Η απομάκρυνση του ανθρωπογενούς CO2 από την ατμόσφαιρα και ακόμη και η χρήση του ως νέα πρώτη ύλη – αυτός είναι ο στόχος της ερευνητικής πρωτοβουλίας Empa «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρα/ Mining the Atmosphere». Ο αναπληρωτής διευθυντής της Empa Peter Richner παρουσιάζει το έργο.
Προκειμένου να επιτύχουμε τους κλιματικούς μας στόχους και να αποτρέψουμε μη αναστρέψιμες αλλαγές στο κλιματικό σύστημα, πρέπει όχι μόνο να περιορίσουμε τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, αλλά και να αφαιρέσουμε το υπερβολικό CO2 που προκαλείται από τον άνθρωπο από την ατμόσφαιρα. Αυτός είναι ο στόχος μιας νέας, μεγάλης κλίμακας ερευνητικής πρωτοβουλίας στην Empa, «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρα / Mining the Atmosphere». Ο αναπληρωτής διευθυντής της Empa Peter Richner εξηγεί πώς να δημιουργήσετε ένα εντελώς νέο οικονομικό σύστημα στο τρέχον τεύχος του ερευνητικού περιοδικού “Empa Quarterly”, το οποίο είναι αφιερωμένο εκτενώς στο θέμα του πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί το CO2 ως πρώτη ύλη.
Από τον 19ο αιώνα, η φθηνή ενέργεια με τη μορφή άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου υπήρξε ο καταλύτης για ένα κύμα ανάπτυξης που δεν έχει συμβεί ποτέ σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα στην ανθρώπινη ιστορία – και που συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Η παραγωγικότητα έχει εκτιναχθεί, το προσδόκιμο ζωής έχει αυξηθεί κατά αρκετές δεκαετίες στην Ευρώπη και τα παγκόσμια ποσοστά φτώχειας δεν ήταν ποτέ τόσο χαμηλά όσο σήμερα (ακόμα και αν εξακολουθούν να είναι πολύ υψηλά σε πολλές περιοχές του κόσμου). Ταυτόχρονα, η ταχεία ανάπτυξη οδήγησε επίσης σε υπερβολική χρήση των φυσικών πόρων του πλανήτη μας. Οι συνέπειες είναι η μείωση της βιοποικιλότητας και η υπερθέρμανση του πλανήτη, τα οποία αμφισβητούν μακροπρόθεσμα την τρέχουσα επιβίωσή μας.
Η υπερθέρμανση του πλανήτη -και μαζί της και κάποια από τη φθίνουσα βιοποικιλότητα- οφείλεται στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που προκαλούνται από τον άνθρωπο, ειδικά με τη μορφή CO2 και μεθανίου. Με τη Συμφωνία του Παρισιού από το 2015, η οποία αποσκοπεί στον περιορισμό της υπερθέρμανσης του πλανήτη, πολλές χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Ελβετίας, έχουν θέσει ως στόχο να μειώσουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου στο καθαρό μηδέν έως το 2050. Για να το πετύχουμε αυτό, πρέπει και οι δύο να αυξήσουμε σημαντικά την ενεργειακή απόδοση πολλών διεργασιών σε όλη τη διάρκεια της ζωής μας και να αντικαταστήσουμε τα ορυκτά καύσιμα με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ωστόσο, ορισμένες εκπομπές θα είναι δύσκολο να αποφευχθούν, για παράδειγμα στη γεωργία και σε άλλους τομείς. Προκειμένου να αντισταθμιστεί αυτό – και τελικά να καταλήξουμε στο καθαρό μηδέν – είναι απαραίτητες οι «τεχνολογίες αρνητικών εκπομπών» (NET), με τις οποίες μπορεί να μειωθεί ενεργά η ποσότητα των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα.
Ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο: Το καθαρό μηδέν μέχρι το 2050 απαιτεί τεράστιες προσπάθειες που υπερβαίνουν κατά πολύ αυτό που έχει αποφασίσει να εφαρμόσεις και εφαρμόζει η Ελβετία ή άλλες χώρες μέχρι σήμερα. Επιπλέον, το καθαρό μηδέν είναι απλώς ένα πρώτο βήμα. Στο δεύτερο μισό αυτού του αιώνα, πρέπει να επιτύχουμε ένα αρνητικό ισοζύγιο CO2 περίπου 10-20 δισεκατομμυρίων τόνων παγκοσμίως – ετησίως! Ο λόγος για αυτό είναι η μακροζωία του CO2 στην ατμόσφαιρα. Ενώ το πολύ πιο ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου μεθάνιο διασπάται πλήρως μέσα σε λίγες δεκαετίες, το CO2, μόλις εκπέμπεται, εξαλείφεται μόνο φυσικά από την ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια πολλών αιώνων. Κατά συνέπεια, ακόμη και στο καθαρό μηδέν, η υπερθέρμανση του πλανήτη δεν θα σταματήσει «εν μία νυκτί» ούτε καν θα μειωθεί. Ωστόσο, εάν συνεχίσουμε να αφήνουμε τις θερμοκρασίες σε σημαντικά υψηλά επίπεδα, πιθανότατα θα υπάρξουν μη αναστρέψιμες αλλαγές στο κλιματικό σύστημα της Γης με συνέπειες που είναι δύσκολο να προβλεφθούν, όπως το λιώσιμο του στρώματος πάγου της Γροιλανδίας, το οποίο από μόνο του θα είχε ως αποτέλεσμα μια άνοδο της στάθμης της θάλασσας σχεδόν επτά μέτρων.
Το CO2 ως ενεργειακός πόρος
Αλλά ακόμα κι αν ο ενεργειακός μας τομέας καταφέρει να απομακρυνθεί από τον άνθρακα, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, υπάρχει μια άλλη πρόκληση που πρέπει να ξεπεραστεί: το πετρέλαιο και τα παρόμοια χρησιμεύουν ως πρώτες ύλες για μια μεγάλη ποικιλία υλικών που περιέχουν άνθρακα, από κηροζίνη μέχρι πολυμερή και φάρμακα έως άσφαλτος για την ασφαλτόστρωση των δρόμων μας. Η παραγωγή όλων αυτών των υλικών από βιομάζα είναι σχεδόν τεχνικά δυνατή και πιθανότατα θα υπερέβαινε κατά πολύ τη βιώσιμη διαθέσιμη προσφορά βιομάζας. Αυτό σημαίνει: Χρειαζόμαστε μια νέα πηγή άνθρακα.
Η απάντηση σε αυτή τη διπλή πρόκληση είναι «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρα / Mining the Atmosphere». Η ιδέα: Η περίσσεια CO2 που προκαλείται από τον άνθρωπο απομακρύνεται από την ατμόσφαιρα και χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για υλικά που περιέχουν άνθρακα. Στη συνέχεια τα χρησιμοποιούμε σε κλειστά κυκλώματα για όσο το δυνατόν περισσότερο πριν καταλήξουν στις τελικές καταβόθρες. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζουμε ότι ο άνθρακας είναι σταθερός για περισσότερα από 1000 χρόνια. Η απαραίτητη ανάπτυξη υλικών και διαδικασιών προωθεί τελικά τη μετάβαση από μια κοινωνία που εκπέμπει CO2 σε μια κοινωνία δέσμευσης CO2.
Από μια κοινωνία που εκπέμπει CO2 σε μια κοινωνία που δεσμεύει το CO2.
Η ερευνητική πρωτοβουλία Empa «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρα / Mining the Atmosphere» έχει σχεδιαστεί με μακροπρόθεσμο ορίζοντα – σε συμφωνία με το ερευνητικό θέμα – και περιλαμβάνει διάφορους πυλώνες:
• Παραγωγή CO2,
• τη μετατροπή του,
• Εφαρμογές του νέου υλικού σε διάφορους τομείς και
• συστημικές εκτιμήσεις όπως αναλύσεις κύκλου ζωής.
Ανεξάρτητα από τις λύσεις που θα αναπτύξουμε στο μέλλον σαν κοινωνία, δεν πρέπει ποτέ να παραβλέπουμε ένα πράγμα – τη συμμόρφωση με τα πλανητικά όρια.
