Вопросы и ответы: что законы физики говорят нам об удалении CO₂
Ежегодная антропогенная эмиссия в миллиарды тонн CO₂ продолжает повышать глобальную температуру и усиливать экстремальные погодные явления. В поисках способов значительного сокращения выбросов углерода развиваются технологии удаления диоксида углерода (CDR), направленные на прямое извлечение CO₂ из атмосферы и его долгосрочное хранение.
Новый отчет Американского физического общества под руководством физика из MIT дает обзор основных экспериментальных подходов к CDR и определяет их фундаментальные физические ограничения. Отчет фокусируется на методах с наибольшим потенциалом удаления CO₂ в масштабе гигатонн в год, необходимом для стабилизации климата.
Что побудило вас изучить системы удаления CO₂ с точки зрения физики?
Главный фактор изменения климата — перенос углерода, находившегося под землей 100 миллионов лет, в атмосферу. В последние годы наблюдается растущий интерес к технологиям прямого удаления CO₂ из воздуха. Понимание возможности не только сокращать выбросы, но и напрямую извлекать углерод из атмосферы, критически важно. Физика, особенно законы термодинамики и сохранения массы, накладывает жесткие ограничения на такие процессы.
Какие методы удаления CO₂ вы оценивали?
Все методы находятся на ранней стадии. В отчете процессы CDR разделены на два класса: циклические и одноразовые (once-through).
Циклические процессы, такие как химический прямой захват воздуха (DAC), действуют подобно губке: материал захватывает CO₂, затем с помощью энергии CO₂ высвобождается для хранения, а материал используется повторно. Для таких процессов второй закон термодинамики устанавливает энергетический предел. Например, абсолютный минимум энергии, необходимой для циклического DAC-завода для захвата 1 гигатонны углерода, сравним с годовым потреблением электроэнергии штата Вирджиния. Существующие прототипы используют в 3–10 раз больше энергии на тонну. Кроме того, через такую систему для захвата 1 Гт CO₂ должно пройти количество воздуха, сравнимое с объемом, проходящим через все системы кондиционирования воздуха на планете.
Одноразовые процессы, такие как усиленное выветривание пород, ускоряют естественный процесс поглощения CO₂ горными породами. Для захвата 1 Гт CO₂ потребуется примерно 1 миллиард тонн измельченной породы. Здесь энергетическое ограничение может быть меньше, но возникает ограничение по материалам, обусловленное законами химии.
Таким образом, удаление гигатонн углерода инженерными методами требует огромного количества материалов, перемещения воздуха и энергии. Сопоставимые вызовы стоят и перед крупномасштабным сокращением выбросов.
К каким выводам пришел отчет относительно целесообразности удаления CO₂?
Изначальное предположение о чрезвычайно высоких энергозатратах CDR из-за второго закона термодинамики подтвердилось, но с нюансом различия циклических и одноразовых систем. Отчет занимает срединную позицию между двумя крайними взглядами: CDR — это не «серебряная пуля», которая позволит не беспокоиться о выбросах, но и не абсолютно бесперспективное направление.
Если мы серьезно относимся к управлению климатом, нам, вероятно, потребуется существенный вклад CDR в дополнение к агрессивному сокращению выбросов. Исследования и разработки в области CDR следует избирательно и осмотрительно продолжать, несмотря на ожидаемые затраты и потребности в энергии и материалах.
На политическом уровне ключевое сообщение — необходимость общей экономической и политической системы, стимулирующей как сокращение выбросов, так и CDR, что позволит рынку оптимизировать климатические решения. Понимание сложностей CDR должно мотивировать к быстрому сокращению выбросов, которое во многих случаях намного проще и дешевле, чем удаление углерода из атмосферы.