Bị mắc kẹt trong Big Blue: Loại bỏ Carbon Dioxide Đại dương

Phá vỡ địa kỹ thuật khí hậu: Phần 2

Phần 1: Vô Tận Ẩn Số
Phần 3: Biến đổi bức xạ mặt trời
Phần 4: Xem xét Đạo đức, Công bằng và Công lý

Loại bỏ carbon dioxide (CDR) là một hình thức địa kỹ thuật khí hậu nhằm tìm cách loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển. CDR nhắm đến tác động của phát thải khí nhà kính bằng cách giảm và loại bỏ carbon dioxide trong khí quyển thông qua lưu trữ dài hạn và ngắn hạn. CDR có thể được coi là trên đất liền hoặc trên đại dương, tùy thuộc vào vật liệu và hệ thống được sử dụng để thu và lưu trữ khí. Việc nhấn mạnh vào CDR trên đất liền chiếm ưu thế trong các cuộc trò chuyện này nhưng mối quan tâm đến việc khai thác CDR đại dương đang tăng lên, với sự chú ý vào các dự án tự nhiên và cơ khí và hóa học được nâng cao.

---

Các hệ thống tự nhiên đã loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển

Đại dương là bể chứa carbon tự nhiên, chiếm 25% carbon dioxide trong khí quyển và 90% lượng nhiệt dư thừa của trái đất thông qua các quá trình tự nhiên như quang hợp và hấp thụ. Các hệ thống này đã giúp duy trì nhiệt độ toàn cầu, nhưng đang trở nên quá tải do sự gia tăng khí carbon dioxide trong khí quyển và các loại khí nhà kính khác từ khí thải nhiên liệu hóa thạch. Sự hấp thụ gia tăng này đã bắt đầu ảnh hưởng đến hóa học của đại dương, gây ra hiện tượng axit hóa đại dương, mất đa dạng sinh học và các mô hình hệ sinh thái mới. Xây dựng lại đa dạng sinh học và hệ sinh thái kết hợp với việc giảm nhiên liệu hóa thạch sẽ củng cố hành tinh chống lại biến đổi khí hậu.

Loại bỏ carbon dioxide, thông qua sự phát triển của thực vật và cây mới, có thể xảy ra cả trên đất liền và trong các hệ sinh thái đại dương. Trồng rừng là tạo rừng mới hoặc các hệ sinh thái đại dương, như rừng ngập mặn, ở những khu vực trước đây không có những loài thực vật như vậy, trong khi việc tái trồng rừng nhằm mục đích giới thiệu lại cây và các loại cây khác ở những địa điểm đã được chuyển đổi sang mục đích sử dụng khác, như đất nông nghiệp, khai thác mỏ hoặc phát triển hoặc sau khi bị mất do ô nhiễm.

Rác thải biển, nhựa và ô nhiễm nước đã góp phần trực tiếp vào hầu hết sự mất mát của cỏ biển và rừng ngập mặn. Các Đạo luật nước sạch ở Hoa Kỳ, và những nỗ lực khác đã có tác dụng giảm ô nhiễm như vậy và cho phép tái trồng rừng. Các thuật ngữ này thường được sử dụng để mô tả các khu rừng trên đất liền, nhưng cũng có thể bao gồm các hệ sinh thái trên đại dương như rừng ngập mặn, cỏ biển, đầm lầy ngập mặn hoặc rong biển.

Lời hứa:

Cây cối, rừng ngập mặn, cỏ biển và các loài thực vật tương tự là bồn carbon, sử dụng và cô lập carbon dioxide một cách tự nhiên thông qua quá trình quang hợp. CDR đại dương thường làm nổi bật 'carbon xanh' hoặc carbon dioxide được cô lập trong đại dương. Một trong những hệ sinh thái carbon xanh hiệu quả nhất là rừng ngập mặn, nơi cô lập carbon trong vỏ, hệ thống rễ và đất của chúng, lưu trữ lên tới 10 lần nhiều carbon hơn rừng trên đất liền. Rừng ngập mặn cung cấp nhiều đồng lợi ích môi trường cho cộng đồng địa phương và các hệ sinh thái ven biển, ngăn ngừa suy thoái và xói mòn lâu dài cũng như làm giảm tác động của bão và sóng đối với bờ biển. Rừng ngập mặn cũng tạo ra môi trường sống cho các loài động vật trên cạn, dưới nước và chim trong hệ thống rễ và cành của cây. Những dự án như vậy cũng có thể được sử dụng để đảo ngược trực tiếp tác động của nạn phá rừng hoặc bão, phục hồi bờ biển và đất đã mất cây cối và thực vật che phủ.

