Kan det virkelig fungere å suge CO2 ut av atmosfæren?

Fysiker Peter Eisenberger hadde forventet at kolleger skulle reagere på ideen hans med skepsis. Han hevdet tross alt å ha oppfunnet en maskin som kunne rense atmosfæren for overflødig karbondioksid, gjøre gassen til drivstoff eller lagre den under jorden. Og forskeren ved Columbia University var klar over at det å navngi hans to år gamle oppstart Global Thermostat ikke akkurat hadde vært en øvelse i ydmykhet.

Men mottakelsen våren 2009 hadde vært enda mer avvisende enn han hadde forventet. Først snakket han med en spesiell komité innkalt av American Physical Society for å vurdere mulige måter å redusere karbondioksid i atmosfæren på gjennom såkalt luftfangst, som i hovedsak betyr å skrubbe det fra himmelen. De lyttet høflig til presentasjonen hans, men stilte knapt noen spørsmål. Noen uker senere talte han ved U.S. Department of Energys National Energy Technology Laboratory i West Virginia for et tilsvarende skeptisk publikum. Eisenberger forklarte at laboratoriets forskning involverer kjemikalier kalt aminer som allerede brukes til å fange ut konsentrert karbondioksid som slippes ut fra kraftverk med fossilt brensel. Den samme aminbaserte teknologien, sa han, viste også potensial for den langt vanskeligere og ambisiøse oppgaven med å fange opp gassen fra friluft, der karbondioksid finnes i konsentrasjoner på 400 deler per million. Det er opptil 300 ganger mer diffust enn i kraftverksrøyker. Men Eisenberger hevdet at han hadde et enkelt design for å oppnå bragden på en kostnadseffektiv måte, delvis på grunn av måten han ville resirkulere aminene. Det registrerte ikke engang, husker han. Jeg kjente at mange pissa på meg.

CTO og medgründer Peter Eisenberger foran Global Thermostats luftfangermaskin.

Dagen etter ringte en leder fra laboratoriet ham begeistret. DOE-forskerne hadde innsett at aminprøver som satt rundt i laboratoriet hadde blitt bundet med karbondioksid ved romtemperatur - et faktum de ikke hadde satt stor pris på før da. Det betydde at Eisenbergers tilnærming til luftfangst i det minste var gjennomførbar, sier en av DOE-laboratoriets kjemikere, Mac Gray.

Fem år senere har Eisenbergers selskap samlet inn 24 millioner dollar i investeringer, bygget et fungerende demonstrasjonsanlegg og inngått avtaler for å forsyne minst én kunde med karbondioksid høstet fra himmelen. Men den neste utfordringen er å bevise at teknologien kan ha en transformativ innvirkning på verden, noe som passer selskapets navn.

Behovet for en karbonsugende maskin er lett å se. De fleste teknologier for å redusere karbondioksid fungerer bare der gassen slippes ut i store konsentrasjoner, som i kraftverk. Men luftfangstmaskiner, installert hvor som helst på jorden, kan håndtere de 52 prosentene av karbondioksidutslippene som er forårsaket av distribuerte, mindre kilder som biler, gårder og hjem. For det andre kan luftfangst, hvis det noen gang blir praktisk, gradvis redusere konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren. Etter hvert som utslippene har akselerert – de øker nå med 2 prosent per år, dobbelt så raskt som de gjorde i de siste tre tiårene av det 20. århundre – har forskere begynt å innse at det haster med å oppnå såkalte negative utslipp.

Det åpenbare behovet for teknologien har lokket flere andre forsøk på å komme opp med ulike tilnærminger som kan være praktiske. For eksempel, Climate Engineering, basert i Calgary, fanger karbon ved hjelp av en flytende løsning av natriumhydroksid, en veletablert industriell teknikk. Et firma som ble grunnlagt av en tidlig pioner innen ideen, Eisenbergs Columbia-kollega Klaus Lackner, jobbet med problemet i flere år før han ga opp i 2012.

