Секвестрація вуглецю: Глобальний посібник з методів та технологій

Зміна клімату, спричинена зростанням концентрації парникових газів в атмосфері, є одним із найгостріших викликів, що стоять перед людством. Діоксид вуглецю (CO2) є головним винуватцем, і пом'якшення його впливу вимагає комплексного підходу. Хоча скорочення викидів має вирішальне значення, секвестрація вуглецю, процес уловлювання та зберігання атмосферного CO2, все частіше визнається важливою стратегією для досягнення нульових викидів і обмеження глобального потепління.

Цей вичерпний посібник досліджує різноманітні методи та технології секвестрації вуглецю, аналізуючи їхній потенціал, обмеження та глобальні наслідки. Ми розглянемо як природні, так і технологічні підходи, пропонуючи збалансований погляд на цю критично важливу сферу кліматичних дій.

Що таке секвестрація вуглецю?

По суті, секвестрація вуглецю передбачає вловлювання CO2 з атмосфери або точкового джерела (наприклад, електростанції) та його надійне зберігання протягом тривалого часу, що запобігає його внеску в парниковий ефект. Цього можна досягти за допомогою різноманітних механізмів, які умовно поділяються на:

• Природна секвестрація вуглецю: Використання природних процесів, як-от фотосинтез у рослин та водоростей, для поглинання CO2 та його зберігання в біомасі та ґрунті.
• Технологічна секвестрація вуглецю: Застосування інженерних систем для вловлювання CO2 та його зберігання в геологічних формаціях або використання в промислових процесах.

Природні методи секвестрації вуглецю

Природні методи секвестрації вуглецю використовують силу екосистем для видалення CO2 з атмосфери. Ці підходи пропонують численні додаткові переваги, включаючи збереження біорізноманіття, покращення здоров'я ґрунтів та підвищення якості води.

Заліснення та відновлення лісів

Заліснення (афорестація) — це висаджування дерев на територіях, де раніше не було лісу, тоді як відновлення лісів (рефорестація) — це повторне висаджування дерев на вирубаних ділянках. Ліси діють як значні поглиначі вуглецю, поглинаючи CO2 під час фотосинтезу та зберігаючи його у своїй біомасі (стовбурах, гілках, листі та корінні) та в ґрунті.

Переваги:

• Ефективно та відносно недорого.
• Забезпечує середовище існування для диких тварин та підтримує біорізноманіття.
• Покращує здоров'я ґрунту та зменшує ерозію.
• Може забезпечувати деревину та іншу лісову продукцію.

Виклики:

• Вимагає великих земельних площ, що потенційно конкурує з сільським господарством або іншими видами землекористування.
• Ліси можуть бути вразливими до пожеж, шкідників та хвороб, що призводить до вивільнення накопиченого вуглецю назад в атмосферу.
• Вимагає ретельного планування та управління для забезпечення довгострокового зберігання вуглецю.

Глобальні приклади:

• Велика зелена стіна (Африка): Амбітний проєкт по боротьбі з опустелюванням та зміною клімату шляхом висадки стіни дерев через регіон Сахель.
• Пакт про відновлення Атлантичного лісу (Бразилія): Спільна ініціатива з відновлення деградованих територій Атлантичного лісу, що є осередком біорізноманіття.
• Китайська програма «Три північні захисні смуги»: Масштабний проєкт заліснення на півночі Китаю, спрямований на боротьбу з опустелюванням та ерозією ґрунтів.

Секвестрація вуглецю в ґрунті

Ґрунт є основним резервуаром вуглецю, зберігаючи більше вуглецю, ніж атмосфера та вся рослинність разом узяті. Покращення практик управління ґрунтами може посилити секвестрацію вуглецю в ґрунті, що принесе користь як клімату, так і сільськогосподарській продуктивності.

Практики, що посилюють секвестрацію вуглецю в ґрунті:

• Нульовий обробіток ґрунту (No-till): Зменшує порушення ґрунту, запобігаючи втраті вуглецю та покращуючи структуру ґрунту.
• Вирощування покривних культур: Посадка покривних культур між основними культурами для захисту ґрунту, збільшення органічної речовини та секвестрації вуглецю.
• Сівозміна: Чергування різних культур для поліпшення здоров'я ґрунту та кругообігу поживних речовин.
• Компостування та внесення гною: Додавання органічної речовини в ґрунт для збільшення вмісту вуглецю та покращення родючості ґрунту.
• Агролісівництво: Інтеграція дерев та чагарників у сільськогосподарські системи для забезпечення тіні, поліпшення здоров'я ґрунту та секвестрації вуглецю.
• Керований випас: Оптимізація практик випасу для запобігання надмірному випасу та сприяння здоровому росту рослин, що призводить до збільшення вуглецю в ґрунті.

