Deschiderea liniilor de comunicare între cercetătorii și comunitatea mai largă

carbon

  • Pagina de Facebook SITN
  • SITN Twitter Feed
  • Pagina Instagram SITN
  • Prelegeri SITN pe YouTube
  • SITN Podcast pe SoundCloud
  • Abonați-vă la lista de distribuție SITN
  • Flux RSS site-ul web SITN

de Jordan Wilkerson
cifrele lui Daniel Utter

Încă de la Revoluția Industrială în urmă cu aproximativ 150 de ani, cea mai mare parte a energiei electrice utilizate în Statele Unite provine din arderea combustibililor fosili. Acești combustibili, cum ar fi cărbunele și petrolul, sunt toți din carbon. Sunt o formă atât de importantă a elementului, încât numele „carbon” provine din cuvântul latin pentru cărbune. Cu toate acestea, arderea întregului carbon pentru energie a crescut cantitatea de dioxid de carbon (CO2) care pătrunde în atmosfera noastră într-un ritm fără precedent. CO2 acționează ca un gaz cu efect de seră prin reținerea căldurii emise de Pământ care altfel ar scăpa în spațiu, care este cauza dominantă a schimbărilor climatice globale recente. Temperatura medie a Pământului a crescut cu 1,4 °F din 1880. Este posibil să nu pară prea mult, dar deja observăm multe consecințe ale acestei creșteri recente a temperaturii, cum ar fi creșterea nivelului mării și valuri de căldură din ce în ce mai intense. Aceste efecte se traduc prin daune infrastructurale considerabile și rate crescute de mortalitate - în special în statele de coastă din sud. Faptul este că schimbările climatice vor costa bani și vieți. Oamenii de știință și factorii de decizie politică analizează un portofoliu de strategii pentru a reduce încălzirea viitoare. O soluție propusă este, în mod ciudat, să continuăm să ardem carbon pentru energie așa cum am făcut - dar cu o singură diferență: în loc de combustibili fosili, arde carbon care provine din plante.

Arderea unui alt tip de carbon

Electricitatea care provine din arderea combustibilului vegetal este denumită bioenergie. Probabil că sunteți familiarizat cu utilizarea etanolului pe bază de porumb pentru a suplimenta benzina. O altă versiune a acestei soluții se concentrează pe centralele electrice pe cărbune. În loc să ardem cărbune la aceste instalații, putem arde pelete comprimate de materie vegetală. Centralele electrice care au fost recondiționate pentru a utiliza biomasă în locul sau în plus față de cărbune există deja într-o măsură limitată în Statele Unite.

Există un alt pas pe care l-am putea face în renovarea acestor centrale electrice pe cărbune. Dacă captăm CO2 care curge din coșurile de fum ale instalației și îl îngropăm adânc sub pământ, atunci vom împiedica gazul cu efect de seră să scape complet în atmosferă. Acest proces este cunoscut sub numele de captare a carbonului și, atunci când este asociat cu o capacitate de stocare subterană, captarea și stocarea carbonului (CCS). Tehnologia CCS este legată de obicei de cărbune curat, dar ar funcționa la fel de bine pentru bioenergie.

În acest moment, s-ar putea să vă întrebați: de ce arderea carbonului din plante este mai bună pentru climă decât arderea carbonului din cărbune? Acest lucru se datorează faptului că nu doar arderea carbonului determină schimbarea rapidă a climei noastre; contează de unde provine acel carbon și unde merge în cele din urmă. Deci, de unde provine și pleacă carbonul din combustibilii fosili și din biomasă?

Fluxul de carbon

Elementul de carbon curge constant prin diferite fețe ale Pământului și ale atmosferei prin ceea ce se numește ciclul carbonului. Cu toate acestea, carbonul adânc în pământ rămâne acolo mult mai mult decât carbonul găsit în plante. Acest lucru se datorează faptului că, așa cum se arată în Figura 1, plantele provin dintr-o parte semnificativ mai rapidă a ciclului carbonului, cunoscută sub numele de ciclul carbonului terestru, care curge prin toată viața de pe uscat. Plantele cresc preluând CO2 din aer și folosind fotosinteza pentru a-l transforma în frunze și tulpini noi. Când plantele mor, sunt consumate în mod natural de ciuperci și microbi din sol, care eliberează CO2 înapoi în aer.

Să presupunem că, în schimb, recoltăm plantele pentru combustibil. Acest lucru nu exacerbează cu adevărat schimbările climatice și nici nu modifică ciclul carbonului, deoarece plantele pot recrește. Prin regenerarea completă, plantele trag aceeași cantitate de CO2 pe care am emis-o arzându-le în primul rând. Prin urmare, creștem cantitatea de CO2 din atmosferă doar pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece plantele noi pot crește și pot elimina din nou CO2.

Să comparăm acest lucru cu timpul necesar formării combustibililor fosili. Săgețile roșii din Figura 1 indică o parte foarte lentă a acestui ciclu cunoscută sub numele de ciclul geologic al carbonului. Combustibilii fosili, fiind adânci în subteran, fac parte din acest ciclu. Când viața antică a murit și a fost îngropată în mod natural în masă de-a lungul timpului, presiunea imensă le-a transformat încet în cărbune și petrol pe care le folosim astăzi. De asemenea, carbonul intră în mod natural în sedimentele profunde atunci când organismele acvatice din ocean mor și sunt îngropate de-a lungul mileniilor pe fundul oceanului. Aceste procese sunt foarte lente, iar combustibilii fosili durează milioane de ani pentru a se forma. În schimb, schimbul de carbon între plante și atmosferă este de peste 1000 de ori mai rapid decât schimbul de carbon între sedimentele aflate adânc sub noi și cerul de deasupra.

