Uwięziony w wielkim błękicie: usuwanie dwutlenku węgla z oceanu

Rozbicie geoinżynierii klimatycznej: część 2

Część 1: Niekończące się niewiadome
Część 3: Modyfikacja promieniowania słonecznego
Część 4: Biorąc pod uwagę etykę, równość i sprawiedliwość

Usuwanie dwutlenku węgla (CDR) to forma geoinżynierii klimatycznej, która ma na celu usunięcie dwutlenku węgla z atmosfery. CDR koncentruje się na wpływie emisji gazów cieplarnianych poprzez redukcję i usuwanie atmosferycznego dwutlenku węgla poprzez długoterminowe i krótkoterminowe składowanie. CDR można uznać za lądowe lub oceaniczne, w zależności od materiału i systemów używanych do wychwytywania i przechowywania gazu. W tych rozmowach dominował nacisk na CDR na lądzie, ale zainteresowanie wykorzystaniem CDR w oceanach rośnie, zwracając uwagę na ulepszone projekty naturalne, mechaniczne i chemiczne.

---

Systemy naturalne już usuwają dwutlenek węgla z atmosfery

Ocean jest naturalnym pochłaniaczem dwutlenku węgla, przechwytywanie 25% atmosferycznego dwutlenku węgla i 90% nadmiaru ciepła na Ziemi w wyniku naturalnych procesów, takich jak fotosynteza i absorpcja. Systemy te pomogły utrzymać globalną temperaturę, ale są przeciążone z powodu wzrostu atmosferycznego dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych z emisji paliw kopalnych. Ta zwiększona absorpcja zaczęła wpływać na chemię oceanu, powodując zakwaszenie oceanów, utratę różnorodności biologicznej i nowe wzorce ekosystemów. Odbudowa różnorodności biologicznej i ekosystemów w połączeniu z redukcją paliw kopalnych wzmocni planetę w walce ze zmianami klimatycznymi.

Usuwanie dwutlenku węgla poprzez wzrost nowych roślin i drzew może zachodzić zarówno w ekosystemach lądowych, jak i oceanicznych. Zalesianie jest tworzenie nowych lasów lub ekosystemów oceanicznych, takich jak namorzyny, na obszarach, które w przeszłości nie zawierały takich roślin, podczas gdy ponowne zalesianie ma na celu przywrócić drzewa i inne rośliny w miejscach, które zostały przekształcone w inne przeznaczenie, takie jak pola uprawne, górnictwo lub zagospodarowanie, lub po utracie z powodu zanieczyszczenia.

Szczątki morskie, plastik i zanieczyszczenie wody bezpośrednio przyczyniły się do utraty większości trawy morskiej i namorzynów. The Ustawa o czystej wodzie w Stanach Zjednoczonych i podjęto inne wysiłki w celu zmniejszenia takiego zanieczyszczenia i umożliwienia ponownego zalesiania. Terminy te były ogólnie używane do opisywania lasów lądowych, ale mogą również obejmować ekosystemy oceaniczne, takie jak namorzyny, trawy morskie, słone bagna lub wodorosty.

Obietnica:

Drzewa, namorzyny, trawy morskie i podobne rośliny są pochłaniacze węgla, wykorzystując i sekwestrując dwutlenek węgla w sposób naturalny w procesie fotosyntezy. Ocean CDR często podkreśla „niebieski węgiel” lub dwutlenek węgla sekwestrowany w oceanie. Jednym z najbardziej efektywnych ekosystemów niebieskiego węgla są namorzyny, które sekwestrują węgiel w korze, systemie korzeniowym i glebie, magazynując do czasów 10 więcej węgla niż lasy na lądzie. Lasy namorzynowe zapewniają liczne dodatkowe korzyści dla środowiska lokalnym społecznościom i ekosystemom przybrzeżnym, zapobiegając długotrwałej degradacji i erozji, a także łagodząc wpływ sztormów i fal na wybrzeże. Lasy namorzynowe tworzą również siedliska dla różnych zwierząt lądowych, wodnych i ptasich w systemie korzeniowym i gałęziach rośliny. Takie projekty mogą być również wykorzystywane do bezpośrednio odwrócić skutki wylesiania lub sztormów, przywracanie linii brzegowych i gruntów, które utraciły pokrycie drzewami i roślinami.

