Kan det virkelig fungere at suge CO2 ud af atmosfæren?

Fysiker Peter Eisenberger havde forventet, at kollegerne ville reagere på hans idé med skepsis. Han hævdede trods alt at have opfundet en maskine, der kunne rense atmosfæren for dens overskydende kuldioxid, gøre gassen til brændstof eller opbevare den under jorden. Og Columbia University-videnskabsmanden var klar over, at navngivningen af ​​hans to år gamle startup Global Thermostat ikke ligefrem havde været en øvelse i ydmyghed.

Men modtagelsen i foråret 2009 havde været endnu mere afvisende, end han havde forventet. Først talte han til en særlig komité indkaldt af American Physical Society for at gennemgå mulige måder at reducere kuldioxid i atmosfæren på gennem såkaldt luftindfangning, hvilket i det væsentlige betyder at skrubbe det fra himlen. De lyttede høfligt til hans præsentation, men stillede næsten ikke nogen spørgsmål. Et par uger senere talte han ved det amerikanske energiministeriums National Energy Technology Laboratory i West Virginia for et tilsvarende skeptisk publikum. Eisenberger forklarede, at hans laboratoriums forskning involverer kemikalier kaldet aminer, der allerede bruges til at opfange koncentreret kuldioxid, der udsendes fra kraftværker med fossilt brændstof. Denne samme amin-baserede teknologi, sagde han, viste også potentiale for den langt mere vanskelige og ambitiøse opgave at opfange gassen fra det fri, hvor kuldioxid findes i koncentrationer på 400 ppm. Det er op til 300 gange mere diffust end i kraftværkers skorstene. Men Eisenberger hævdede, at han havde et simpelt design til at opnå bedriften på en omkostningseffektiv måde, delvist på grund af den måde, han ville genbruge aminerne. Det registrerede ikke engang, husker han. Jeg følte, at mange mennesker pissede på mig.

CTO og medstifter Peter Eisenberger foran Global Thermostats luftindfangningsmaskine.

Dagen efter ringede en leder fra laboratoriet dog begejstret til ham. DOE-forskerne havde indset, at aminprøver, der sad rundt i laboratoriet, havde været bundet til kuldioxid ved stuetemperatur - et faktum, de ikke havde sat meget pris på indtil da. Det betød, at Eisenbergers tilgang til luftfangst i det mindste var mulig, siger en af ​​DOE-laboratoriets kemikere, Mac Gray.

Fem år senere har Eisenbergers virksomhed rejst 24 millioner dollars i investeringer, bygget et fungerende demonstrationsanlæg og indgået aftaler om at forsyne mindst én kunde med kuldioxid høstet fra himlen. Men den næste udfordring er at bevise, at teknologien kan have en transformativ indvirkning på verden, der passer til hans virksomheds navn.

Behovet for en kulsugende maskine er let at se. De fleste teknologier til at afbøde kuldioxid virker kun, hvor gassen udledes i store koncentrationer, som i kraftværker. Men luftindfangningsmaskiner, installeret hvor som helst på jorden, kunne håndtere de 52 procent af kuldioxidemissionerne, der er forårsaget af distribuerede, mindre kilder som biler, gårde og hjem. For det andet kan luftindfangning, hvis det nogensinde bliver praktisk, gradvist reducere koncentrationen af ​​kuldioxid i atmosfæren. Efterhånden som emissionerne er accelereret - de stiger nu med 2 procent om året, dobbelt så hurtigt som de gjorde i de sidste tre årtier af det 20. århundrede - er videnskabsmænd begyndt at erkende, hvor presserende det er at opnå såkaldte negative emissioner.

Det åbenlyse behov for teknologien har lokket flere andre bestræbelser på at komme med forskellige tilgange, der kunne være praktiske. For eksempel opfanger Climate Engineering, baseret i Calgary, kulstof ved hjælp af en flydende opløsning af natriumhydroxid, en veletableret industriel teknik. Et firma, der blev grundlagt af en tidlig pioner bag ideen, Eisenbergs Columbia-kollega Klaus Lackner, arbejdede på problemet i flere år, før han gav op i 2012.

