Hiilen sitominen – Ovatko meren syvyydet elinkelpoinen ratkaisu?

Hiilidioksidi (CO2) on tärkeä ja yleisimmin tuotettu kasvihuonekaasu, joka auttaa sitomaan lämpöä ilmakehässämme. Tämä lämpöä sitova kaasu syntyy sekä ihmisen että luonnollisten toimintojen seurauksena. 

Luonnollisiin lähteisiin kuuluvat prosessit, kuten tulivuorenpurkaukset ja eläinten hiilidioksidin ulostuminen jätetuotteena. Samaan aikaan ihmisen toiminnasta johtuvat CO2-päästöt sisältävät metsäpalot ja energian tuotannon, jossa louhitaan ja poltetaan fossiilisia polttoaineita, kuten maakaasua, öljyä ja hiiltä. Noin 45 % ihmiset tuottamasta hiilidioksidista pysyy itse asiassa ilmakehässä, mikä vaikuttaa merkittävästi ilmaston lämpenemiseen. 

Ilman hiilidioksidia Maa olisi äärimmäisen kylmä, jolloin se olisi asumiskelvoton. Sanoen näin, tämän kaasun kasvava pitoisuus ilmakehässämme nostaa nyt keskimääräisiä globaaleja lämpötiloja.

Vuonna 2019 Yhdysvallat yksin päästi 5 130 miljoonaa metristä tonnia energiaan liittyvää CO2:ta, kun globaalit päästöt ovat olleet 33 621,5 miljoonaa metristä tonnia, Yhdysvaltain energiatietohallinnon arvioiden mukaan.

Seurauksena on kasvava kiinnostus hiilen talteenottoon, prosessiin, joka kaappaa ja varastoi ilmakehän hiilidioksidia. Tämä lähestymistapa pyrkii vähentämään CO2-pitoisuutta ilmakehässä ja lieventämään globaalia ilmastonmuutosta.

Pyrkimyksiä tämän tavoitteen tukemiseksi ovat muun muassa siirtyminen puhtaampiin energiajärjestelmiin ja hiilidioksidipitoisten sektoreiden, kuten liikenteen ja rakennusteollisuuden, hiilidioksidipäästöjen vähentäminen. Näiden aloitteiden joukossa hiilen talteenotto erottuu erityisesti yhteistyötapana luonnon kanssa ilmastonmuutoksen torjumiseksi.

Hiilen talteenotto on keskeinen menetelmä hiilen poistamiseksi Maan ilmakehästä, keskittyen pääasiassa CO2:n pysyvään varastointiin. Tämä prosessi voi tapahtua kahdella tavalla: biologisesti ja geologisesti.

Geologinen hiilen talteenotto tarkoittaa CO2:n varastointia maanalaisiin muodostelmiin. Yhdysvaltain geologisen tutkimuslaitoksen (USGS) vuoden 2013 kansallisen geologisen hiilen talteenoton arvioinnin mukaan on arvioitu keskimääräinen varastointipotentiaali 3 000 metristä gigatonnia hiilidioksidia. Arvioinnin mukaan rannikkotasankojen alue, mukaan lukien Texasin ja Georgian väliset rannikkolietokset, omaa suurimman CO2-varastointipotentiaalin.

Yksi tapa, jolla tätä toteutetaan, on grafeenin tuotanto, jossa CO2 toimii raaka-aineena. Grafeeni on kevyt, joustava materiaali, jolla on erittäin korkea resistanssi, mikä tekee siitä hyödyllisen rakennus-, energia-, elektroniikka- ja terveysaloilla.

Sitten on insinööritason molekyylejä, joiden muotoa muutetaan uusien yhdisteiden muodostamiseksi kaappaamalla CO2:ta ilmasta. Hiilidioksidin talteenotto ja varastointi (CCS) puolestaan sisältää CO2:n kaappaamisen teollisuuden toiminnasta, sen pakkaamisen ja kuljettamisen syviin maanalaisiin laitoksiin ja lopulta injektoinnin kallioperään pysyvää varastointia varten. 

CO2:n injektointi maanalaisiin varantoihin tarjoaa hyötyä öljyntuotannon tehostamisessa. Tämä menetelmä ei kuitenkaan ole ongelmaton. Ongelmia voivat olla hiilidioksidin siirtyminen ja vuoto, pohjavesien saastuminen sekä injektointiin liittyvät seismiset riskit. Lisäksi monilla alueilla ei ole sopivia geologisia ominaisuuksia varantojen injektointiin.