Переваги:

• Покращує здоров'я ґрунту, збільшуючи утримання води, доступність поживних речовин та стійкість до ерозії.
• Підвищує продуктивність сільського господарства та врожайність.
• Зменшує потребу в синтетичних добривах та пестицидах.

Виклики:

• Рівні секвестрації вуглецю в ґрунті можуть змінюватися залежно від типу ґрунту, клімату та практик управління.
• Зміни у землекористуванні чи управлінні можуть звести нанівець досягнення у секвестрації вуглецю.
• Вимагає довгострокових зобов'язань та моніторингу для забезпечення стабільного зберігання вуглецю.

Глобальні приклади:

• Практики консерваційного землеробства в регіоні Пампаси (Аргентина, Уругвай, Бразилія): Впровадження нульового обробітку ґрунту та покривних культур для покращення здоров'я ґрунтів та секвестрації вуглецю.
• Ініціатива «4 на 1000»: Міжнародні зусилля щодо збільшення запасів вуглецю в ґрунті на 0,4% на рік для пом'якшення змін клімату та покращення продовольчої безпеки.
• Стале управління випасом на монгольських пасовищах: Впровадження ротаційного випасу та інших практик для запобігання надмірному випасу та сприяння здоровим екосистемам пасовищ.

Прибережні та морські екосистеми (блакитний вуглець)

Прибережні екосистеми, такі як мангрові зарості, солончаки та луки морських трав, є високоефективними поглиначами вуглецю, що зберігають значні обсяги вуглецю у своїй біомасі та відкладеннях. Цей вуглець, який часто називають «блакитним вуглецем», може зберігатися століттями або навіть тисячоліттями.

Переваги:

• Високі показники секвестрації вуглецю порівняно з наземними екосистемами.
• Забезпечує середовище існування для різноманітних морських видів та підтримує рибальство.
• Захищає узбережжя від ерозії та штормових нагонів.
• Покращує якість води, фільтруючи забруднювачі.

Виклики:

• Прибережні екосистеми знаходяться під загрозою через руйнування середовищ існування, забруднення та наслідки зміни клімату, такі як підвищення рівня моря та закислення океану.
• Відновлення деградованих прибережних екосистем може бути складним і дорогим.
• Кількісна оцінка запасів блакитного вуглецю та темпів секвестрації може бути складною.

Глобальні приклади:

• Проєкти з відновлення мангрових заростей у Південно-Східній Азії: Висадка мангрових дерев для відновлення деградованих узбереж та посилення секвестрації вуглецю.
• Відновлення луків морської трави в Середземному морі: Пересадка морської трави для відновлення деградованих луків та покращення якості води.
• Відновлення солончаків у Сполучених Штатах: Відновлення солончаків для захисту узбереж та секвестрації вуглецю.

Технологічні методи секвестрації вуглецю

Технологічні методи секвестрації вуглецю включають інженерні системи для вловлювання CO2 та його зберігання або використання в промислових процесах. Ці підходи, як правило, є більш енергоємними та дорогими, ніж природна секвестрація вуглецю, але вони мають потенціал для вловлювання великих обсягів CO2 безпосередньо з атмосфери або з точкових джерел.

Вловлювання та зберігання вуглецю (CCS)

Вловлювання та зберігання вуглецю (CCS) передбачає вловлювання викидів CO2 з промислових джерел, таких як електростанції, цементні заводи та сталеливарні комбінати, транспортування CO2 до місця зберігання та його закачування в глибокі геологічні формації для довгострокового зберігання. Мета полягає в тому, щоб запобігти потраплянню CO2 в атмосферу та його внеску в зміну клімату. Це можна далі розділити на методи вловлювання перед спалюванням, після спалювання та киснево-паливного спалювання, кожен з яких має різні переваги та недоліки залежно від джерела.

