Tehnologija hvatanja ugljika:
Smanjenje superzagađivača radi ograničavanja globalnog zagrijavanja

Šan Daniel

Globalno zagrijavanje predstavlja značajan niz rizika za ljude na Zemlji. Planeta se zagrijava zbog efekta staklene bašte, odnosno gasova u Zemljinoj atmosferi koji zarobljavaju dugovalno zračenje koje emituje Zemljina površina unutar atmosfere. Primarni gas koji doprinosi ovom efektu je ugljen-dioksid, koji se emituje tokom sagorijevanja ugljovodoničnih goriva za energiju. Potencijalni negativni efekti nekontrolisanih emisija i zagrijavanja rezultiraju ekstremnim vremenskim događajima, poljoprivrednim gubicima i poplavama obalnih područja zbog topljenja polarnih ledenih kapa. Kao rezultat toga, prelazak globalnog energetskog oslanjanja na izvore koji ublažavaju negativne posljedice klimatskih promjena je kritičan i vremenski osjetljiv. To se može postići smanjenjem globalnog oslanjanja na fosilna goriva i druge supstance koje emituju ugljik i prelaskom na obnovljive izvore energije, poput solarne, vjetroelektrane, hidroelektrana, plime i oseke i nuklearne energije, koji ne oslobađaju CO2 tokom svog procesa (1).

Međutim, od početka industrijske revolucije, atmosferske koncentracije CO2 su se povećale sa 280 ppm na 430 ppm, što je ekvivalentno 1.18 × 10^12.  dodatnih metričkih tona CO2 u našoj atmosferi. S obzirom na veličinu ove promjene, uklanjanje emitiranog ugljika iz atmosfere i njegovo skladištenje na način koji eliminira njegov utjecaj na globalno zagrijavanje bila je nedavna tema interesa klimatologa.

Trenutni procesi sekvestracije ugljika imaju za cilj uzimanje zraka iz okoline i njegovo koncentriranje za skladištenje (2). To se može postići nizom od četiri reakcije: Reakcija 1 uključuje propuštanje zraka kroz otopinu kalijevog hidroksida, gdje CO2 može reagirati s vodom i postati ugljična kiselina, koja prolazi kroz kiselo-baznu neutralizaciju stvarajući kalijev karbonat i vodu. Reakcija 2 regenerira kalijev hidroksid reakcijom kalijevog karbonata s kalcijevim hidroksidom stvarajući kalcijev karbonat, koji je nerastvorljiv u vodi. U reakciji 3, čvrsti kalcijev karbonat se podvrgava termičkoj razgradnji pod izuzetno visokim temperaturama stvarajući kalcijev oksid i ugljikov dioksid, koji se emitira iz reakcije u kontroliranom okruženju gdje se može skladištiti. Konačno, reakcija 4 uključuje regeneraciju kalcijevog oksida kada se otopi u vodi. Iako su reakcije 1, 2 i 4 egzergonske, povoljne reakcije, termička razgradnja kalcijevog karbonata je izuzetno endotermna i zahtijeva ekstremnu količinu unosa energije, što industrijsku sekvestraciju ugljika čini skupom i teško održivom (3). Po metričkoj toni CO2 uklonjenog iz okolnog zraka, trošak se procjenjuje na između 600 i 1000 dolara. Koristeći isključivo trenutne tehnologije sekvestracije ugljika, trošak uklanjanja dovoljne količine CO2 za povratak na predindustrijske nivoe atmosferskog CO2 iznosio bi 708 triliona dolara, ili otprilike 25 puta više od američkog BDP-a u 2023. godini (4).

Ova metodologija trenutno nije održiva metoda za značajan utjecaj na nivoe CO2 u našoj atmosferi. Inovacije i poboljšanja i treće reakcije procesa sekvestracije ugljika i skladištenja/prodaje proizvedenog CO2 mogu smanjiti ukupne troškove ovog procesa, omogućavajući njegovu primjenu u većem obimu i ukupno veći pozitivan utjecaj (4). Hvatanje metana, super zagađivača koji šteti zdravlju i potiče klimatske promjene, može dopuniti strategije sekvestracije ugljika ciljajući kratkotrajne klimatske zagađivače koji nude neposredne koristi za zdravlje i klimu. Međutim, s daljnjim inovacijama za stvaranje isplativijeg procesa i kombinacijom s drugim obnovljivim oblicima energije, sekvestracija ugljika može biti važan alat za ublažavanje negativnih učinaka klimatskih promjena.