Các mối đe dọa:

Rủi ro đi kèm với các dự án này bắt nguồn từ việc lưu trữ tạm thời carbon dioxide được cô lập tự nhiên. Khi việc sử dụng đất ven biển thay đổi và hệ sinh thái đại dương bị xáo trộn vì sự phát triển, du lịch, công nghiệp hoặc do các cơn bão mạnh lên, carbon được lưu trữ trong đất sẽ được giải phóng vào nước biển và khí quyển. Các dự án này cũng có xu hướng mất đa dạng sinh học và đa dạng di truyền có lợi cho các loài phát triển nhanh chóng, làm tăng nguy cơ dịch bệnh và chết hàng loạt. dự án phục hồi có thể tốn nhiều năng lượng và yêu cầu nhiên liệu hóa thạch cho giao thông vận tải và máy móc để bảo trì. Khôi phục các hệ sinh thái ven biển thông qua các giải pháp dựa vào thiên nhiên này mà không có sự cân nhắc phù hợp cho cộng đồng địa phương có thể dẫn đến chiếm đất và các cộng đồng thiệt thòi có đóng góp ít nhất vào biến đổi khí hậu. Mối quan hệ cộng đồng bền chặt và sự tham gia của các bên liên quan với người bản địa và cộng đồng địa phương là chìa khóa để đảm bảo sự công bằng và hợp lý trong các nỗ lực CDR đại dương tự nhiên.

Trồng rong biển nhằm mục đích trồng tảo bẹ và tảo lớn để lọc carbon dioxide từ nước và lưu trữ nó trong sinh khối thông qua quang hợp. Loại rong biển giàu carbon này sau đó có thể được nuôi trồng và sử dụng trong các sản phẩm hoặc thực phẩm hoặc chìm xuống đáy đại dương và được cô lập.

Lời hứa:

Rong biển và các loài thực vật biển lớn tương tự đang phát triển nhanh chóng và có mặt ở các khu vực trên thế giới. So với các nỗ lực trồng rừng hoặc tái trồng rừng, môi trường sống ở đại dương của rong biển khiến nó không dễ bị cháy, xâm lấn hoặc các mối đe dọa khác đối với rừng trên cạn. cô lập rong biển lượng carbon dioxide cao và có nhiều cách sử dụng sau khi tăng trưởng. Thông qua việc loại bỏ carbon dioxide trong nước, rong biển có thể giúp các khu vực chống lại quá trình axit hóa đại dương và cung cấp môi trường sống giàu oxy cho các hệ sinh thái đại dương. Ngoài những lợi ích về môi trường này, rong biển còn có những lợi ích thích ứng với khí hậu có thể bảo vệ bờ biển chống xói mòn bằng cách làm giảm năng lượng sóng. 

Các mối đe dọa:

Thu hồi carbon từ rong biển khác với các quy trình CDR kinh tế xanh khác, với việc nhà máy lưu trữ CO₂ trong sinh khối của nó, thay vì chuyển nó vào trầm tích. Kết quả là, khí CO₂ khả năng loại bỏ và lưu trữ rong biển bị hạn chế bởi nhà máy. Việc thuần hóa rong biển hoang dã thông qua canh tác rong biển có thể giảm sự đa dạng di truyền của thực vật, làm tăng khả năng mắc bệnh và chết hàng loạt. Ngoài ra, các phương pháp canh tác rong biển được đề xuất hiện nay bao gồm trồng cây trong nước trên vật liệu nhân tạo, như dây thừng và ở vùng nước nông. Điều này có thể ngăn ánh sáng và chất dinh dưỡng từ môi trường sống trong nước bên dưới rong biển và gây hại cho các hệ sinh thái đó bao gồm cả những vướng mắc. Bản thân rong biển cũng dễ bị suy thoái do các vấn đề về chất lượng nước và sự ăn thịt. Các dự án lớn nhằm đánh chìm rong biển vào đại dương hiện đang mong đợi chìm dây hoặc vật liệu nhân tạo đồng thời, có khả năng gây ô nhiễm nước khi rong biển chìm xuống. Loại dự án này cũng được dự đoán sẽ gặp phải những hạn chế về chi phí, hạn chế khả năng mở rộng. Cần nghiên cứu thêm để xác định cách tốt nhất để trồng rong biển và đạt được những hứa hẹn có lợi trong khi giảm thiểu các mối đe dọa có thể lường trước và những hậu quả không lường trước được.