Negative emissioner er absolut nødvendige for at genoprette atmosfæren, da vi langt kommer til at overskride enhver sikker grænse for CO2, hvis der er en. Spørgsmålet i mit sind er, kan det gøres på en økonomisk måde?

En rapport udgivet i april af det mellemstatslige panel om klimaændringer siger, at undgåelse af det internationalt vedtagne mål om 2 °C global opvarmning sandsynligvis vil kræve global implementering af kuldioxid-fjernelsesstrategier som luftfangst. (Se Omkostningerne ved at begrænse klimaændringer kunne fordobles uden kulstoffangstteknologi.) Negative emissioner er absolut nødvendige for at genoprette atmosfæren, da vi langt vil overskride enhver sikker grænse for CO2, hvis der er en, siger Daniel Schrag, direktør fra Harvard University Center for Environment. Spørgsmålet i mit sind er, kan det gøres på en økonomisk måde?

De fleste eksperter er skeptiske. (Se What Carbon Capture Can't Do .) En rapport fra 2011 fra American Physical Society identificerede vigtige fysiske og økonomiske udfordringer. Det faktum, at kuldioxid vil binde sig med aminer og danne et molekyle kaldet et carbamat, er velkendt kemi. Men kuldioxid repræsenterer stadig kun ét ud af 2.500 molekyler i luften. Det betyder, at en effektiv luftindfangningsmaskine skal skubbe enorme mængder luft forbi aminer for at få nok kuldioxid til at klæbe til dem og derefter regenerere aminerne for at opfange mere. Det ville kræve meget energi og dermed være meget dyrt, hedder det i 2011-rapporten. Derfor konkluderede den, at luftfangst ikke i øjeblikket er en økonomisk bæredygtig tilgang til at afbøde klimaændringer.

Folkene hos Global Thermostat forstår denne skræmmende økonomi, men forbliver trodsigt optimistiske. Måden at gøre luftindfangning rentabel på, siger Global Thermostat-medstifter Graciela Chichilnisky, en økonom og matematiker ved Columbia University, er at drage fordel af efterspørgslen efter gas fra forskellige industrier. Der eksisterer allerede et veletableret milliardmarked for kuldioxid, som bruges til at forynge oliebrønde, fremstille kulsyreholdige drikkevarer og stimulere plantevækst i kommercielle drivhuse. Historisk set sælges gassen for omkring 100 dollars pr. ton. Men Eisenberger siger, at hans firmas prototypemaskine kunne udvinde et koncentreret ton af gassen for langt mindre end det. Ideen er først at sælge kuldioxid til nichemarkeder, såsom genvinding af oliebrønde, for i sidste ende at skabe større, som at bruge katalysatorer til at fremstille brændstoffer i processer, der drives af solenergi. Når først opsamling af kulstof fra luften er rentabelt, vil folk, der handler i deres egen interesse, få det til at ske, siger Chichilnisky.

Varmer op

Eisenberger og Chichilnisky var kolleger i Columbia i 2008, da de indså, at de havde komplementære interesser: hans i energi og hendes i miljøøkonomi, herunder arbejde for at hjælpe med at forme Kyoto-protokollen fra 1991, den første globale traktat om at reducere emissioner. Nationer havde lovet store nedskæringer, siger Chichilnisky, men økonomiske og politiske realiteter havde ikke givet nogen mulighed for at implementere det. Parret besluttede at oprette en virksomhed for at tackle kulstofudfordringen.

De fokuserede på luftfangst, som først blev udviklet af nazistiske videnskabsmænd, der brugte flydende sorbenter til at fjerne ophobninger af CO2 i ubåde. I vinteren 2008 besejrede Eisenberger sig selv i et stille hus med store glasvinduer med udsigt over havet i Mendocino County, Californien. Der studerede han eksisterende litteratur om opsamling af kulstof og tog en nøglebeslutning. Forskere, der udvikler teknikker til at opsamle CO2, har hidtil forsøgt at arbejde ved høje koncentrationer af gassen. Men Eisenberger og Chichilnisky fokuserede på et andet udtryk i disse ligninger: temperatur.