Groźba:

Ryzyka towarzyszące tym projektom wynikają z czasowego składowania naturalnie sekwestrowanego dwutlenku węgla. Gdy zmiany użytkowania gruntów przybrzeżnych i ekosystemy oceaniczne są zakłócane przez rozwój, podróże, przemysł lub przez wzmagające się burze, węgiel zmagazynowany w glebie zostanie uwolniony do wód oceanicznych i atmosfery. Te projekty są również podatne na różnorodności biologicznej i utraty różnorodności genetycznej na rzecz szybko rosnących gatunków, zwiększając ryzyko chorób i masowego wymierania. Projekty renowacji może być energochłonny i wymagają paliw kopalnych do transportu i maszyn do konserwacji. Przywracanie ekosystemów przybrzeżnych za pomocą tych rozwiązań opartych na przyrodzie bez należytego uwzględnienia społeczności lokalnych może doprowadzić do zawłaszczania ziemi i stawiają w niekorzystnej sytuacji społeczności, które w najmniejszym stopniu przyczyniły się do zmiany klimatu. Silne relacje społeczne i zaangażowanie interesariuszy z ludnością tubylczą i społecznościami lokalnymi są kluczem do zapewnienia równości i sprawiedliwości w wysiłkach CDR naturalnych oceanów.

Uprawa wodorostów ma na celu sadzenie wodorostów i makroalg w celu filtrowania dwutlenku węgla z wody i przechowywać go w biomasie w procesie fotosyntezy. Te bogate w węgiel wodorosty można następnie hodować i wykorzystywać w produktach lub żywności lub zatopić na dnie oceanu i sekwestrować.

Obietnica:

Wodorosty i podobne duże rośliny oceaniczne szybko rosną i występują w regionach na całym świecie. W porównaniu z wysiłkami związanymi z zalesianiem lub ponownym zalesianiem oceaniczne siedlisko wodorostów sprawia, że ​​nie są one podatne na pożary, wtargnięcie ani inne zagrożenia dla lasów lądowych. Sekwestratory wodorostów duże ilości dwutlenku węgla i ma wiele zastosowań po wzroście. Dzięki usuwaniu dwutlenku węgla na bazie wody wodorosty mogą pomóc regionom przeciwdziałać zakwaszaniu oceanów i zapewniają siedliska bogate w tlen dla ekosystemów oceanicznych. Oprócz tych korzyści środowiskowych, wodorosty mają również zalety adaptacji do klimatu, które mogą chronić wybrzeża przed erozją poprzez tłumienie energii fal. 

Groźba:

Wychwytywanie dwutlenku węgla przez wodorosty różni się od innych procesów CDR związanych z niebieską gospodarką, ponieważ zakład magazynuje CO₂ w swojej biomasie, zamiast przenosić ją do osadu. W rezultacie KO₂ zdolność usuwania i przechowywania wodorostów jest ograniczona przez roślinę. Udomowienie dzikich wodorostów poprzez uprawę wodorostów może zmniejszyć różnorodność genetyczną rośliny, zwiększając ryzyko chorób i masowych wymierań. Ponadto obecnie proponowane metody uprawy wodorostów obejmują hodowlę roślin w wodzie na sztucznym materiale, takim jak lina, oraz na płytkich wodach. Może to uniemożliwić dostęp światła i składników odżywczych do siedlisk w wodzie poniżej wodorostów i zaszkodzić tym ekosystemom w tym zasieki. Same wodorosty są również podatne na degradację ze względu na problemy z jakością wody i drapieżnictwo. Obecnie spodziewają się tego duże projekty mające na celu zatopienie wodorostów w oceanie zatopić linę lub sztuczny materiał również potencjalnie zanieczyszczając wodę, gdy wodorosty toną. Przewiduje się również, że tego typu projekty napotkają ograniczenia kosztowe, ograniczające skalowalność. Potrzebne są dalsze badania określić najlepszy sposób uprawy wodorostów i uzyskać korzystne obietnice przy jednoczesnej minimalizacji przewidywanych zagrożeń i niezamierzonych konsekwencji.