Biološki vođena metoda koja je posljednjih godina stekla sve veće priznanje je Regenerativna poljoprivreda (RA). Regenerativna poljoprivreda nudi integriraniji i održiviji pristup poljoprivredi fokusirajući se na obnovu tla i dugoročnu ekološku ravnotežu (5). Za razliku od konvencionalne poljoprivrede, koja često uveliko ovisi o kemijskim gnojivima i pesticidima, RA naglašava tradicionalne, prirodne prakse (6). Pet osnovnih principa na koje se regenerativna poljoprivreda uglavnom oslanja kako bi poboljšala zdravlje tla su: minimiziranje poremećaja tla, maksimiziranje raznolikosti usjeva, održavanje kontinuiranog pokrivača tla, očuvanje živog korijenja u tlu tokom cijele godine i integracija stoke, poput goveda, u poljoprivredne sisteme.

Uprkos tome što je jedan od najefikasnijih pristupa održivoj poljoprivredi i skladištenju ugljika u atmosferi, RA se suočava s nekoliko prepreka za široku primjenu (7). Pristup je vremenski zahtjevan i zahtijeva pažljivo i dosljedno upravljanje. Poljoprivrednici moraju usvojiti nove tehnike i razviti dublje razumijevanje biologije tla, interakcija biljaka i praksi zasnovanih na ekosistemu kako bi efikasno upravljali svojim zemljištem. Ove promjene često zahtijevaju i tehničku obuku i dugoročnu posvećenost, što nije izvodljivo za sve poljoprivredne zajednice.

Međutim, ako se RA podrži dosljednom implementacijom i integracijom modernih tehnologija - kao što su dronovi, senzori i poljoprivredna robotika - ona ima potencijal da postane jedna od najpouzdanijih dugoročnih strategija za skladištenje ugljika (8). Ove tehnologije mogu poboljšati preciznost i efikasnost praksi upravljanja zemljištem, olakšavajući praćenje zdravlja tla, optimizirajući plodored i smanjujući radno intenzivne zadatke. Na primjer, studija je pokazala da tlo ima kapacitet da veže do 3.4 gigatona ugljika godišnje putem poljoprivrednih praksi (9). Međutim, postizanje ovog obima sekvestracije zahtijevalo bi sadnju približno 5.72 × 10¹¹ stabala godišnje.

Proces reverzne transformacije (RA) uključuje nekoliko međusobno povezanih bioloških i hemijskih koraka koji doprinose dugoročnom skladištenju ugljika u tlu. Počinje povećanim uzgojem drveća, usjeva i biljaka, koji igraju ključnu ulogu u hvatanju atmosferskog ugljičnog dioksida (CO₂) kroz proces fotosinteze. Tokom fotosinteze, biljke pretvaraju CO₂ i vodu u glukozu (C₆H₁₂O₆) i kisik (O₂), slijedeći reakciju: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Proizvedena glukoza se ne koristi samo za rast biljaka, već se i izlučuje kroz korijenje u tlo kako bi podržala mikrobne zajednice. Ovi korijenski eksudati stimulišu mikrobno disanje i aktivnost u rizosferi, poboljšavajući kruženje hranjivih tvari. Dio organskog ugljika se na kraju stabilizuje procesom koji se naziva humifikacija, gdje se mikrobni i biljni ostaci transformišu u složene huminske supstance. Ove supstance formiraju stabilnu organsku materiju u tlu koja može ostati u tlu decenijama, efikasno skladišteći ugljik u zemlji.

