Наука в новинах

Відкриття ліній спілкування між науковцями-дослідниками та широкою спільнотою

Сторінка SITN Facebook
SITN Твіттер
Сторінка Instagram SITN
Лекції SITN на YouTube
SITN Podcast на SoundCloud
Підпишіться на список розсилки SITN
RSS-канал веб-сайту SITN

Джордан Вілкерсон
цифри Даніеля Аттера

З часів Промислової революції приблизно 150 років тому більша частина електроенергії, що використовується в Сполучених Штатах, надходить від спалення викопного палива. Ці види палива, такі як вугілля та нафта, виготовляються з вуглецю. Вони є настільки важливою формою елемента, що назва “вуглець” походить від латинського слова вугілля. Однак спалення всього цього вуглецю для отримання енергії збільшило кількість вуглекислого газу (CO2), що надходить в нашу атмосферу з безпрецедентною швидкістю. СО2 діє як парниковий газ, утримуючи тепло, що виділяється Землею, яке в іншому випадку витікало б у космос, що є основною причиною останніх глобальних кліматичних змін. Середня температура Землі зросла на 1,4 °F з 1880 року. Це може здатися не надто багато, але ми вже спостерігаємо багато наслідків цього недавнього підвищення температури, таких як підвищення рівня моря та дедалі сильніші спекотні хвилі. Ці наслідки призводять до значної інфраструктурної шкоди та збільшення смертності - особливо в південних прибережних штатах. Справа в тому, що зміна клімату буде коштувати грошей і життя. Вчені та політики розробляють набір стратегій зменшення майбутнього потепління. Одне із запропонованих рішень, як не дивно, продовжувати спалювати вуглець для отримання енергії, як ми це робили, але з однією відмінністю: замість викопного палива спалювати вуглець, що надходить з рослин.

Спалювання іншого виду вуглецю

Електроенергія, що надходить від спалення палива на рослинній основі, називається біоенергією. Ви, мабуть, знайомі з використанням етанолу на основі кукурудзи для доповнення бензину. Інша версія цього рішення зосереджена на вугільних електростанціях. Замість спалювання вугілля на цих об’єктах ми можемо спалювати стиснуті гранули рослинної речовини. Електростанції, які були відремонтовані для використання біомаси замість вугілля або на додаток до нього, вже існують обмежено в усіх штатах США.

Існує ще один крок, який ми могли б зробити у відновленні цих вугільних електростанцій. Якщо ми уловлюємо CO2, що витікає з димових труб, і закопуємо його глибоко під землею, то ми не допустимо, щоб парниковий газ повністю вийшов в атмосферу. Цей процес відомий як захоплення вуглецю, а в поєднанні з можливостями підземного зберігання - захоплення та зберігання вуглецю (CCS). Технологія CCS зазвичай пов’язана з чистим вугіллям, але вона працює так само добре для біоенергетики.

У цей момент ви можете задатися питанням: чому спалювання вуглецю з рослин краще для клімату, ніж спалення вуглецю з вугілля? Це пояснюється тим, що не просто спалювання вуглецю спричинює наш клімат стрімкими змінами; важливо, звідки береться вуглець і куди він врешті надходить. Тож звідки береться і зникає вуглець із викопного палива та біомаси?

Потік вуглецю

Елемент вуглець постійно протікає через різні грані Землі та атмосфери через так званий вуглецевий цикл. Однак вуглець глибоко в землі залишається там набагато довше, ніж вуглець, що міститься в рослинах. Це пояснюється тим, що, як показано на малюнку 1, рослини походять із значно швидшої частини циклу вуглецю, відомого як земний кругообіг вуглецю, який протікає через усе життя на суші. Рослини ростуть, беручи CO2 з повітря і використовуючи фотосинтез, щоб перетворити його в нові листя і стебла. Коли рослини гинуть, їх природним чином з’їдають у ґрунті грибки та мікроби, які викидають СО2 назад у повітря.

Скажімо, замість цього ми збираємо рослини на паливо. Це насправді не посилює зміни клімату та не змінює вуглецевий цикл, оскільки рослини можуть відростати. Повністю відростаючи, рослини витягують ту саму кількість СО2, яку ми виділили, спаливши їх. Тому ми лише на короткий час збільшуємо кількість СО2 в атмосфері, оскільки нові рослини можуть рости і знову виводити цей СО2.

Давайте порівняємо це із часом, необхідним для утворення викопного палива. Червоні стрілки на малюнку 1 вказують на дуже повільну частину цього циклу, відому як геологічний кругообіг вуглецю. Викопне паливо, перебуваючи глибоко під землею, є частиною цього циклу. Коли давнє життя з часом померло і було природно масово поховано, величезний тиск повільно перетворив їх на вугілля та нафту, які ми використовуємо сьогодні. Вуглець також природним чином потрапляє в глибокі осади, коли водні організми в океані гинуть і поховані протягом тисячоліть на дні океану. Ці процеси відбуваються дуже повільно, і викопне паливо займає мільйони років. Навпаки, обмін вуглецю між рослинами та атмосферою в 1000 разів швидший, ніж обмін вуглецю між осадом глибоко під нами та небом над.

