3 otázky: Co nám zákony fyziky říkají o odstraňování CO2

Lidské aktivity každoročně pumpují miliardy tun oxidu uhličitého do atmosféry, což zvyšuje globální teploty a vede k extrémním povětrnostním jevům. Vzhledem k tomu, že se země potýkají s dopady klimatických změn a snaží se o výrazné snížení emisí uhlíku, vynaložilo se značné úsilí na rozvoj technologií odstraňování oxidu uhličitého (CDR), které přímo odstraňují CO2 ze vzduchu a ukládají ho na dlouhou dobu.

Na rozdíl od technologií zachycování a ukládání uhlíku, které jsou navrženy tak, aby odstraňovaly oxid uhličitý z bodových zdrojů, jako jsou elektrárny na fosilní paliva, si CDR klade za cíl odstranit molekuly oxidu uhličitého, které již cirkulují v atmosféře.

Nová zpráva Americké fyzikální společnosti, vedená fyzikem z MIT, poskytuje přehled hlavních experimentálních přístupů CDR a určuje jejich základní fyzikální limity. Zpráva se zaměřuje na metody, které mají největší potenciál pro odstraňování oxidu uhličitého v měřítku gigatun ročně, což je množství potřebné k dosažení stabilizace klimatu.

Nová zpráva byla zadána Výborem pro veřejné záležitosti Americké fyzikální společnosti a objevila se minulý týden v časopise PRX. Zprávu vedl profesor fyziky MIT Washington Taylor, který hovořil s MIT News o fyzikálních limitech CDR a proč je vhodné ji sledovat společně s globálním úsilím o snížení emisí uhlíku.

Otázka: Co vás motivovalo k prozkoumání systémů odstraňování oxidu uhličitého z pohledu fyzikálních věd?

Odpověď: Hlavní příčinou klimatických změn je skutečnost, že bereme uhlík, který byl po 100 milionů let uvězněn v zemi, a uvolňujeme ho do atmosféry, což způsobuje oteplování. V posledních letech se u vlády i soukromých subjektů objevil velký zájem o hledání technologií pro přímé odstraňování CO2 ze vzduchu. Řízení atmosférického uhlíku je klíčovou otázkou při řešení našeho dopadu na zemské klima. Je tedy velmi důležité, abychom porozuměli tomu, zda můžeme ovlivnit hladiny uhlíku nejen změnou profilu emisí, ale také přímým odebíráním uhlíku z atmosféry. Fyzikálně je to velmi silně omezeno termodynamikou, hmotnostními problémy a podobně.

Otázka: Jaké metody odstraňování oxidu uhličitého jste vyhodnotili?

Odpověď: Všechny jsou v rané fázi. Je to trochu Divoký západ, pokud jde o různé způsoby, jakými společnosti navrhují odstraňování uhlíku z atmosféry. V této zprávě rozdělujeme procesy CDR do dvou tříd: cyklické a jednorázové.

Představte si, že jsme v lodi, která má díru v trupu a rychle nabývá vodu. Samozřejmě chceme díru co nejrychleji zacpat. Ale i když jsme díru opravili, musíme vodu vyčerpat, abychom se nepotápěli. A to je obzvlášť naléhavé, pokud jsme díru neopravili úplně a stále máme pomalý únik. Nyní si představte, že máme několik možností, jak vodu dostat ven.

První je houba, kterou můžeme použít k absorpci vody, kterou pak můžeme vyždímat a znovu použít. To je cyklický proces v tom smyslu, že máme nějaký materiál, který používáme znovu a znovu. Existují cyklické procesy CDR, jako je chemické „přímé zachycování vzduchu“ (DAC), které funguje v podstatě jako houba. Nastavíte velký systém s ventilátory, které foukají vzduch kolem materiálu, který zachycuje oxid uhličitý. Když je materiál nasycen, systém uzavřete a poté použijete energii k vyždímání uhlíku a jeho uložení do hlubokého úložiště. Pak můžete materiál znovu použít v cyklickém procesu.

Druhou třídou přístupů je to, čemu říkáme „jednorázové“. V analogii s lodí by to bylo, jako kdybyste se snažili opravit únik pomocí kartonů papírových utěrek. Necháte je nasáknout a pak je vyhodíte přes palubu a každou roli použijete jen jednou.