Negative utslipp er definitivt nødvendig for å gjenopprette atmosfæren gitt at vi langt kommer til å overskride enhver sikker grense for CO2, hvis det er en. Spørsmålet i mitt sinn er, kan det gjøres på en økonomisk måte?

En rapport utgitt i april av det mellomstatlige panelet for klimaendringer sier at det å unngå det internasjonalt vedtatte målet om 2 °C global oppvarming sannsynligvis vil kreve global bruk av strategier for fjerning av karbondioksid som luftfangst. (Se kostnadene ved å begrense klimaendringer kan dobles uten karbonfangstteknologi.) Negative utslipp er definitivt nødvendig for å gjenopprette atmosfæren gitt at vi langt kommer til å overskride enhver sikker grense for CO2, hvis det er en, sier Daniel Schrag, direktør ved Harvard University Center for Environment. Spørsmålet i mitt sinn er, kan det gjøres på en økonomisk måte?

De fleste eksperter er skeptiske. (Se What Carbon Capture Can't Do .) En rapport fra 2011 av American Physical Society identifiserte viktige fysiske og økonomiske utfordringer. Det faktum at karbondioksid vil binde seg med aminer, og danner et molekyl som kalles et karbamat, er velkjent kjemi. Men karbondioksid representerer fortsatt bare ett av 2500 molekyler i luften. Det betyr at en effektiv luftfangstmaskin må skyve store mengder luft forbi aminer for å få nok karbondioksid til å feste seg til dem og deretter regenerere aminene for å fange opp mer. Det vil kreve mye energi og dermed være veldig dyrt, heter det i 2011-rapporten. Det er derfor den konkluderte med at luftfangst for øyeblikket ikke er en økonomisk levedyktig tilnærming for å dempe klimaendringer.

Folkene i Global Thermostat forstår denne skremmende økonomien, men forblir trassig optimistiske. Måten å gjøre luftfangst lønnsomt på, sier medgrunnlegger av Global Thermostat, Graciela Chichilnisky, en økonom og matematiker ved Columbia University, er å dra nytte av etterspørselen etter gassen fra ulike industrier. Det eksisterer allerede et veletablert milliardmarked for karbondioksid, som brukes til å forynge oljebrønner, lage kullsyreholdige drikker og stimulere plantevekst i kommersielle drivhus. Historisk sett selges gassen for rundt 100 dollar per tonn. Men Eisenberger sier at selskapets prototypemaskin kunne utvinne et konsentrert tonn av gassen for langt mindre enn det. Tanken er først å selge karbondioksid til nisjemarkeder, som oljebrønnutvinning, for til slutt å skape større, som å bruke katalysatorer for å lage drivstoff i prosesser som drives av solenergi. Når det først er lønnsomt å fange karbon fra luften, vil folk som handler i sin egen interesse få det til, sier Chichilnisky.

Varmer opp

Eisenberger og Chichilnisky var kolleger i Columbia i 2008 da de innså at de hadde komplementære interesser: hans innen energi, og hennes innen miljøøkonomi, inkludert arbeid for å bidra til å forme Kyoto-protokollen fra 1991, den første globale traktaten om utslippskutt. Nasjoner hadde lovet store kutt, sier Chichilnisky, men økonomiske og politiske realiteter hadde ikke gitt noen måte å implementere det på. Paret bestemte seg for å opprette en virksomhet for å takle karbonutfordringen.

De fokuserte på luftfangst, som først ble utviklet av nazistiske forskere som brukte flytende sorbenter for å fjerne ansamlinger av CO2 i ubåter. Vinteren 2008 festet Eisenberger seg i et stille hus med store glassvinduer med utsikt over havet i Mendocino County, California. Der studerte han eksisterende litteratur om fangst av karbon og tok en nøkkelbeslutning. Forskere som utvikler teknikker for å fange CO2 har så langt forsøkt å arbeide ved høye konsentrasjoner av gassen. Men Eisenberger og Chichilnisky fokuserte på et annet begrep i disse ligningene: temperatur.