Βασικό στοιχείο είναι η αποκλειστική χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε όλους τους τομείς και το ερώτημα εάν υπάρχουν επαρκείς ποσότητες αυτής. Οι σκέψεις μας υποθέτουν ότι αυτό θα συμβεί σε μερικές δεκαετίες. Το δυναμικό υπάρχει αναμφίβολα: ο ήλιος στέλνει στη Γη περίπου 10.000 φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι χρειαζόμαστε σήμερα. Επιπλέον, περίπου το 99% του πλανήτη μας είναι θερμότερο από 1.000 βαθμούς – για να αναφέρουμε μόνο τις δύο πιο σημαντικές βιώσιμες πηγές ενέργειας.
Τρεις πηγές άνθρακα
Η «ατμοσφαιρική πρώτη ύλη» CO2 μπορεί να ληφθεί από τρεις πηγές:
• απευθείας από τον αέρα χρησιμοποιώντας το “Direct Air Capture” (DAC),
• μέσω ηλεκτρολυτικών διεργασιών από τους ωκεανούς, οι οποίες απορροφούν περίπου το ένα τρίτο του ανθρωπογενούς CO2, και
• από βιομάζα.
Το CO2 από τον αέρα και τους ωκεανούς μπορεί στη συνέχεια να αποθηκευτεί απευθείας σε κατάλληλους γεωλογικούς σχηματισμούς (“Carbon Capture and Storage”, CCS). Ωστόσο, με το «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρας/ Mining the Atmosphere» επιδιώκουμε μια εναλλακτική προσέγγιση κατά την οποία το CO2 μετατρέπεται σε υδρογονάνθρακες μικρής ή μεγαλύτερης αλυσίδας χρησιμοποιώντας υδρογόνο και έτσι μπορεί να αντικαταστήσει τις τρέχουσες ορυκτές πρώτες ύλες. Ταυτόχρονα, οι υπάρχουσες αλυσίδες logistics μπορούν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούνται, καθώς από χημική άποψη είναι οι ίδιες ενώσεις. Βασικά στοιχεία για την επιτυχή εφαρμογή αυτής της ιδέας είναι οι καταλυτικές διεργασίες για τις διάφορες αντιδράσεις χημικής μετατροπής και, κυρίως, η διαχείριση ενέργειας. Επειδή ολόκληρο το πακέτο απαιτεί πολλή ενέργεια. Ως εκ τούτου, πολλές από αυτές τις διεργασίες δύσκολα θα πραγματοποιηθούν στην Ελβετία, αλλά μάλλον όπου οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι διαθέσιμες σε αφθονία, για παράδειγμα στην ηλιακή ζώνη της Γης.
Σε μια πρώτη φάση, εστιάζουμε σε δύο περιπτώσεις χρήσης για την εφαρμογή υλικών με βάση το CO2:
• Προϊόντα μαζικής παραγωγής με δυνατότητα δέσμευσης δισεκατομμυρίων τόνων άνθρακα και
• Προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας, που συμβάλλουν σημαντικά στη χρηματοδότηση του έργου.
Τα δομικά υλικά αντιπροσωπεύουν μακράν το μεγαλύτερο μερίδιο των παγκόσμιων ροών υλικών. Ως εκ τούτου, επί του παρόντος το επίκεντρο της έρευνάς μας είναι τα αδρανή με βάση τον άνθρακα για σκυρόδεμα και άσφαλτο καθώς και θερμομονωτικά υλικά. Ο άνθρακας μπορεί να ληφθεί είτε μέσω πυρόλυσης βιομάζας είτε μέσω συνθετικού μεθανίου, το οποίο παρέχει επίσης υδρογόνο για ενεργειακές εφαρμογές.
Πρώτα μείωση των εκπομπών και επέκταση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας
Με το «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρας/ Mining the Atmosphere» θέλουμε να δείξουμε έναν βιώσιμο τρόπο αποφυγής κλιματικών αλλαγών με ανυπολόγιστους κινδύνους. Για να πετύχουμε τον στόχο μας σε αυτό το μονοπάτι, πρέπει πρώτα να μειώσουμε γρήγορα και μαζικά τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και να επιταχύνουμε σημαντικά την επέκταση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Με το «Εξορύσσοντας την Ατμόσφαιρας/ Mining the Atmosphere» ετοιμάζουμε ήδη το επόμενο βήμα – τον σημαντικό καθαρισμό της μολυσμένης από CO2 ατμόσφαιρά μας.