Biologista hiilen talteenottoa kutsutaan ‘epäsuoraksi’ tai passiiviseksi talteenottomuodoksi. Tässä menetelmässä CO2 varastoituu luonnolliseen ympäristöön niin sanotuissa ‘hiilikaivoissa’, kuten maaperässä, metsissä, ruohoalueilla, merissä ja muissa vesistöissä. 

Metsiä pidetään itse asiassa yhtenä parhaista luonnollisen hiilen talteenoton muodoista. Lopulta, metsät sitovat keskimäärin kaksinkertaisesti enemmän hiiltä kuin ne vapauttavat. Fotosynteesin aikana CO2 sitoutuu kasveihin ja vaihtuu hapeksi. Arvioiden mukaan noin neljännes maailman CO2-päästöistä sitoutuu metsien lisäksi myös ruohoalueiden, peltojen, preeriiden ym. kasvillisuuden kautta.

Maaperän osalta: CO2 kaappaa ja varastoi hiilikaasina, jotka kerääntyvät tuhansien vuosien aikana yhdistyessään kalsiumin kaltaisiin alkuaineisiin. Vaikka CO2 vapautuu lopulta maasta, prosessi kestää tuhansia vuosia.

Vesistöissä, mukaan lukien suuret vesialueet, nämä muodostavat neljänneksen maapallon ilmakehästä poistuvasta CO2:sta. Enimmäkseen meren yläkerrokset varastoivat hiiltä, mutta liialliset määrät voivat johtaa veden happamoitumiseen ja haitata biologista monimuotoisuutta.

Kasvava fokus on nyt suunnattu teknologian kehittämiseen, jonka avulla hiilen talteenotto voisi tapahtua massamittakaavassa.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon johtavista biotekniikkayrityksistä, jotka työskentelevät ratkaisun löytämiseksi ilmaston lämpenemisen uhkaan.

Ulkokiihtyvä tapa hiilen talteenottoon

Texasin yliopiston Austinin kampukselta peräisin olevat tutkijat ovat löytäneet uuden ja poikkeuksellisen nopean tavan varastoida hiilidioksidia, joka on kaapattu ilmakehästä. Se on nopeampi kuin perinteiset menetelmät, eikä se vaadi haitallisia kemiallisia kiihdyttäjiä tai mekaanista sekoitusta.

Julkaistu ACS Sustainable Chemistry & Engineering -lehdessä, uusi tutkimus on kehittänyt tekniikan hiilidioksidihydraattien ultranopeaan muodostumiseen. Nämä aineet ovat ainutlaatuisia ja jäämäisiä, ja ne voivat hautaamaan CO2:n valtameressä ja estää sen vapautumisen ilmakehään. ​

“Kohtaamme valtavan haasteen — löytää tapa poistaa gigatonneja hiiltä ilmakehästämme turvallisesti — ja hydraatit tarjoavat universaalin ratkaisun hiilen varastointiin. Jotta ne olisivat merkittävä osa hiilen varastointikakkua, meidän täytyy kehittää teknologia, joka kasvattaa niitä nopeasti ja mittakaavassa.” 

– Vaibhav Bahadur, Walkerin konepääte-tekniikan professori

Tutkimus osoittaa, että hydraatit voidaan kasvattaa nopeasti ilman minkään kemikaalin käyttöä, jotka neutralisoivat hiilen talteenoton ympäristöhyödyt. Lisäksi tiimi näkee sen erittäin tehokkaana tapana gigamittakaavassa hiilen varastointiin. Ja jos joitakin haasteita voidaan ratkaista, hydraatit voivat tulla suosituksi tavaksi kaapata ja varastoida hiiltä.

Tiimi totesi, että näiden hydrattien luominen hiilen talteenottoon ei ole ollut ainoastaan hidas prosessi, vaan myös energiaintensiivinen, mikä on estännyt sen tulemasta suosituksi massamittakaavassa, kunnes nyt.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat onnistuivat saavuttamaan jopa kuusinkertaisen kasvun hydrattien muodostumisnopeudessa verrattuna aiempiin menetelmiin. Prosessin nopeus yhdistettynä kemikaalittomuuteen tekee hydrattien sopiviksi massamittakaavaiseen hiilen varastointiin.