Nhìn chung, sự phục hồi của các hệ sinh thái đại dương và ven biển thông qua rừng ngập mặn, cỏ biển, hệ sinh thái đầm lầy ngập mặn và trồng rong biển nhằm mục đích tăng cường và khôi phục khả năng xử lý và lưu trữ carbon dioxide trong khí quyển của các hệ thống tự nhiên của Trái đất. Mất đa dạng sinh học do biến đổi khí hậu được kết hợp với mất đa dạng sinh học do các hoạt động của con người, như nạn phá rừng, làm giảm khả năng phục hồi của Trái đất đối với biến đổi khí hậu. 

Năm 2018, Nền tảng chính sách khoa học liên chính phủ về đa dạng sinh học và dịch vụ hệ sinh thái (IPBES) đã báo cáo rằng hai phần ba hệ sinh thái đại dương bị hư hỏng, xuống cấp hoặc thay đổi. Con số này sẽ tăng lên cùng với mực nước biển dâng, axit hóa đại dương, khai thác khoáng sản dưới đáy biển sâu và tác động của biến đổi khí hậu do con người gây ra. Các phương pháp loại bỏ carbon dioxide tự nhiên sẽ được hưởng lợi từ việc tăng đa dạng sinh học và phục hồi hệ sinh thái. Trồng rong biển là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển sẽ được hưởng lợi từ nghiên cứu có mục tiêu. Phục hồi và bảo vệ chu đáo các hệ sinh thái đại dương có khả năng ngay lập tức giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua giảm phát thải kết hợp với đồng lợi ích.

---

Tăng cường các quá trình tự nhiên của đại dương để giảm thiểu biến đổi khí hậu

Ngoài các quá trình tự nhiên, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các phương pháp tăng cường loại bỏ carbon dioxide tự nhiên, khuyến khích sự hấp thụ carbon dioxide của đại dương. Ba dự án địa kỹ thuật khí hậu đại dương nằm trong danh mục tăng cường các quá trình tự nhiên này: tăng cường độ kiềm của đại dương, bón phân dinh dưỡng và nước trồi và nước trồi nhân tạo. 

Tăng cường độ kiềm cho đại dương (OAE) là một phương pháp CDR nhằm mục đích loại bỏ carbon dioxide trong đại dương bằng cách đẩy nhanh các phản ứng phong hóa tự nhiên của khoáng chất. Những phản ứng phong hóa này sử dụng carbon dioxide và tạo ra vật liệu rắn. Các kỹ thuật OAE hiện tại thu giữ carbon dioxide bằng đá kiềm, tức là vôi hoặc olivin, hoặc thông qua quá trình điện hóa.

Lời hứa:

Dựa trên quá trình phong hóa đá tự nhiên, OAE là có thể mở rộng và cung cấp một phương pháp vĩnh viễn loại bỏ carbon dioxide. Phản ứng giữa khí và khoáng sản tạo ra các khoản tiền gửi được dự đoán là tăng khả năng đệm của đại dương, đến lượt nó làm giảm quá trình axit hóa đại dương. Sự gia tăng các mỏ khoáng sản trong đại dương cũng có thể làm tăng năng suất đại dương.

Các mối đe dọa:

Sự thành công của phản ứng phong hóa phụ thuộc vào sự sẵn có và phân phối của các khoáng chất. Sự phân bố không đồng đều của khoáng sản và nhạy cảm khu vực đến việc giảm lượng carbon dioxide có thể tác động tiêu cực đến môi trường đại dương. Ngoài ra, số lượng khoáng chất cần thiết cho OAE rất có thể là có nguồn gốc từ các mỏ trên cạnvà sẽ yêu cầu vận chuyển đến các vùng ven biển để sử dụng. Tăng độ kiềm của đại dương sẽ làm thay đổi độ pH của đại dương, đồng thời ảnh hưởng đến các quá trình sinh học. Sự tăng cường độ kiềm của đại dương đã không thấy nhiều thí nghiệm thực địa hoặc nhiều nghiên cứu như phong hóa trên đất liền, và các tác động của phương pháp này được biết đến nhiều hơn đối với phong hóa trên đất liền. 