Ogólnie rzecz biorąc, odbudowa ekosystemów oceanicznych i przybrzeżnych poprzez namorzyny, trawy morskie, ekosystemy słonych bagien i uprawę wodorostów ma na celu zwiększenie i przywrócenie zdolności naturalnych systemów Ziemi do przetwarzania i magazynowania atmosferycznego dwutlenku węgla. Utrata różnorodności biologicznej w wyniku zmian klimatu jest połączona z utratą różnorodności biologicznej w wyniku działalności człowieka, takiej jak wylesianie, zmniejszające odporność Ziemi na zmiany klimatyczne. 

W 2018 r. Międzyrządowa Platforma Naukowo-Polityczna ds. Różnorodności Biologicznej i Usług Ekosystemowych (IPBES) poinformowała, że dwie trzecie ekosystemów oceanicznych są uszkodzone, zdegradowane lub zmienione. Liczba ta wzrośnie wraz ze wzrostem poziomu mórz, zakwaszeniem oceanów, eksploatacją głębinową i antropogenicznymi skutkami zmiany klimatu. Naturalne metody usuwania dwutlenku węgla przyniosą korzyści w postaci zwiększenia różnorodności biologicznej i odbudowy ekosystemów. Uprawa wodorostów jest rozwijającym się obszarem badań, który skorzystałby na ukierunkowanych badaniach. Przemyślana odnowa i ochrona ekosystemów oceanicznych ma natychmiastowy potencjał łagodzenia skutków zmiany klimatu poprzez redukcję emisji w połączeniu z dodatkowymi korzyściami.

---

Wzmacnianie naturalnych procesów oceanicznych w celu łagodzenia zmian klimatu

Oprócz naturalnych procesów naukowcy badają metody zwiększania naturalnego usuwania dwutlenku węgla, zachęcając do pochłaniania dwutlenku węgla przez ocean. Trzy projekty geoinżynierii klimatu oceanicznego mieszczą się w tej kategorii usprawniania procesów naturalnych: poprawa zasadowości oceanów, nawożenie substancjami odżywczymi oraz sztuczne upwelling i downwelling. 

Ocean Alkalinity Enhancement (OAE) to metoda CDR, której celem jest usuwanie dwutlenku węgla z oceanów poprzez przyspieszenie naturalnych reakcji wietrzenia minerałów. Te reakcje wietrzenia wykorzystują dwutlenek węgla i tworzą stały materiał. Obecne techniki OAE wychwytywanie dwutlenku węgla za pomocą skał alkalicznych, tj. wapna lub oliwinu, lub w procesie elektrochemicznym.

Obietnica:

Na podstawie naturalne procesy wietrzenia skał, OAE jest skalowalny i oferuje stałą metodę usuwania dwutlenku węgla. Reakcja między gazem a minerałem tworzy złoża, których oczekuje się zwiększyć pojemność buforową oceanu, co z kolei zmniejsza zakwaszenie oceanów. Wzrost złóż mineralnych w oceanie może również zwiększyć produktywność oceanów.

Groźba:

Powodzenie reakcji wietrzenia zależy od dostępności i rozmieszczenia minerałów. Nierównomierny rozkład minerałów i wrażliwość regionalna do spadku dwutlenku węgla może negatywnie wpłynąć na środowisko oceaniczne. Ponadto najprawdopodobniej ilość minerałów potrzebnych do OAE będzie najprawdopodobniej taka sama pochodzi z kopalń lądowychi będzie wymagać transportu do regionów przybrzeżnych w celu użycia. Zwiększenie zasadowości oceanu zmieni również pH oceanu wpływających na procesy biologiczne. Poprawa zasadowości oceanów ma nie widziało tak wielu eksperymentów terenowych ani tak wielu badań jak wietrzenie na lądzie, a wpływ tej metody jest lepiej znany w przypadku wietrzenia na lądzie. 