Ingeniører har tidligere indsat aminer til at skrubbe CO2 fra røggasser, hvis temperaturer er omkring 70 °C, når de forlader kraftværker. Efterfølgende fjernelse af CO2 fra aminerne - regenerering af aminerne - kræver generelt reaktioner ved 120 °C. I modsætning hertil beregnede Eisenberger, at hans system ville fungere ved omkring 85 °C, hvilket kræver mindre total energi. Det ville bruge relativt billig damp til to formål. Dampen ville opvarme overfladen og drive CO2 væk fra aminerne, der skulle opsamles, samtidig med at CO2 blæste væk fra overfladen.

Selvom luftfangst en dag skulle vise sig at være rentabelt, er det et andet spørgsmål, om det skal skaleres op.

Resultatet? Med mindre varmestyringsinfrastruktur end hvad der kræves med aminer i kraftværkernes skorstene, kunne designet af en scrubber være enklere og derfor billigere. Ved at bruge data fra deres prototype, regner Eisenbergers team, at tilgangen kan koste mellem $15 og $50 pr. ton kuldioxid opsamlet fra luft, afhængigt af hvor længe aminoverfladerne holder.

Hvis Global Thermostat kan opnå overalt i nærheden af ​​de priser, den udråber, lokker en række nichemarkeder. Opstarten har indgået et samarbejde med et Carson City, Nevada-baseret firma kaldet Algae Systems for at lave biobrændstoffer ved hjælp af kuldioxid og alger. I mellemtiden stiger efterspørgslen efter kuldioxid til at sprøjte ind i udtømte oliebrønde, en teknik kendt som forbedret olieudvinding. En undersøgelse anslår, at applikationen kan kræve så meget som 3 milliarder tons kuldioxid årligt i 2021, en næsten tidoblet stigning i forhold til 2011-markedet.

Det repræsenterer stadig et fald i spanden i forhold til de mængder, der skal til for at reducere eller endda stabilisere koncentrationen af ​​CO2 i atmosfæren. Men Eisenberger siger, at der ikke er nogen alternativer til luftfangst. Blot at opfange kulstofemissioner fra kulfyrede kraftværker, siger han, udvider kun samfundets afhængighed af kulstofintensive kul.

Sut det op

Det er en varm december-eftermiddag i Silicon Valley, da Eisenberger og jeg går gennem SRI Internationals betonforskningscenter. Det er i disse lavtliggende bygninger, hvor ingeniører første gang demonstrerede ARPAnet, Apples Siri-software og utallige andre teknologiske fremskridt. Omkring en kvart mil fra indgangen kommer et 40 fod højt tårn af ventilatorer, stål- og sølvrør til syne. Dette er Global Thermostat demonstrationsanlæg. Det er imponerende og rent. Eisenberger stirrer på den stille scene omkring tårnet, som omfatter et højt træ. Det gør præcis, hvad træet gør, siger Eisenberger. Men så retter han sig selv. Nå, faktisk gør det det meget bedre.

Efter at Eisenberger fik en PhD i fysik i 1967 ved Harvard, fulgte op til Bell Labs, Princeton og Stanford. Hos Exxon i 1980'erne ledede han arbejdet med solenergi, og tjente derefter som direktør for Lamont-Doherty, geovidenskabslaboratoriet i Columbia. Der har han undervist i et mangeårigt seminar kaldet The Earth/Human system. Det var på det seminar, i 2007, med Lackner som gæsteforelæser, at Eisenberger første gang hørte om luftfangst. Efter et års forberedelse nåede han og Chichilnisky ud til milliardæren Edgar Bronfman Jr. Nogle gange, når man hører noget, der må være for godt til at være sandt, er det fordi det er det, var Bronfmans reaktion ifølge hans søn, der var til stede til mødet. Men slægten bønfaldt sin far: Hvis de har ret, er dette en af ​​de største muligheder derude. Familien investerede 18 millioner dollars.