Bón phân dinh dưỡng đề xuất bổ sung sắt và các chất dinh dưỡng khác vào đại dương để khuyến khích sự phát triển của thực vật phù du. Tận dụng một quá trình tự nhiên, thực vật phù du dễ dàng hấp thụ carbon dioxide trong khí quyển và chìm xuống đáy đại dương. Năm 2008, các quốc gia tại Công ước Liên hợp quốc về đa dạng sinh học đồng ý với một lệnh cấm phòng ngừa về thực tiễn để cho phép cộng đồng khoa học hiểu rõ hơn về ưu và nhược điểm của các dự án đó.

Lời hứa:

Ngoài việc loại bỏ carbon dioxide trong khí quyển, bón phân dinh dưỡng có thể tạm thời giảm axit hóa đại dương và tăng trữ lượng cá. Thực vật phù du là nguồn thức ăn cho nhiều loài cá, và nguồn thức ăn ngày càng sẵn có có thể làm tăng lượng cá ở những khu vực thực hiện dự án. 

Các mối đe dọa:

Các nghiên cứu về bón phân dinh dưỡng và nhận ra nhiều điều chưa biết về tác dụng lâu dài, đồng lợi ích và tính lâu dài của phương pháp CDR này. Các dự án bón phân dinh dưỡng có thể yêu cầu một lượng lớn vật liệu ở dạng sắt, phốt pho và nitơ. Tìm nguồn cung ứng các vật liệu này có thể yêu cầu khai thác, sản xuất và vận chuyển bổ sung. Điều này có thể phủ nhận tác động của CDR tích cực và gây hại cho các hệ sinh thái khác trên hành tinh do khai thác mỏ. Ngoài ra, sự phát triển của thực vật phù du có thể dẫn đến tảo nở hoa có hại, giảm lượng oxy trong đại dương và tăng sản xuất khí mê-tan, một loại khí nhà kính giữ lại lượng nhiệt gấp 10 lần so với carbon dioxide.

Sự pha trộn tự nhiên của đại dương thông qua nước trồi và nước trồi mang nước từ bề mặt đến trầm tích, phân phối nhiệt độ và chất dinh dưỡng cho các vùng khác nhau của đại dương. Upwelling nhân tạo và Downwelling nhằm mục đích sử dụng một cơ chế vật lý để tăng tốc và khuyến khích sự pha trộn này, tăng cường sự pha trộn của nước biển để đưa nước bề mặt giàu carbon dioxide vào đại dương sâu, và nước lạnh, giàu chất dinh dưỡng lên bề mặt. Điều này được dự đoán sẽ khuyến khích sự phát triển của thực vật phù du và quá trình quang hợp để loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển. Các cơ chế đề xuất hiện tại bao gồm sử dụng ống đứng và máy bơm hút nước từ đáy đại dương lên trên.

Lời hứa:

Nước trồi và nước trồi nhân tạo được đề xuất như là sự tăng cường của một hệ thống tự nhiên. Sự di chuyển theo kế hoạch của nước này có thể giúp tránh các tác dụng phụ của việc gia tăng sự phát triển của thực vật phù du như vùng oxy thấp và chất dinh dưỡng dư thừa bằng cách tăng sự hòa trộn của đại dương. Ở những vùng ấm hơn, phương pháp này có thể giúp làm mát nhiệt độ bề mặt và tẩy trắng san hô chậm. 

Các mối đe dọa:

Phương pháp pha trộn nhân tạo này đã chứng kiến ​​các thử nghiệm hạn chế và thử nghiệm tại hiện trường tập trung vào quy mô nhỏ và trong khoảng thời gian giới hạn. Nghiên cứu ban đầu chỉ ra rằng nhìn chung, nước trồi và nước trồi nhân tạo có tiềm năng CDR thấp và cung cấp sự cô lập tạm thời của khí cacbonic. Lưu trữ tạm thời này là kết quả của chu kỳ nước lên và nước xuống. Bất kỳ khí carbon dioxide nào di chuyển xuống đáy đại dương thông qua quá trình trồi lên đều có khả năng nổi lên vào một thời điểm khác. Ngoài ra, phương pháp này cũng tiềm ẩn nguy cơ chấm dứt hợp đồng. Nếu máy bơm nhân tạo bị hỏng, ngừng hoạt động hoặc thiếu kinh phí, lượng chất dinh dưỡng và carbon dioxide tăng lên trên bề mặt có thể làm tăng nồng độ khí mê-tan và oxit nitơ cũng như quá trình axit hóa đại dương. Cơ chế đề xuất hiện tại để trộn đại dương nhân tạo đòi hỏi một hệ thống đường ống, máy bơm và nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài. Việc lắp đặt các đường ống này có thể yêu cầu tàu, một nguồn năng lượng hiệu quả và bảo trì. 