З часів промислової революції люди видобувають викопне паливо та спалюють їх для отримання енергії, створюючи шлях для глибоко заглибленого вуглецю в атмосферу. В даний час люди викидають в атмосферу в 100 разів більше вуглецю на рік, ніж від вулканічної активності, що є природним методом викиду вуглецю в атмосферу в геологічному циклі вуглецю (Рисунок 2).

Як довго цей вуглець залишається в нашій атмосфері? Це залежить від здатності морських мешканців виробляти карбонатні черепашки, які виготовляються із СО2, який розчиняється в океанах насамперед з атмосфери (рис. 1). Надзвичайно повільне поховання цих раковин - єдиний природний спосіб, яким атмосферний CO2 в кінцевому підсумку потрапляє назад глибоко в земну кору. Цей процес набагато довший, ніж час, необхідний рослинам для відростання. Отже, СО2, який ми виділяємо з викопного палива, являє собою набагато триваліше збільшення концентрації парникових газів, ніж коли ми виділяємо СО2 із спалюваних рослинних речовин.

Рисунок 2: Геологічний цикл вуглецю з викопним паливом. Усі цифри складають мільярди тонн на рік.

Видалення вуглецю з повітря

Ми можемо зробити більше, ніж просто змінити тип вуглецю, який ми спалюємо. Модернізуючи електростанцію з технологією захоплення та зберігання вуглецю (CCS), СО2, який ми виробляємо під час виробництва електроенергії, може перекачуватися в підземну геологічну формацію. Технологія CCS все ще перебуває на початковій стадії, оскільки в даний час ця технологія використовує лише одну вугільну електростанцію в США. Окрім технологічних та економічних перешкод, привабливість CCS очевидна: вона зменшує кількість вуглецю, який ми переносимо з глибоких порід в атмосферу (Рисунок 3).

CCS просто означає, що ми не виділяємо більше вуглецю в повітря. Ми отримуємо вуглець (викопне паливо) із землі, і впорскуємо вуглекислий газ назад у землю замкнутим циклом. Однак, давайте візьмемо ту саму ідею і застосуємо її до електростанції на біомасі. Вуглець, який ми використовуємо з біомаси, походить із дерева або пучка трави, і обидва вони отримували цей вуглець із повітря порівняно недавно. Спалюючи ці рослини та закопуючи СО2 глибоко під землею, ми фактично беремо СО2, який був у повітрі, і повертаємо його назад у глибокі осади - протилежне тому, що ми робили протягом останніх 150 років, спалюючи викопне паливо.

Малюнок 3: CCS та вуглецевий цикл. СО2 від електростанцій, які можуть використовувати вугілля або біомасу, можна осідати в підземних формаціях, ефективно розміщуючи його у глибокому осадовому гірському резервуарі.

Виділення землі та ресурсів для вирощування сільськогосподарських культур для біоенергетики, безумовно, робить екологічні вигоди менш чіткими. Однак це не обов'язково враховувати на початкових етапах збільшення потужності біомаси. Багато існуючих електростанцій на біомасі зручно розташовані поблизу лісопильних заводів, куди відходи млина транспортуються на електростанцію. Культури вирощують незалежно від того, чи існує поблизу електростанція на біомасі, тому вартість палива - і екологічне навантаження - близько нуля. Є й інші джерела відходів біомаси, такі як залишки лісу та сільськогосподарських рослин, які, як би там не було, часто спалюються як частина практики землеустрою. Однак, якщо ми почнемо вирощувати сільськогосподарські культури лише для біоенергетики, ми могли б використовувати дешеві, швидко зростаючі трави. Трави вимагають менше ресурсів, ніж традиційні культури, і усувають необхідність турбуватися про конкуренцію з харчовою промисловістю.

Незважаючи на ускладнення, пов'язані з різко зростаючою біоенергетикою, вона все ще вважається найважливішою складовою нашого майбутнього енергетичного портфеля, якщо ми хочемо якомога ефективніше вирішити питання клімату. Успішне досягнення цілі пом'якшення наслідків зміни клімату, визначеної Паризькою кліматичною угодою ООН, передбачає значну залежність від внесків біоенергетики із захопленням вуглецю на додаток до інших жорстких стратегій. Електростанції на біомасі починають пропонуватися директорами як важливий компонент портфелів відновлюваних джерел енергії. Щоб бути зрозумілим, ці пропозиції зосереджені на використанні рослинних відходів, а не на вирощуванні сільськогосподарських культур спеціально для біоенергетики. Окремо кілька вугільних електростанцій були відремонтовані, щоб мати можливість спалювати біомасу. Однак є багато покинутих вугільних електростанцій, які все ще розкидані по Сполучених Штатах, і які можуть бути відроджені та відремонтовані для спалення рослинних відходів. Ці покинуті будівлі можна було б знову використовувати, повернути робочі місця та покращити управління відходами. Увесь час ми допомагали б вирішити зростаючу проблему різко мінливого клімату на нашій Землі.

Джордан Вілкерсон - доктор філософії на п’ятому курсі студент кафедри хімії та хімічної біології Гарвардського університету.

Для отримання додаткової інформації:

Щоб отримати докладнішу інформацію про вуглецевий цикл, ознайомтесь із цим звітом Міжурядової групи з питань зміни клімату (МГЕЗК), панелі ООН.