Ingeniører har tidligere brukt aminer for å skrubbe CO2 fra røykgasser, hvis temperaturer er rundt 70 °C når de forlater kraftverk. Etterfølgende fjerning av CO2 fra aminene – regenerering av aminene – krever vanligvis reaksjoner ved 120 °C. Derimot beregnet Eisenberger at systemet hans ville fungere ved omtrent 85 °C, og kreve mindre total energi. Den ville bruke relativt billig damp til to formål. Dampen ville varme opp overflaten, drive CO2 bort fra aminene som skulle samles opp, samtidig som CO2 blåste bort fra overflaten.

Selv om luftfangst en dag skulle vise seg å være lønnsomt, er det et annet spørsmål om det bør skaleres opp.

Resultatet? Med mindre varmestyringsinfrastruktur enn det som kreves med aminer i røysene til kraftverk, kan utformingen av en scrubber være enklere og derfor billigere. Ved å bruke data fra prototypen deres, regner Eisenbergers team at tilnærmingen kan koste mellom $15 og $50 per tonn karbondioksid fanget fra luft, avhengig av hvor lenge aminoverflatene varer.

Hvis Global Thermostat kan oppnå hvor som helst i nærheten av prisene den hevder, lokker en rekke nisjemarkeder. Oppstarten har inngått samarbeid med et Carson City, Nevada-basert selskap kalt Algae Systems for å lage biodrivstoff ved bruk av karbondioksid og alger. I mellomtiden øker etterspørselen etter karbondioksid til å injisere i uttømte oljebrønner, en teknikk kjent som forbedret oljeutvinning. En studie anslår at applikasjonen kan kreve så mye som 3 milliarder tonn karbondioksid årlig innen 2021, en nesten tidoblet økning i forhold til 2011-markedet.

Det representerer fortsatt en dråpe i bøtta når det gjelder mengdene som trengs for å redusere eller til og med stabilisere konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren. Men Eisenberger sier at det egentlig ikke finnes noen alternativer til luftfangst. Bare å fange opp karbonutslipp fra kullkraftverk, sier han, utvider bare samfunnets avhengighet av karbonintensivt kull.

Sug den opp

Det er en varm desemberettermiddag i Silicon Valley når Eisenberger og jeg tar oss gjennom SRI Internationals betongforskningssenter. Det er i disse lavtliggende bygningene hvor ingeniører først demonstrerte ARPAnet, Apples Siri-programvare og utallige andre teknologiske fremskritt. Omtrent en kvart mil fra inngangen kommer et 40 fot høyt tårn av vifter, stål- og sølvrør til syne. Dette er demonstrasjonsanlegget Global Thermostat. Det er imponerende og rent. Eisenberger stirrer på den stille scenen rundt tårnet, som inkluderer et høyt tre. Det gjør akkurat det treet gjør, sier Eisenberger. Men så retter han seg. Vel, faktisk, det gjør det mye bedre.

Etter at Eisenberger tok en doktorgrad i fysikk i 1967 ved Harvard, fulgte stints ved Bell Labs, Princeton og Stanford. Ved Exxon på 1980-tallet ledet han arbeidet med solenergi, og fungerte deretter som direktør for Lamont-Doherty, geovitenskapslaboratoriet i Columbia. Der har han undervist i et mangeårig seminar kalt The Earth/Human system. Det var på det seminaret, i 2007, med Lackner som gjesteforeleser, at Eisenberger første gang hørte om luftfangst. Etter et års forberedelse, tok han og Chichilnisky kontakt med milliardæren Edgar Bronfman Jr. Noen ganger når du hører noe som må være for godt til å være sant, er det fordi det er det, var Bronfmans reaksjon, ifølge sønnen hans, som var til stede. på møtet. Men etterkommeren bønnfalt faren sin: Hvis de har rett, er dette en av de største mulighetene der ute. Familien investerte 18 millioner dollar.