De la Revoluția industrială, oamenii au extras combustibili fosili și i-au ars pentru energie, creând o cale pentru intrarea în atmosferă a carbonului profund îngropat. Oamenii eliberează în prezent de 100 de ori mai mult carbon în atmosferă pe an decât din activitatea vulcanică, care este metoda naturală a ciclului geologic al carbonului pentru eliberarea carbonului în atmosferă (Figura 2).

Cât timp rămâne acest carbon în atmosfera noastră? Depinde de capacitatea vieții marine de a produce coji de carbonat, care sunt fabricate din CO2 care s-a dizolvat în oceane în principal din atmosferă (Figura 1). Înmormântarea extrem de lentă a acestor scoici este singura modalitate naturală în care CO2 atmosferic este în cele din urmă plasat înapoi adânc în scoarța Pământului. Acest proces este mult mai lung decât timpul necesar plantelor pentru a crește. Prin urmare, CO2 emis de combustibili fosili reprezintă o creștere mult mai durabilă a concentrațiilor de gaze cu efect de seră decât atunci când emitem CO2 din arderea materiei vegetale.

Figura 2: Ciclul carbonului geologic cu combustibili fosili. Toate numerele sunt exprimate în miliarde de tone pe an.

Îndepărtarea carbonului din aer

Putem face mai mult decât să schimbăm ce tip de carbon ardem. Prin modernizarea unei centrale electrice cu tehnologie de captare și stocare a carbonului (CCS), CO2 pe care îl producem în timpul producerii de energie electrică poate fi pompat într-o formațiune geologică subterană. Tehnologia CCS este încă în stadiile incipiente, cu o singură centrală cu cărbune din SUA care utilizează în prezent tehnologia. Deoparte de obstacolele tehnologice și economice, atracția CCS este clară: reduce cantitatea de carbon pe care o transferăm din roci adânci în atmosferă (Figura 3).

CCS înseamnă pur și simplu că nu emitem mai mult carbon în aer. Obținem carbonul (combustibili fosili) de la sol și injectăm dioxidul de carbon înapoi în sol într-o buclă închisă. Cu toate acestea, să luăm aceeași idee și să o aplicăm la o centrală cu biomasă. Carbonul pe care îl folosim din biomasă provine dintr-un copac sau dintr-un mănunchi de iarbă, ambii care au primit acel carbon din aer relativ recent. Arzând aceste plante și îngropând CO2 în adâncurile subterane, luăm efectiv CO2 care se afla în aer și îl mutăm înapoi în sedimente adânci - opusul a ceea ce am făcut în ultimii 150 de ani prin arderea combustibililor fosili.

Figura 3: CCS și ciclul carbonului. CO2 de la centralele electrice, care ar putea folosi cărbune sau biomasă, poate fi depus în formațiuni subterane, plasându-l în mod eficient în rezervorul de roci sedimentare adânci.

Dedicarea terenurilor și a resurselor pentru creșterea culturilor pentru bioenergie face cu siguranță beneficiile de mediu mai puțin clare. Cu toate acestea, acest lucru nu este necesar să se ia în considerare pentru etapele inițiale de creștere a puterii de biomasă. Multe centrale electrice existente pe bază de biomasă sunt amplasate convenabil lângă gaterele unde deșeurile fabricii sunt transportate la centrala electrică. Culturile sunt cultivate indiferent dacă există centrală cu biomasă în apropiere, astfel încât costul combustibilului - și povara de mediu - este aproape de zero. Există și alte surse de deșeuri de biomasă, cum ar fi reziduurile de păduri și plante agricole, care sunt adesea arse, oricum, ca parte a practicilor de gestionare a terenurilor. Cu toate acestea, dacă începem să cultivăm culturi doar pentru bioenergie, am putea folosi ierburi ieftine, cu creștere rapidă. Ierburile necesită mai puține resurse decât culturile tradiționale și elimină nevoia de a vă face griji cu privire la concurența cu industria alimentară.

În ciuda complicațiilor asociate creșterii drastice a bioenergiei, este încă considerată o componentă crucială a viitorului nostru portofoliu de energie, dacă dorim să abordăm schimbările climatice cât mai eficient posibil. Atingerea cu succes a obiectivului de atenuare a schimbărilor climatice subliniat de Acordul de la Paris al Organizației Națiunilor Unite asupra climei presupune o mare dependență de contribuțiile bioenergiei cu captarea carbonului, pe lângă alte strategii riguroase. Centralele electrice cu biomasă încep să fie propuse de factorii de decizie politică ca o componentă importantă a portofoliilor de energie regenerabilă. Pentru a fi clar, aceste propuneri se concentrează pe utilizarea deșeurilor vegetale, nu pe cultivarea culturilor special pentru bioenergie. Separat, mai multe centrale electrice pe cărbune au fost recondiționate pentru a avea capacitatea de a arde biomasă. Cu toate acestea, există multe centrale electrice pe cărbune abandonate, încă împrăștiate în Statele Unite, care ar putea fi reînviate și recondiționate pentru a arde deșeurile plantelor. Aceste clădiri abandonate ar putea fi folosite din nou, locurile de muncă ar putea fi recâștigate și gestionarea deșeurilor ar putea îmbunătăți. În tot acest timp, vom contribui la soluționarea problemei în creștere a schimbărilor climatice drastice ale Pământului.

Jordan Wilkerson este doctorand în anul cinci. student la Departamentul de chimie și biologie chimică de la Universitatea Harvard.

Pentru mai multe informatii:

Pentru mai multe informații despre ciclul carbonului, consultați acest raport al Grupului interguvernamental privind schimbările climatice (IPCC), un grup al Organizației Națiunilor Unite.