Denne storhed har givet virksomheden mulighed for at bygge sin demonstration på trods af stort set ingen føderal støtte til forskning i luftfangst. (Global Thermostat valgte SRI som sit sted på grund af anlæggets tidligere erfaring med kulstoffangstteknologi.) Det rektangulære tårn bruger blæsere til at trække luft ind over skiftende 10 fod brede overflader kendt som kontaktorer. Hver består af 640 keramiske terninger indlejret med amin-sorbenten. Tårnet hæver en kontaktor, når en anden sænkes. Det gør det muligt for kuberne af den ene at opsamle CO2 fra den omgivende luft, mens den anden fjernes for gassen ved påføring af damp ved 85 °C. For nu er den gas simpelthen udluftet, men afhængigt af kunden kan den sprøjtes ind i jorden, sendes med rør eller overføres til et kemisk anlæg til industriel brug.

En vigtig udfordring for virksomheden er robustheden af ​​de amin-absorberende overflader. De har en tendens til at henfalde hurtigt, når de oxideres, og hyppig udskiftning af sorbenterne kan gøre processen meget mindre omkostningseffektiv end Eisenberger-projekter.

Falsk håb

Ingen af ​​verdens tusindvis af kulværker er blevet udstyret til fuldskalafangst af deres kulstofforurening. Og hvis det ikke er økonomisk at bruge i kraftværker, med deres koncentrerede kilde til kuldioxid, er udsigterne til at fange det ud af luften svage for mange eksperter. Der er virkelig lille chance for, at du kan opfange CO2 fra den omgivende luft billigere end fra et kulværk, hvor røggassen er 300 gange mere koncentreret, siger Robert Socolow, direktør for Princeton Environment Institute og meddirektør for universitetets CO2-reduktionsinitiativ. .

Forøgende skepsis over muligheden for luftfangst er, at der er andre, billigere måder at skabe de såkaldte negative emissioner på. En mere praktisk måde at gøre det på, siger Schrag, ville involvere at udvinde brændstoffer fra biomasse - som fjerner CO2 fra atmosfæren, mens den vokser. Da det råmateriale fermenteres i en reaktor for at skabe ethanol, producerer det en strøm af ren kuldioxid, der kan fanges og opbevares under jorden. Det er en gennemprøvet teknik og er blevet testet på en håndfuld steder verden over.

Selv om luftfangst en dag skulle vise sig at være rentabelt, uanset om det bør opskaleres er et andet spørgsmål. Lad os sige, at et solenergianlæg er bygget uden for et eksisterende kulværk. Skal den energi, det nye solcelleanlæg producerer, bruges til at suge kulstof ud af atmosfæren, eller til at lade kulværket lukkes ned ved at erstatte dets energiproduktion? Det sidste giver meget mere mening, siger Socolow. Han og andre har en anden bekymring om luftfangst: at påstande om dets gennemførlighed kan skabe selvtilfredshed. Jeg vil ikke have, at vi giver folk det falske håb om, at luftopsamling kan løse problemet med kulstofemissioner uden et stærkt fokus på [reducere brugen af] fossile brændstoffer, siger han.

Eisenberger og Chichilnisky er stejlt på vigtigheden af ​​at suge CO2 ud af atmosfæren i stedet for udelukkende at fokusere på at opfange det fra kulværker. I 2010 udviklede parret en version af deres teknologi, der blander luft med røggas fra et kul- eller gasfyret kraftværk. Denne tilgang giver en kilde til damp, mens den opfanger både atmosfærisk kulstof og nye emissioner. Det kunne også sænke omkostningerne ved at give en højere koncentration af CO2, som maskinen kan opfange. Det er et meget imponerende system, en triumf, siger Socolow, der tror, ​​at videnskabelige fremskridt inden for luftfangst i sidste ende primært vil blive brugt på kul- og gaskraftværker.

En sådan applikation kan spille en afgørende rolle i rensningen af ​​drivhusgasemissioner. Men Eisenberger har afsløret endnu højere mål. Et patent givet til ham og Chichilnisky i 2008 beskrev luftindfangningsteknologi som blandt andet en global termostat til styring af gennemsnitstemperaturen i en planets atmosfære.

Eli Kintisch er korrespondent for Videnskab magasin.

skjule