Mutta mikä oikeastaan poistaa kemikaalien tarpeen, mikä mahdollistaa parannetun absorptio- ja energiatehokkuuden, sekä kustannustehokkuuden, on magnesium, joka oli tutkimuksen ‘salainen aines’.

Magnesium (Mg), kiiltävä harmaa metalli, jonka tiheys on alhainen, sulamispiste matala ja kemiallinen reaktiivisuus korkea, esiintyy luonnollisesti yhdistettynä muihin alkuaineisiin. Metalli toimii tässä laukaisevana tekijänä, joka poistaa kemiallisten aineiden tarpeen. Magnesiumin lisääminen tukee hiilidioksidin kuplimista suurilla virtausnopeuksilla tietyssä reaktorikonfiguraatiossa. Reaktorin paine on tässä pääasiallinen tekijä talteenotto-nopeudelle.

Siis, CO2:n talteenotto-nopeuden parannus, joka perustuu nettokaasun kulutukseen, johtuu korkean virtausnopeuden jatkuvasta kaasun sisään- ja ulostulosta magnesiumin läsnä ollessa. Tämä menetelmä lisää kasvunopeutta jatkuvasti uudistamalla kaasu‑vesi‑hydraatti‑rajapintaa.

Mitä tekee teknologian toteuttamisesta helpompaa, on se, että se toimii hyvin meriveden kanssa, mikä tarkoittaa, että se ei tarvitse monimutkaisia suolanpoistoprosesseja makean veden tuottamiseksi. Nopean vaahdon muodostuminen suolavedessä parantaa merkittävästi teknologian taloudellista suorituskykyä, tiimin mukaan. Bahadurin mukaan, joka johti tutkimusta:

“Hydraatit ovat houkuttelevia hiilen varastointivaihtoehtoja, koska merenpohja tarjoaa vakaat termodynaamiset olosuhteet, jotka suojaavat niitä hajoamiselta.” 

Tällä tavalla hiilen varastointi on periaatteessa valmis käyttöön jokaiselle maalle, jolla on rannikko. Näin ollen tämä hiilen varastointimenetelmä on “helpommin saavutettavissa ja toteutettavissa globaalilla tasolla, ja se vie meitä lähemmäs kestävän tulevaisuuden saavuttamista,” hän lisäsi.

Tutkijoiden mukaan vaahdot mahdollistavat uusia lähestymistapoja CO2:n kuljettamiseen ja talteenottoon. Mutta tämän edistysaskeleen vaikutukset ulottuvat hiilen talteenoton ulkopuolelle. ​Hydraattien ultranopea muodostuminen voi löytää sovelluksia myös kaasujen erottelussa ja varastoinnissa sekä suolanpoistossa.

Tämä uusi teknologia tarjoaa monipuolisen ratkaisun eri teollisuudenaloille. Hence, tutkijat ovat hakeneet kaksi patenttia tähän teknologiaan, ja harkitsevat jopa startupin perustamista kaupallistamista varten.

Kaikki aloitteet eivät ole menestyviä 

Ilmaston hiilidioksidipäästöjen vähentämisen tärkeys huomioon ottaen tiedemiehet ja maailman johtajat etsivät erilaisia tapoja ja uusia teknologioita ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi. 

Viime vuonna tiedemiehet löysivät mikro-organismin, joka elää tulivuorisaarella lähellä Sisiliaa ja syö CO2:ta “hämmästyttävän nopeasti.” Mikrobit, jotka löydettiin alun perin syyskuussa 2022, ovat “hyper-tehokkaita CO2:n kuluttamisessa fotosynteesin kautta”, nopeampia kuin muut tunnetut sinilevät. Tiedemiehet totesi, että mikrobiprosessit ovat paljon pääomatehokkaampia kuin teknologiset interventiot ja ovat myös “luontaisesti skaalautuvia”, koska ne “voidaan ottaa käyttöön monenlaisissa ympäristöissä, avoimista lätäköistä bioreaktoreihin.”

Muutama kuukausi sitten National Institute of Standards and Technology (NIST) -tutkijat raportoivat kehittäneensä testilaitteiston, jolla on korkea tarkkuus hiilen talteenoton (sorbaattien) suorituskyvyn mittaamiseen. Laitteisto mahdollistaa NIST:in luoda tutkimusluokan testimateriaalia (RGTM) sorbaatteja suoran ilmankaappauksen (DAC) teollisuudelle. Se antaa yrityksille mahdollisuuden testata sorbaattejaan ja varmistaa niiden tehokkuus ennen mittakaavan nostamista.

