Vragen en Antwoorden: Wat de natuurwetten ons leren over CO₂-verwijdering

Belangrijke benaderingen voor atmosferische koolstofdioxideverwijdering (CDR) zijn onder andere directe luchtafvang (DAC), verbeterde gesteenteverwering (ERW), ecosysteemgebaseerde CDR, bio-energie met koolstofafvang en -opslag (BECCS), en verbetering van de alkaliteit van de oceaan (OAE). Menselijke activiteiten blijven jaarlijks miljarden tonnen kooldioxide in de atmosfeer pompen, wat leidt tot stijgende wereldtemperaturen en extreme weersomstandigheden. Terwijl landen worstelen met de gevolgen van klimaatverandering en manieren zoeken om de koolstofemissies aanzienlijk te verminderen, zijn er verschillende inspanningen gedaan om CDR-technologieën te bevorderen die rechtstreeks kooldioxide uit de lucht verwijderen en het lange tijd opslaan.

In tegenstelling tot technologieën voor koolstofafvang en -opslag, die zijn ontworpen om kooldioxide bij puntbronnen zoals fossiele brandstofcentrales te verwijderen, heeft CDR als doel kooldioxidemoleculen te verwijderen die al in de atmosfeer circuleren. Een nieuw rapport van de American Physical Society, geleid door een MIT-fysicus, biedt een overzicht van de belangrijkste experimentele CDR-benaderingen en bepaalt hun fundamentele fysieke limieten. Het rapport richt zich op methoden met het grootste potentieel voor het verwijderen van kooldioxide, op schaal van gigaton per jaar, wat de omvang is die nodig zou zijn om een stabiliserend effect op het klimaat te hebben.

Het rapport, dat is opgesteld door het Panel on Public Affairs van de American Physical Society, werd vorige week gepubliceerd in het tijdschrift PRX Energy. Het rapport werd voorgezeten door de MIT-professor van de fysica Washington Taylor, die met MIT News sprak over de fysieke beperkingen van CDR en waarom het de moeite waard is om dit naast wereldwijde inspanningen om koolstofemissies te verminderen te onderzoeken.

Fysieke wetenschap en koolstofdioxideverwijdering

Wat motiveerde u om koolstofdioxideverwijderingssystemen vanuit een fysischwetenschappelijk perspectief te bekijken? De belangrijkste oorzaak van klimaatverandering is dat we koolstof uit de aarde halen die daar 100 miljoen jaar is opgeslagen en deze in de atmosfeer brengen, wat de opwarming veroorzaakt. In de afgelopen jaren is er veel interesse van zowel de overheid als particuliere entiteiten in het vinden van technologieën om CO2 rechtstreeks uit de lucht te verwijderen.

Hoe we atmosferische koolstof beheren, is de cruciale vraag om onze impact op het klimaat van de aarde aan te pakken. Het is van groot belang om te begrijpen of we de koolstofniveaus kunnen beïnvloeden, niet alleen door ons emissieprofiel te veranderen, maar ook door koolstof rechtstreeks uit de atmosfeer te verwijderen. Fysica speelt hierbij een grote rol, omdat de mogelijkheden sterk worden beperkt door thermodynamica en massavraagstukken.

Evaluatie van koolstofdioxideverwijderingsmethoden

Alle onderzochte methoden bevinden zich in een vroeg stadium. Het is een soort het Wilde Westen als het gaat om de verschillende manieren waarop bedrijven voorstellen om koolstof uit de atmosfeer te verwijderen. In dit rapport verdelen we CDR-processen in twee klassen: cyclisch en eenmalig. Stel je voor dat we in een boot zitten die een gat in de romp heeft en snel water binnenkrijgt. We willen het gat zo snel mogelijk dichten, maar zelfs als we dat doen, moeten we het water eruit krijgen om te voorkomen dat we zinken.

De eerste aanpak is een spons die we kunnen gebruiken om water te absorberen, die we vervolgens kunnen uitknijpen en hergebruiken. Dit is een cyclisch proces waarbij we materiaal gebruiken dat we steeds opnieuw gebruiken. Er zijn cyclische CDR-processen zoals chemische “directe luchtafvang” (DAC), die in wezen als een spons werkt. Je stelt een groot systeem op met ventilatoren die lucht langs een materiaal blazen dat kooldioxide opvangt. Wanneer het materiaal verzadigd is, sluit je het systeem af en gebruik je energie om het kooldioxide eruit te persen en op te slaan in een diep reservoir. Daarna kun je het materiaal opnieuw gebruiken in een cyclisch proces.

De tweede klasse van benaderingen is wat we “eenmalig” noemen. In de bootanalogie zou dit zijn alsof je probeert het lek te dichten met pakken papieren handdoeken. Je laat ze verzadigen en gooit ze dan overboord, waarbij je elke rol slechts eenmaal gebruikt.

Er zijn eenmalige CDR-benaderingen, zoals verbeterde gesteenteverwering, die zijn ontworpen om een natuurlijk proces te versnellen, waarbij bepaalde stenen, wanneer ze worden blootgesteld aan lucht, koolstof uit de atmosfeer absorberen. Wereldwijd wordt geschat dat deze natuurlijke gesteenteverwering ongeveer 1 gigaton koolstof per jaar verwijdert. “Verbeterde gesteenteverwering” is een CDR-benadering waarbij je veel van deze steen opgraaft, zeer fijn maalt tot minder dan de breedte van een mensenhaar, om het proces veel sneller te laten verlopen. Het idee is om iets op te graven, het uit te spreiden en in één keer CO2 te absorberen.

Conclusies van het rapport

Onze aanvankelijke vooringenomenheid was dat CDR gewoon zoveel energie zal kosten, en dat is niet te omzeilen vanwege de tweede wet van de thermodynamica, ongeacht de methode. Maar zoals we hebben besproken, zijn er nuances tussen cyclische en eenmalige systemen. Het rapport concludeert dat CDR geen wondermiddel is, maar ook niet iets dat volledig genegeerd moet worden. Als we serieus zijn over het beheersen van klimaatverandering, willen we waarschijnlijk aanzienlijke CDR naast agressieve emissiereducties.

Het belangrijkste bericht op beleidsniveau is dat we een economisch en beleidskader nodig hebben dat zowel emissiereducties als CDR binnen een gemeenschappelijk kader stimuleert; dit zou de markt in staat stellen om klimaatoplossingen te optimaliseren. Aangezien het in veel gevallen veel gemakkelijker en goedkoper is om emissies te verminderen dan het waarschijnlijk ooit zal zijn om atmosferische koolstof te verwijderen, zou een duidelijk begrip van de uitdagingen van CDR moeten helpen om snelle emissiereducties te stimuleren.

Ik ben optimistisch in de zin dat we wetenschappelijk begrijpen wat nodig is om emissies te verminderen en CDR te gebruiken om de CO2-niveaus naar een iets lager niveau te brengen. Nu is het echt een maatschappelijke en economische kwestie. Ik denk dat de mensheid het potentieel heeft om deze problemen op te lossen. Ik hoop dat we gemeenschappelijke grond kunnen vinden, zodat we als samenleving acties kunnen ondernemen die zowel de mensheid als de bredere ecosystemen op de planeet ten goede komen, voordat we te maken krijgen met grotere problemen dan we al hebben.