Переваги:

• Може вловлювати великі обсяги CO2 з точкових джерел.
• Геологічні сховища можуть забезпечити довгострокове утримання CO2.
• Може застосовуватися на існуючих промислових об'єктах.

Виклики:

• Енергоємно та дорого.
• Вимагає наявності відповідних геологічних сховищ.
• Потенційний ризик витоку CO2 зі сховищ.
• Занепокоєння громадськості щодо безпеки та впливу на навколишнє середовище.

Глобальні приклади:

• Проєкт Sleipner (Норвегія): Закачування CO2 у сольовий водоносний горизонт під Північним морем з 1996 року.
• Проєкт Boundary Dam (Канада): Вловлювання CO2 з вугільної електростанції та його використання для підвищення нафтовіддачі.
• Проєкт Chevron Gorgon (Австралія): Закачування CO2 у геологічну формацію під островом Барроу.

Біоенергетика з уловлюванням та зберіганням вуглецю (BECCS)

Біоенергетика з уловлюванням та зберіганням вуглецю (BECCS) поєднує виробництво біоенергії з уловлюванням та зберіганням вуглецю. Біомаса (наприклад, деревина, сільськогосподарські культури, водорості) використовується для виробництва енергії, а CO2, що виділяється під час спалювання або переробки, вловлюється та зберігається. BECCS вважається технологією «негативних викидів», оскільки вона видаляє CO2 з атмосфери.

Переваги:

• Видаляє CO2 з атмосфери.
• Забезпечує відновлювану енергію.
• Може бути інтегрована з існуючими біоенергетичними установками.

Виклики:

• Вимагає сталого виробництва біомаси, щоб уникнути вирубки лісів та змін у землекористуванні.
• Енергоємно та дорого.
• Конкуренція за землю з виробництвом продовольства.
• Занепокоєння щодо екологічних наслідків виробництва біомаси.

Глобальні приклади:

• Електростанція Drax (Великобританія): Переобладнання вугільної електростанції на біомасу та впровадження уловлювання та зберігання вуглецю.
• Іллінойський промисловий проєкт з уловлювання та зберігання вуглецю (США): Вловлювання CO2 з етанолового заводу та його зберігання у сольовому водоносному горизонті.

Пряме вловлювання з повітря (DAC)

Пряме вловлювання з повітря (DAC) передбачає вловлювання CO2 безпосередньо з навколишнього повітря за допомогою спеціалізованих фільтрів або хімічних процесів. Вловлений CO2 потім можна зберігати в геологічних формаціях або використовувати в промислових процесах.

Переваги:

• Може бути розгорнуто в будь-якій точці світу.
• Видаляє CO2 з атмосфери, вирішуючи проблему історичних викидів.
• Не вимагає близькості до точкових джерел викидів CO2.

Виклики:

• Дуже енергоємно та дорого.
• Вимагає значної інфраструктури та ресурсів.
• Необхідно розробити рішення для довгострокового зберігання.

Глобальні приклади:

• Завод Orca компанії Climeworks (Ісландія): Вловлювання CO2 з повітря та його зберігання під землею у вигляді гірської породи.
• Пілотна установка Carbon Engineering (Канада): Вловлювання CO2 з повітря та його використання для виробництва синтетичного палива.
• Численні проєкти DAC знаходяться на стадії розробки в Європі та Північній Америці.

Використання вуглецю

Замість того, щоб зосереджуватися виключно на зберіганні, вловлений CO2 можна також використовувати в різних промислових процесах, ефективно перетворюючи відходи на ресурс. Цей підхід, відомий як використання вуглецю або вловлювання та використання вуглецю (CCU), може сприяти розвитку циркулярної економіки та зменшити попит на викопне паливо.

Приклади використання вуглецю:

• Підвищення нафтовіддачі пластів (EOR): Закачування CO2 у нафтові резервуари для збільшення видобутку нафти. Хоча цей метод є суперечливим через його зв'язок з викопним паливом, EOR також може сприяти зберіганню CO2.
• Виробництво будівельних матеріалів: Використання CO2 для виробництва цементу, бетону та інших будівельних матеріалів.
• Виробництво хімічних речовин та палива: Перетворення CO2 на цінні хімічні речовини, такі як метанол, етанол та синтетичне паливо.
• Виробництво пластмас: Використання CO2 для виробництва полімерів та пластмас.
• Вирощування водоростей: Використання CO2 для вирощування водоростей, які можна використовувати для виробництва біопалива, кормів для тварин та інших продуктів.