Existují jednorázové přístupy CDR, jako je vylepšené zvětrávání hornin, které má za cíl urychlit přirozený proces, při kterém určité horniny, když jsou vystaveny vzduchu, absorbují uhlík z atmosféry. V celosvětovém měřítku se odhaduje, že toto přirozené zvětrávání hornin odstraňuje asi 1 gigatunu uhlíku ročně. „Vylepšené zvětrávání hornin“ je přístup CDR, kdy byste vykopali hodně této horniny, rozdrtili ji na opravdu malé kousky, na méně než šířku lidského vlasu, aby se proces urychlil. Myšlenka je, že něco vykopeš, rozprostřeš a absorbuješ CO2 na jeden zátah.

Klíčový rozdíl mezi těmito dvěma procesy je ten, že cyklický proces podléhá druhému termodynamickému zákonu a existuje energetické omezení. Z fyziky lze stanovit skutečný limit, který říká, že jakýkoli cyklický proces bude vyžadovat určité množství energie a tomu se nelze vyhnout. Například zjistíme, že pro cyklické elektrárny s přímým zachycováním vzduchu (DAC) je na základě limitů druhého zákona absolutní minimální množství energie, které byste potřebovali k zachycení gigatuny uhlíku, srovnatelné s celkovou roční spotřebou elektrické energie ve státě Virginie. Systémy, které jsou v současné době ve vývoji, používají na tunu nejméně třikrát až desetkrát více energie (a zachycují desetitisíce, nikoli miliardy tun). Takové systémy také potřebují pohybovat velkým množstvím vzduchu; množství vzduchu, které by muselo projít systémem DAC k zachycení gigatuny CO2, je srovnatelné s množstvím vzduchu, které projde všemi systémy chlazení vzduchu na planetě.

Na druhou stranu, pokud máte jednorázový proces, můžete se v jistém ohledu vyhnout energetickému omezení, ale nyní máte omezení materiálu v důsledku základních zákonů chemie. U jednorázových procesů, jako je vylepšené zvětrávání hornin, to znamená, že pokud chcete zachytit gigatunu CO2, budete zhruba řečeno potřebovat miliardu tun horniny.

Zachycení gigatun uhlíku pomocí technických metod tedy vyžaduje obrovské množství fyzického materiálu, pohybu vzduchu a energie. Na druhou stranu, vše, co děláme, abychom tento CO2 uvolnili do atmosféry, je také rozsáhlé, takže rozsáhlá redukce emisí čelí srovnatelným výzvám.

Otázka: Co zpráva shrnuje, pokud jde o to, zda a jak odstraňovat oxid uhličitý z atmosféry?

Odpověď: Naše počáteční představa byla, že CDR bude vyžadovat tolik energie, a tomu se nedá vyhnout kvůli druhému termodynamickému zákonu, bez ohledu na metodu.

Ale jak jsme diskutovali, existuje tento nuance ohledně cyklických versus jednorázových systémů. A existují dva pohledy, mezi nimiž jsme se snažili najít rovnováhu. Jedním je názor, že CDR je zázračný lék a my se budeme jen zabývat CDR a nebudeme se starat o emise – prostě vše vysajeme z atmosféry. A to není pravda. Bude to opravdu drahé a bude to vyžadovat hodně energie a materiálu, aby se provedlo rozsáhlé CDR. Ale existuje další pohled, kdy lidé říkají, ani na CDR nemyslete. I samotné myšlení na CDR ohrozí naše úsilí o snížení emisí. Zpráva se nachází někde uprostřed a říká, že CDR není zázračný lék, ale ani nemožný úkol.

Pokud to s bojem proti klimatickým změnám myslíme vážně, pravděpodobně budeme potřebovat podstatné CDR navíc k agresivnímu snižování emisí. Zpráva dochází k závěru, že výzkum a vývoj metod CDR by měly být selektivně a obezřetně sledovány navzdory očekávaným nákladům a požadavkům na energii a materiály.

Na politické úrovni je hlavní zprávou, že potřebujeme ekonomický a politický rámec, který bude podporovat snižování emisí a CDR v společném rámci; to by trhu přirozeně umožnilo optimalizovat řešení klimatických změn. Jelikož je ve většině případů mnohem snazší a levnější snížit emise, než bude pravděpodobně kdykoli odstraňovat atmosférický uhlík, jasné pochopení výzev CDR by mělo pomoci motivovat k rychlému snižování emisí.

Já osobně jsem optimistický v tom smyslu, že vědecky chápeme, co bude potřeba ke snížení emisí a k použití CDR k snížení hladin CO2 na mírně nižší úroveň. Nyní je to skutečně společenský a ekonomický problém. Myslím, že lidstvo má potenciál tyto problémy vyřešit. Doufám, že najdeme společnou řeč, abychom jako společnost mohli podniknout kroky, které prospějí jak lidstvu, tak širším ekosystémům na planetě, dříve než se dostaneme do ještě větších problémů, než už máme.