Juuri tässä kuussa Australian tutkijat ehdotivat aurinkoenergian käyttöä hiilen kaappaamiseen ja varastointiin kaivosjätteessä. He tekevät parhaillaan ensimmäistä arviointia ja analyysiä keskittyneen auringon lämmön käytöstä serpentiinin aktivointiin, jotta voidaan tuottaa aktivoituja syötteitä hiilen talteenotto- ja varastointiprosesseihin mineraalikarbonaation kautta.

Tiedemiehet ovat jopa löytämässä tapoja muuntaa kasvihuonekaasut suoraan kiinteiksi polttoaineiksi, joita voidaan käyttää lämmittämään koteja tai teollisuutta. Esimerkiksi MIT:n ja Harvardin tutkijat kehittivät ja osoittivat prosessin, jossa kaapataan ja elektrokemiallisesti muunnetaan kaasu jauheeksi. Kiinteä formiatti käytetään sitten laboratoriossa sähkön tuottamiseen polttokennojen avulla.

On siis selvästi nähtävissä kasvava fokus hiilen kaappaamiseen ja varastointiin, ja tähän on investoitu paljon tutkimusta ja rahoitusta. Kaikki aloitteet eivät kuitenkaan ole menestyneet. Merkittävä esimerkki on Yhdysvalloissa toimiva ilmastostart-up Running Tide.

Running Tide -hiilenpoistoprosessissa kelluva puulautojen verkosto kehittää “mikrosymbioseja” merilevästä, jotka “nielaisevat hiiltä ilmasta ja vedestä” ja kalkkikiveä, joka “toimii antasidina meren pinnakerrokselle.” Merilevä leikkaa sen jälkeen, jotta se uppoaa valtameriin, missä se sitoo CO2:ta ja pysyy haudattuna syvällä tuhansia vuosia.

Yrityksen verkkosivujen mukaan sen on raportoitu poistaneen 25 000 tonnia hiiltä kahdella tavalla:

• Meren alkaliteetin parantaminen
• Biomassan uppoaminen

Running Tide myy myös hiilikrediittejä, jotka edustavat yhtä tonnia hiiltä, joka on poistettu nopeasta kiertokulusta. Noin vuosi sitten start-up toimitti ensimmäiset koskaan merialueelta peräisin olevat hiilikrediitit, jotka myytiin etukäteen verkkokauppajätti Shopifylle. Myöhemmin Microsoft (MSFT ) osti myös hiilikrediittejä yritykseltä.

Kesäkuussa startup ilmoitti sulkevansa toimintansa. Running Tide -yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja Mark Odlin kirjoitti LinkedIn‑julkaisussa:

“Valitettavasti aloitamme tänään Running Tide:n maailmanlaajuisten toimintojen sulkemisprosessia, koska emme pysty varmistamaan oikeanlaista rahoitusta jatkaaksemme työtämme tarvittavalla kiireellä.”

Julkaisun mukaan hiilimarkkinat ovat vapaaehtoiset, eikä niillä ole “tarvittavaa kysyntää suurten mittakaavojen” hiilenpoistoon, ja hän lisäsi, “meidän integriteettimme arvioidaan sen perusteella, saavutammeko voiton tavoitteen ja mitään muuta.”

Julkaisussa hän väitti, että startup “suoritti suurimman menestyksekkään hiilenpoistoprojektin avoimessa valtameressä,” ja se tapahtui “alhaisimmilla kustannuksilla, ankarimmissa olosuhteissa, korkeimmalla laadun tasolla.”

Yrityksen on raportoitu upottaneen noin 19 000 tonnia puusiruetta Islannin rannikkovesiin. Tämä valtava kaatopaikka on ollut “täysin valvomaton”, todettu Islannin viikkolehden, Heimildin, joka myös korosti toiminnan valvonnan puutetta, ja yrityksen väitteiden, että se olisi varastoinut 25 000 tonnia hiiltä merenpohjassa, tarkistuksen puutetta.

Running Tide:n sulkeminen ja sen toimintaan liittyvät kysymykset osoittavat, että vaikka kaikki pyrkimykset ja tutkimus herättävät innostusta, aloitteet eivät aina saavuta tavoitteitaan, ja tarvitaan enemmän hallituksen tukea sekä teknologisia läpimurtoja, jotta voidaan todella tuoda muutos.