Iako je RA visoko održiv pristup, značajan napredak kroz ovu metodu zahtijeva istovremeno smanjenje antropogenih emisija ugljika. Studija pokazuje da godišnja količina ugljičnog dioksida koju emitiraju ljudske aktivnosti premašuje količinu koja se može vezati regenerativnim poljoprivrednim praksama (globalni godišnji budžet). Na primjer, 2023. godine emitovano je 36.8 gigatona CO2, u poređenju sa 3.4 gigatona ugljika vezanog godišnje putem RA.

Beton je sveprisutan građevinski materijal; nalazi se u našim cestama, trotoarima, zgradama, mostovima i tunelima. U stvari, beton je druga najkorištenija supstanca na svijetu, odmah iza vode, a „u građevinarstvu se koristi dvostruko više betona nego svih ostalih građevinskih materijala zajedno“ (12). Trenutno se u svijetu proizvodi 30 milijardi tona betona svake godine, a globalna potražnja za betonom samo raste, posebno kako se industrijalizacija ubrzava u mnogim zemljama globalnog Juga (13). Nažalost, beton dolazi s troškovima energije.

Cement, ključna komponenta betona, proizvodi se procesom poznatim kao kalcinacija — mješavina krečnjaka i gline zagrijava se na vrlo visoke temperature, što uzrokuje hemijsku reakciju koja proizvodi ugljikov dioksid (CO ₂ ) i kreč (CaO). Kreč se zatim miješa s još gline i ponovo zagrijava da bi se formirao cement. Konačno, taj cement reaguje s vodom i formira različite produkte hidratacije, koji stvrdnjavaju i vežu agregate (uglavnom pijesak, šljunak i drobljeni kamen), formirajući ono što poznajemo kao beton.

Međutim, kada je značajan unos energije potreban za zagrijavanje cementa i CO2 ₂  Ako se uzmu u obzir oba faktora koji se oslobađaju kao nusprodukt tokom kalcinacije, postaje očigledno da beton ima prilično značajan ugljični otisak. U stvari, jedna tona cementa oslobađa 0.85 tona COXNUMX. ₂ , a industrija betona proizvodi 4-8% svjetske emisije ugljika (14). Trenutno, nijedan drugi građevinski materijal nije sposoban da se mjeri sa svestranošću, niskom cijenom i jednostavnošću proizvodnje betona, ali postoji li način da se smanji ugljični otisak betona, a istovremeno potencijalno smanje troškovi za industriju?

Ispostavilo se da, uprkos činjenici da emituje ugljen-dioksid tokom procesa mešanja, beton takođe apsorbuje ugljenik putem pasivne hemijske reakcije poznate kao karbonizacija uzrokovana vremenskim utjecajemTokom ovog procesa, kalcijum hidroksid (Ca(OH) ₂ , također poznat kao portlandit), nusprodukt hidratacijskih reakcija unutar betona, reagira s ugljičnim dioksidom iz zraka i formira kalcijev karbonat (CaCO ₃ , također poznat kao kalcit). Ovo je oblik vezivanja ugljika — ugljik iz zraka (CO ₂ ) je „sekvestriran“ u mineralnom obliku unutar molekularne strukture betona.

Međutim, kao potencijalna strategija za ublažavanje klimatskih promjena i smanjenje ugljičnog otiska betonske industrije, ovaj proces ima nekoliko nedostataka. Prvi je jednostavno taj što se odvija vrlo sporo; jedna tona betona apsorbira do 0.9 kg COXNUMX. ₂  godišnje putem karbonizacije uzrokovane vremenskim utjecajem, iako ta vrijednost uveliko ovisi o uvjetima okoline poput vlažnosti i temperature (13). To znači da je unos ugljika koji se događa tokom karbonizacije uzrokovane vremenskim utjecajem daleko manji od ugljika koji emitira industrija. Drugi nedostatak je taj što, pod produženim izlaganjem COXNUMX ₂ Ugljikov silikatni hidratni gel (CSH) koji pomaže u vezivanju betona se raspada i beton počinje degradirati. Međutim, osnovne hemijske reakcije koje se dešavaju tokom karbonizacije uzrokovane vremenskim uslovima možemo koristiti kao nacrt za dizajniranje tehnike vezivanja ugljika u betonu koja je brza i aktivna, za razliku od spore i pasivne.