Nawożenie składnikami odżywczymi proponuje dodanie żelaza i innych składników odżywczych do oceanu w celu pobudzenia wzrostu fitoplanktonu. Wykorzystując naturalny proces, fitoplankton łatwo pochłania atmosferyczny dwutlenek węgla i opada na dno oceanu. W 2008 r. narody w Konwencji ONZ o różnorodności biologicznej zgodził się na zapobiegawcze moratorium na praktyce, aby umożliwić społeczności naukowej lepsze zrozumienie zalet i wad takich projektów.

Obietnica:

Oprócz usuwania atmosferycznego dwutlenku węgla, nawożenie składnikami odżywczymi może tymczasowo zmniejszyć zakwaszenie oceanów i zwiększyć zasoby rybne. Fitoplankton jest źródłem pożywienia dla wielu ryb, a zwiększona dostępność pożywienia może zwiększyć liczebność ryb w regionach, w których realizowane są projekty. 

Groźba:

Badania dotyczące nawożenia składnikami odżywczymi i rozpoznać wiele niewiadomych o długoterminowych skutkach, dodatkowych korzyściach i trwałości tej metody CDR. Projekty nawożenia składnikami odżywczymi mogą wymagać dużych ilości materiałów w postaci żelaza, fosforu i azotu. Pozyskiwanie tych materiałów może wymagać dodatkowego wydobycia, produkcji i transportu. Może to zanegować wpływ dodatniego CDR i zaszkodzić innym ekosystemom na planecie z powodu wydobycia. Ponadto wzrost fitoplanktonu może skutkować m.in szkodliwe zakwity glonów, zmniejszają zawartość tlenu w oceanie i zwiększają produkcję metanu, gaz cieplarniany, który zatrzymuje 10 razy więcej ciepła niż dwutlenek węgla.

Naturalne mieszanie oceanu poprzez upwelling i downwelling przenosi wodę z powierzchni do osadów, rozprowadzając temperaturę i składniki odżywcze do różnych regionów oceanu. Sztuczne upwelling i downwelling ma na celu wykorzystanie mechanizmu fizycznego, aby przyspieszyć i zachęcić do tego mieszania, zwiększając mieszanie wody oceanicznej w celu sprowadzenia bogatych w dwutlenek węgla wód powierzchniowych do głębokiego oceanu, oraz zimną, bogatą w składniki odżywcze wodę na powierzchnię. Oczekuje się, że zachęci to do wzrostu fitoplanktonu i fotosyntezy w celu usunięcia dwutlenku węgla z atmosfery. Obecnie proponowane mechanizmy obejmują za pomocą pionowych rur i pomp wyciągnąć wodę z dna oceanu na górę.

Obietnica:

Proponuje się sztuczne upwelling i downwelling jako wzmocnienie naturalnego systemu. Ten planowany ruch wody może pomóc uniknąć skutków ubocznych zwiększonego wzrostu fitoplanktonu, takich jak strefy o niskiej zawartości tlenu i nadmiar składników odżywczych, poprzez zwiększenie mieszania oceanów. W cieplejszych regionach ta metoda może pomóc w obniżeniu temperatury powierzchni i powolne blaknięcie koralowców. 

Groźba:

W tej metodzie sztucznego mieszania przeprowadzono ograniczone eksperymenty i testy terenowe skupione na małych skalach i przez ograniczony czas. Wczesne badania wskazują, że ogólnie rzecz biorąc, sztuczne upwelling i downwelling mają niski potencjał CDR i zapewnić tymczasową sekwestrację dwutlenku węgla. To tymczasowe przechowywanie jest wynikiem cyklu upwellingu i downwellingu. Każdy dwutlenek węgla, który przemieszcza się na dno oceanu poprzez spływy, prawdopodobnie pojawi się w innym momencie. Ponadto metoda ta uwzględnia również potencjalne ryzyko rozwiązania umowy. Jeśli sztuczna pompa ulegnie awarii, zostanie przerwana lub zabraknie jej funduszy, zwiększona ilość składników odżywczych i dwutlenku węgla na powierzchni może zwiększyć stężenie metanu i podtlenku azotu, a także zakwaszenie oceanów. Proponowany obecnie mechanizm sztucznego mieszania oceanów wymaga systemu rur, pomp i zewnętrznego źródła energii. Instalacja tych rur prawdopodobnie będzie wymagać statki, wydajne źródło energii i konserwacji. 