---

CDR đại dương thông qua các phương pháp cơ học và hóa học

CDR đại dương cơ học và hóa học can thiệp vào các quá trình tự nhiên, nhằm mục đích sử dụng công nghệ để thay đổi hệ thống tự nhiên. Hiện tại, khai thác carbon trong nước biển chiếm ưu thế trong cuộc trò chuyện CDR đại dương cơ học và hóa học, nhưng các phương pháp khác như nước trồi và nước trồi nhân tạo, đã thảo luận ở trên, cũng có thể thuộc loại này.

Khai thác carbon trong nước biển, hay CDR điện hóa, nhằm mục đích loại bỏ carbon dioxide trong nước biển và lưu trữ nó ở nơi khác, hoạt động trên các nguyên tắc tương tự như thu và lưu trữ carbon dioxide trực tiếp trong không khí. Các phương pháp được đề xuất bao gồm sử dụng các quy trình điện hóa để thu thập carbon dioxide ở dạng khí từ nước biển và lưu trữ khí đó ở dạng rắn hoặc lỏng trong sự hình thành địa chất hoặc trong trầm tích đại dương.

Lời hứa:

Phương pháp loại bỏ carbon dioxide khỏi nước biển này dự kiến ​​sẽ cho phép đại dương hấp thụ nhiều carbon dioxide trong khí quyển hơn thông qua các quá trình tự nhiên. Các nghiên cứu về CDR điện hóa đã chỉ ra rằng với nguồn năng lượng tái tạo, phương pháp này có thể tiết kiệm năng lượng. Loại bỏ carbon dioxide từ nước biển được dự kiến ​​​​sẽ tiếp tục đảo ngược hoặc tạm dừng quá trình axit hóa đại dương. 

Các mối đe dọa:

Các nghiên cứu ban đầu về khai thác carbon trong nước biển chủ yếu thử nghiệm khái niệm này trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Do đó, ứng dụng thương mại của phương pháp này vẫn mang tính lý thuyết cao và có khả năng nhiều năng lượng. Nghiên cứu cũng chủ yếu tập trung vào khả năng hóa học của carbon dioxide được loại bỏ khỏi nước biển, với ít nghiên cứu về rủi ro môi trường. Những lo ngại hiện tại bao gồm sự không chắc chắn về sự thay đổi trạng thái cân bằng của hệ sinh thái địa phương và tác động của quá trình này đối với sinh vật biển.

---

Có một con đường phía trước cho CDR đại dương?

Nhiều dự án CDR đại dương tự nhiên, như khôi phục và bảo vệ các hệ sinh thái ven biển, được hỗ trợ bởi những đồng lợi ích tích cực đã được nghiên cứu và biết đến đối với môi trường và cộng đồng địa phương. Nghiên cứu bổ sung để hiểu số lượng và khoảng thời gian carbon có thể được lưu trữ thông qua các dự án này vẫn cần thiết, nhưng đồng lợi ích là rõ ràng. Tuy nhiên, ngoài CDR đại dương tự nhiên, CDR đại dương tự nhiên, cơ học và hóa học tăng cường có những nhược điểm có thể xác định được cần được xem xét cẩn thận trước khi thực hiện bất kỳ dự án nào trên quy mô lớn. 

Tất cả chúng ta đều là các bên liên quan trên hành tinh và sẽ bị ảnh hưởng bởi các dự án địa kỹ thuật khí hậu cũng như biến đổi khí hậu. Những người ra quyết định, hoạch định chính sách, nhà đầu tư, cử tri và tất cả các bên liên quan đều đóng vai trò then chốt trong việc xác định xem rủi ro của một phương pháp địa kỹ thuật khí hậu có lớn hơn rủi ro của một phương pháp khác hay thậm chí là rủi ro của biến đổi khí hậu hay không. Các phương pháp CDR đại dương có thể giúp giảm lượng khí carbon dioxide trong khí quyển, nhưng chỉ nên được xem xét bên cạnh việc giảm trực tiếp lượng khí thải carbon dioxide.