwej pomocy”.
Prace były wspierane przez ARPA-E.