#1. ExxonMobil (XOM)

Yksi johtavista julkisista yrityksistä, joka investoi voimakkaasti hiilen kaappaus- ja varastointiteknologioihin (CCS), ja jolla on useita käynnissä olevia projekteja hiilijalanjälkensä vähentämiseksi, ExxonMobil (XOM ) voi hyötyä merkittävästi Texasin yliopiston tutkimuksesta meripohjaiseen hiilen talteenottoon.

Meripohjainen hiilen talteenotto voi auttaa ExxonMobilia vahvistamaan teknologista johtajuuttaan ja vähentämään hiilidioksidipäästöihin liittyviä sääntelykustannuksia.

Taloudellisesti se voisi säästää merkittäviä summia alentamalla mahdollisia hiiliverovelvoitteita ja luomalla uusia tulovirtoja hiilikrediittien myynnin kautta. Lisäksi nämä edistysaskeleet voivat parantaa ExxonMobilin ympäristö-, sosiaali- ja hallintotason (ESG) arvosanoja, tehden siitä houkuttelevamman ympäristötietoisille sijoittajille. Yritys raportoi 2023‑vuoden liikevaihdoksi 413,7 miljardia USD​​.

#2. Occidental Petroleum (OXY)

Occidental Petroleum (OXY ) on johtava suurten mittakaavojen CCS-projektien kehittäjä, erityisesti projekteissa, joissa kaapattu hiili integroidaan tehostettuun öljyn talteenottoon (EOR). Hyödyntämällä meripohjaista hiilen talteenottoa Occidental voi monipuolistaa CCS‑aloitteitaan ja vahvistaa kestävän kehityksen käytäntöjään. 

Taloudellisesti tämä teknologia tarjoaa kaksinkertaiset hyödyt: se auttaa vähentämään hiiliverovelvoitteita ja tuottaa lisätuloja hiilikrediittien myynnin kautta. Lisäksi kaapatun hiilen hyödyntäminen EOR‑prosesseissa voi parantaa öljyn talteenottoasteita, mikä lisää tuotantotehokkuutta ja kannattavuutta. Yritys raportoi 2023‑vuoden liikevaihdoksi 28,92 miljardia USD.

Lopulliset ajatukset

Ilmaston lämpenemisen estäminen ja ilmastonmuutoksen torjuminen ovat globaaleja prioriteetteja. Erilaisia toimenpiteitä, kuten hiilidioksidipäästöjä aiheuttavien polttoaineiden poistamista ja laillisesti sitovien nettonollapäästöjen tavoitteiden asettamista, on otettu käyttöön. CO2:n kaappaaminen ja varastointi on vielä yksi tärkeä ratkaisu planeettamme hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen.

Tämä hiilen talteenotto voidaan toteuttaa useilla tavoilla, ja meren syvyys tarjoaa houkuttelevan sijainnin tähän. Meri on hiilikaivo, jossa biologinen hiilipumppu – fytoplankton – kuljettaa pintakerroksen CO2:n merenpohjaan ravintoketjun kautta, missä se varastoituu pitkäaikaisesti. Fyysiset pumput, joita ohjaavat merivirrat, auttavat myös liuenneen hiilen talteenotossa.

Ottaen huomioon sen valtavan varastointikapasiteetin ja luonnollisen kyvyn sitoa CO2, yhdistettynä eristyneisyyteen ilmakehästä, syvä meri on suosittu menetelmä hiilen varastointiin. Tekniikat vaihtelevat suoran CO2-injektion syvälle merelle, ravinteiden lisäämisen fytoplanktonin kasvun edistämiseksi ja korkean paineen sekä matalien lämpötilojen hyödyntämisen kiinteiden hydrattien muodostamiseen.

Kuitenkin tämä lähestymistapa ei ole ilman haasteita, kuten Running Tide -tapauksen osoittaa, ja siihen liittyy ongelmia, kuten happamoituminen, kustannukset, seuranta, tarkastus ja kestävyys.

Vain jatkuvan tutkimuksen ja kehityksen, kuten Texasin yliopiston tutkijoiden, avulla voimme löytää ratkaisuja, jotka auttavat varastoimaan hiiltä ilman ympäristön vahingoittamista. Kaiken kaikkiaan meren syvyydet tarjoavat lupaavan, mutta epävarman vaihtoehdon hiilen talteenoton tarkoitukseen.

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon viidestä parhaasta hiilen talteenotto-osakkeesta, joihin kannattaa sijoittaa.