---

Ocean CDR metodami mechanicznymi i chemicznymi

Mechaniczny i chemiczny oceaniczny CDR interweniuje w naturalne procesy, mając na celu wykorzystanie technologii do zmiany naturalnego systemu. Obecnie ekstrakcja węgla z wody morskiej dominuje w konwersacji mechanicznego i chemicznego oceanicznego CDR, ale inne metody, takie jak sztuczne upwelling i downwelling, omówione powyżej, również mogą należeć do tej kategorii.

Ekstrakcja węgla z wody morskiej, czyli elektrochemiczny CDR, ma na celu usunięcie dwutlenku węgla z wody oceanicznej i przechowywanie go w innym miejscu, działając na podobnych zasadach, jak bezpośrednie wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla w powietrzu. Proponowane metody obejmują wykorzystanie procesów elektrochemicznych do zbierania gazowej postaci dwutlenku węgla z wody morskiej i przechowywania tego gazu w postaci stałej lub ciekłej w formacji geologicznej lub osadach oceanicznych.

Obietnica:

Oczekuje się, że ta metoda usuwania dwutlenku węgla z wody oceanicznej umożliwi oceanowi pochłanianie większej ilości atmosferycznego dwutlenku węgla w wyniku naturalnych procesów. Badania nad elektrochemicznym CDR wykazały, że przy odnawialnym źródle energii metoda ta mógłby być energooszczędny. Oczekuje się ponadto, że usuwanie dwutlenku węgla z wody oceanicznej odwrócić lub wstrzymać zakwaszenie oceanów. 

Groźba:

Wczesne badania nad ekstrakcją węgla z wody morskiej polegały przede wszystkim na przetestowaniu tej koncepcji w eksperymentach laboratoryjnych. W rezultacie komercyjne zastosowanie tej metody pozostaje wysoce teoretyczne i potencjalnie energochłonne. Badania koncentrowały się również przede wszystkim na chemicznej zdolności usuwania dwutlenku węgla z wody morskiej niewiele badań dotyczących zagrożeń dla środowiska. Obecne obawy obejmują niepewność co do przesunięć równowagi lokalnych ekosystemów i wpływu, jaki ten proces może mieć na życie morskie.

---

Czy istnieje ścieżka naprzód dla oceanicznego CDR?

Wiele projektów CDR naturalnych oceanów, takich jak odbudowa i ochrona ekosystemów przybrzeżnych, jest wspieranych przez zbadane i znane pozytywne dodatkowe korzyści dla środowiska i społeczności lokalnych. Nadal potrzebne są dodatkowe badania, aby zrozumieć, ile i jak długo można przechowywać węgiel w ramach tych projektów, ale dodatkowe korzyści są oczywiste. Jednak poza naturalnym CDR oceanu, ulepszony naturalny, mechaniczny i chemiczny CDR oceanu ma możliwe do zidentyfikowania wady, które należy dokładnie rozważyć przed wdrożeniem jakiegokolwiek projektu na dużą skalę. 

Wszyscy jesteśmy zainteresowanymi stronami na planecie i projekty geoinżynierii klimatycznej oraz zmiany klimatu będą miały na nas wpływ. Decydenci, decydenci, inwestorzy, wyborcy i wszyscy interesariusze odgrywają kluczową rolę w określaniu, czy ryzyko związane z jedną metodą geoinżynierii klimatycznej przewyższa ryzyko związane z inną metodą, a nawet ryzyko zmiany klimatu. Metody oceaniczne CDR mogą pomóc w redukcji atmosferycznego dwutlenku węgla, ale należy je brać pod uwagę tylko jako dodatek do bezpośredniej redukcji emisji dwutlenku węgla.