Переваги:

• Зменшує залежність від викопного палива.
• Створює нові економічні можливості.
• Зменшує викиди CO2 від промислових процесів.

Виклики:

• Кількість використаного CO2 часто обмежена порівняно з масштабами викидів.
• Вимагає значного технологічного розвитку та інвестицій.
• Необхідно ретельно оцінювати викиди протягом життєвого циклу продуктів, виготовлених з CO2.

Удобрення океану

Удобрення океану передбачає внесення в океан поживних речовин, таких як залізо, для стимулювання росту фітопланктону. Фітопланктон поглинає CO2 під час фотосинтезу, і коли він гине, частина вуглецю опускається в глибокі шари океану, де може зберігатися протягом тривалого часу.

Переваги:

• Потенційно масштабна секвестрація вуглецю.

Виклики:

• Невизначені екологічні наслідки для морських екосистем.
• Занепокоєння щодо ефективності та довговічності зберігання вуглецю.
• Етичні та правові питання, пов'язані з маніпуляціями океаном.
• Складність моніторингу та верифікації секвестрації вуглецю.

Глобальні приклади:

• Кілька невеликих експериментів з удобрення океану було проведено в різних частинах світу.

Важливість секвестрації вуглецю для пом'якшення наслідків зміни клімату

Секвестрація вуглецю є ключовим компонентом комплексної стратегії пом'якшення наслідків зміни клімату. Хоча скорочення викидів парникових газів є основною метою, секвестрація вуглецю необхідна для усунення історичних викидів та досягнення нульових викидів до середини століття, як це передбачено Паризькою угодою.

Міжурядова група експертів зі зміни клімату (МГЕЗК) підкреслила важливість технологій видалення діоксиду вуглецю (CDR), включаючи секвестрацію вуглецю, для досягнення кліматичних цілей. Сценарії МГЕЗК щодо обмеження глобального потепління до 1,5°C або 2°C значною мірою покладаються на CDR для компенсації залишкових викидів та потенційного обернення підвищення температури.

Політичні та економічні аспекти

Ефективна секвестрація вуглецю вимагає підтримувальної політики та економічних стимулів. Уряди по всьому світу впроваджують різні політики для сприяння секвестрації вуглецю, зокрема:

• Механізми ціноутворення на вуглець: Вуглецеві податки та системи торгівлі квотами можуть стимулювати скорочення викидів та секвестрацію вуглецю.
• Субсидії та податкові кредити: Уряди можуть надавати фінансову підтримку проєктам із секвестрації вуглецю, таким як заліснення, CCS та DAC.
• Норми та стандарти: Регуляторні акти можуть вимагати використання технологій секвестрації вуглецю в певних галузях або сприяти практикам сталого управління земельними ресурсами.
• Міжнародне співробітництво: Міжнародні угоди та співпраця можуть сприяти розробці та впровадженню технологій секвестрації вуглецю.

Економічна доцільність проєктів із секвестрації вуглецю залежить від кількох факторів, включаючи вартість технологій, ціни на вуглець та державні стимули. Очікується, що в міру розвитку та поширення технологій секвестрації вуглецю їх вартість буде знижуватися, що зробить їх більш економічно конкурентоспроможними.

Висновок

Секвестрація вуглецю є критично важливою стратегією для пом'якшення наслідків зміни клімату та досягнення глобальних кліматичних цілей. Як природні, так і технологічні методи секвестрації вуглецю пропонують значний потенціал для видалення CO2 з атмосфери та його надійного зберігання. Однак кожен метод має свої переваги, виклики та обмеження. Для максимізації їх ефективності та забезпечення сталого майбутнього необхідний комплексний підхід, що поєднує кілька стратегій секвестрації вуглецю. Подальші дослідження, розробка та впровадження технологій секвестрації вуглецю, а також підтримуюча політика та економічні стимули, є важливими для розкриття їх повного потенціалу та сприяння досягненню світу з нульовими викидами.

Оскільки ми продовжуємо боротися з кліматичною кризою, секвестрація вуглецю, безсумнівно, відіграватиме все більш важливу роль у наших зусиллях із захисту планети та побудови більш сталого майбутнього для всіх.