Denne storheten har tillatt selskapet å bygge sin demonstrasjon til tross for i utgangspunktet ingen føderal støtte til luftfangstforskning. (Global Thermostat valgte SRI som sitt sted på grunn av anleggets tidligere erfaring med karbonfangstteknologi.) Det rektangulære tårnet bruker vifter til å trekke luft inn over alternerende 10 fot brede overflater kjent som kontaktorer. Hver består av 640 keramiske terninger innebygd med aminsorbenten. Tårnet hever en kontaktor når en annen senkes. Det gjør at kubene til den ene kan samle CO2 fra omgivelsesluften mens den andre blir strippet for gassen ved påføring av damp, ved 85 °C. For nå er den gassen ganske enkelt ventilert, men avhengig av kunden kan den injiseres i bakken, sendes med rør eller overføres til et kjemisk anlegg for industriell bruk.

En sentral utfordring selskapet står overfor er robustheten til de aminabsorberende overflatene. De har en tendens til å forfalle raskt når de oksideres, og hyppig utskifting av sorbentene kan gjøre prosessen mye mindre kostnadseffektiv enn Eisenberger-prosjekter.

Falskt håp

Ingen av verdens tusenvis av kullanlegg har blitt utstyrt for fullskalafangst av karbonforurensningene deres. Og hvis det ikke er økonomisk for bruk i kraftverk, med sin konsentrerte kilde til karbondioksid, virker utsiktene til å fange den ut av luften svake for mange eksperter. Det er egentlig liten sjanse for at du kan fange CO2 fra omgivelsesluften billigere enn fra et kullanlegg, der røykgassen er 300 ganger mer konsentrert, sier Robert Socolow, direktør for Princeton Environment Institute og meddirektør for universitetets initiativ for karbonreduksjon. .

Det som øker skepsisen rundt gjennomførbarheten av luftfangst er at det finnes andre, billigere måter å skape de såkalte negative utslippene på. En mer praktisk måte å gjøre det på, sier Schrag, ville innebære å hente drivstoff fra biomasse - som fjerner CO2 fra atmosfæren når den vokser. Ettersom råstoffet fermenteres i en reaktor for å lage etanol, produserer det en strøm av rent karbondioksid som kan fanges opp og lagres under jorden. Det er en velprøvd teknikk og har blitt testet på en håndfull steder over hele verden.

Selv om luftfangst en dag skulle vise seg lønnsomt, enten det er bør bli oppskalert er et annet spørsmål. La oss si at et solkraftverk bygges utenfor et eksisterende kullverk. Skal energien det nye solcelleanlegget produserer brukes til å suge karbon ut av atmosfæren, eller til å la kullanlegget stenges ved å erstatte energiproduksjonen? Det siste gir mye mer mening, sier Socolow. Han og andre har en annen bekymring angående luftfangst: at påstander om gjennomførbarheten kan skape selvtilfredshet. Jeg vil ikke at vi skal gi folk det falske håpet om at luftfangst kan løse karbonutslippsproblemet uten et sterkt fokus på [redusere bruken av] fossilt brensel, sier han.

Eisenberger og Chichilnisky er fast på viktigheten av å suge CO2 ut av atmosfæren i stedet for å fokusere helt på å fange den fra kullanlegg. I 2010 utviklet paret en versjon av teknologien deres som blander luft med røykgass fra et kull- eller gasskraftverk. Den tilnærmingen gir en kilde til damp samtidig som den fanger opp både atmosfærisk karbon og nye utslipp. Det kan også redusere kostnadene ved å gi en høyere konsentrasjon av CO2 for maskinen å fange. Det er et veldig imponerende system, en triumf, sier Socolow, som tror vitenskapelige fremskritt innen luftfangst vil etter hvert primært bli brukt på kull- og gasskraftverk.

En slik applikasjon kan spille en kritisk rolle for å rydde opp i klimagassutslipp. Men Eisenberger har avslørt enda høyere mål. Et patent gitt til ham og Chichilnisky i 2008 beskrev luftfangstteknologi som blant annet en global termostat for å kontrollere gjennomsnittstemperaturen til en planets atmosfære.

Eli Kintisch er korrespondent for Vitenskap magasin.

gjemme seg