Kako se ispostavilo, industrija trenutno ima dva metode. Prva se zove mineralna karbonizacija, i u suštini je „brza imitacija trošenja stijena“ (13). Karbonatizacija minerala cilja na vezivna jedinjenja; obično se cement jednostavno miješa s vodom kako bi se formirali produkti hidratacije koji vežu agregate betona. Međutim, ako CO ₂  rastvara se u vodi i formira ugljičnu kiselinu (H ₂ CO ₃ ), hidronijum ioni iz kiseline razgrađuju silikatne okside u cementu, oslobađajući kalcijumske i magnezijumske ione cementa i formirajući stabilne karbonate. Prema jednoj studiji, komercijalna karbonizacija minerala mogla bi vezati do 3 Gt ugljika godišnje.

Druga metoda cilja na sam beton. Beton se često stvrdnjava nakon miješanja kako bi se osigurale brze reakcije hidratacije, što ima blagotvorne učinke na dugoročnu izdržljivost i čvrstoću betona. Para je tipičan medij kroz koji se beton stvrdnjava, jer omogućava visoku temperaturu i relativnu vlažnost (15), ali COXNUMX ₂  se također može koristiti za isti efekat. Ovaj proces, gdje CO ₂  Ubrizgavanje plina u beton u ranoj fazi (tj. najviše nekoliko dana nakon miješanja) poznato je kao karbonizacijsko sušenje. Slično karbonizaciji minerala, karbonizacijsko očvršćavanje uključuje reakciju silikatnih oksida s vodom i CO2. ₂  da formira CaCO ₃ .

Naravno, dobijanje čistog CO2 ₂  plin, kao i projektiranje i održavanje zatvorenih reakcijskih komora potrebnih za stvrdnjavanje, znači dodatni trošak za proizvođača. Međutim, moguće je smanjiti ove troškove zamjenom tradicionalnih vezivnih i agregatnih materijala recikliranim alternativama kako bi se napravilo ono što je u industriji poznato kao "zeleni beton". Na primjer, portland cement, tipičan izbor za cementnu komponentu betona, može se djelomično ili u potpunosti zamijeniti letećim pepelom (nusproizvod industrije uglja) ili čeličnom zgurom, budući da oba sadrže okside potrebne za odvijanje reakcija hidratacije. Jedna studija je otkrila da zamjena portland cementa mješavinom letećeg pepela i kreča dovodi do betonske mješavine sa stepenom karbonizacije od 78%, u poređenju sa 32% stepena karbonizacije u kontrolnoj mješavini portland cementa (13).

Osim toga, šljunak i drobljeni kamen, tipični izbori za krupne agregate, mogu se zamijeniti nusproizvodima rušenja (drobljene cigle, beton itd.). Mineralna karbonizacija se također može provesti na ovim agregatima kako bi se povećala njihova čvrstoća i trajnost, kao i njihova sposobnost vezivanja ugljika. Konačno, fini agregati (obično pijesak) mogu se zamijeniti biougljem, koji ima dodatnu prednost što je sam proizvod vezivanja ugljika (biougljen se formira sagorijevanjem organske tvari na vrlo visokim temperaturama u okruženju s niskim udjelom kisika, što dovodi do formiranja stabilnih ugljičnih struktura). Neke studije su otkrile da biougljen može ubrzati reakcije hidratacije tokom rane karbonizacije, što dovodi do veće tlačne čvrstoće (16). Biougljen je također vrlo porozan, što znači da ima više mjesta gdje se mogu dogoditi reakcije karbonizacije.

Za razliku od CCS-a ili regenerativne poljoprivrede, zeleni beton ne zahtijeva velike promjene u postojećoj industriji ili stvaranje potpuno nove; sve što je potrebno je uključivanje recikliranih nusproizvoda u betonsku smjesu i korištenje tehnologija karbonizacije umjesto pare. Proizvođači cementa trenutno imaju sredstva za ulaganje u budućnost koja se više prilagođava klimi - onu u kojoj gradimo naše gradove od vezanog CO2. ₂ .