Die Verringerung der globalen Treibhausgasemissionen ist entscheidend, um eine Klimakatastrophe zu vermeiden, aber die derzeitigen Methoden zur Entfernung von Kohlenstoff erweisen sich als unzureichend und kostspielig. Jetzt haben Forscher der University of California, Berkeley, eine skalierbare Lösung vorgeschlagen, die einfache, kostengünstige Technologien verwendet, um Kohlenstoff aus unserer Atmosphäre zu entfernen und sicher für Tausende von Jahren zu speichern.
Als berichtet heute im Journal Proceedings of the National Academy of Sciencesschlagen Forscher vor, Biomassepflanzen anzubauen, um Kohlenstoff aus der Luft zu binden, und die geerntete Vegetation dann in konstruierten trockenen Biodeponien zu vergraben. Dieser einzigartige Ansatz, den Forscher Agro-Sequestrierung nennen, hält die vergrabene Biomasse mit Hilfe von Salz trocken, um Mikroben zu unterdrücken und die Zersetzung zu verhindern, wodurch eine stabile Sequestrierung des gesamten Kohlenstoffs der Biomasse ermöglicht wird.
Das Ergebnis ist CO2-negativ, was diesen Ansatz laut Eli Yablonovitch, Hauptautor und Professor an der Graduate School des Department of Electrical Engineering and Computer Sciences der UC Berkeley, zu einem potenziellen Wendepunkt macht.
„Wir behaupten, dass die Klimakrise zu 100 % durch richtiges Engineering zu überschaubaren Kosten gelöst werden kann“, sagte Yablonovitch. „Bei globaler Umsetzung hat diese CO2-negative Sequestrierungsmethode das Potenzial, die aktuellen jährlichen Kohlendioxidemissionen sowie die Emissionen früherer Jahre aus der Atmosphäre zu entfernen.“
Im Gegensatz zu früheren Bemühungen um CO2-Neutralität zielt die Agro-Sequestrierung nicht auf Netto-CO2-Neutralität, sondern auf Netto-CO2-Negativität ab. Dem Papier zufolge könnten pro Tonne (Tonne) trockener Biomasse etwa 2 Tonnen Kohlendioxid gebunden werden.
Agro-Sequestrierung: Ein Weg, Kohlenstoff in vergrabener Biomasse stabil zu binden
Die Idee, Biomasse zu vergraben, um Kohlenstoff zu binden, erfreut sich zunehmender Beliebtheit, wobei Start-up-Organisationen alles von Pflanzen bis Holz vergraben. Die Gewährleistung der Stabilität der vergrabenen Biomasse ist jedoch eine Herausforderung. Während diese Lagerumgebungen sauerstofffrei sind, können anaerobe Mikroorganismen dennoch überleben und bewirken, dass sich die Biomasse in Kohlendioxid und Methan zersetzt, wodurch diese Sequestrierungsansätze bestenfalls CO2-neutral werden.
Aber es gibt eine Sache, die alle Lebensformen benötigen – Feuchtigkeit statt Sauerstoff. Dies wird durch die „Wasseraktivität“ gemessen, eine Größe ähnlich der relativen Luftfeuchtigkeit. Wenn die interne Wasseraktivität unter 60 % fällt, kommt alles Leben zum Erliegen – ein Konzept, das die neue Agro-Sequestrierungslösung der Forscher der UC Berkeley untermauert.
„Für viele dieser kürzlich populär gemachten natur- und landwirtschaftlich basierten Technologien gibt es erhebliche Fragen zur langfristigen Sequestrierung“, sagte Harry Deckman, Mitautor der Studie und Forscher am Institut für Elektrotechnik und Informatik. „Der von uns vorgeschlagene Agro-Sequestrierungsansatz kann den Kohlenstoff in getrockneter gesalzener Biomasse über Tausende von Jahren stabil binden, und zwar mit geringeren Kosten und einer höheren Kohlenstoffeffizienz als diese anderen Luftabscheidungstechnologien.“
Hugh Helferty, Mitbegründer und Präsident von Producer Accountability for Carbon Emissions (PACE), einer gemeinnützigen Organisation, die sich zum Ziel gesetzt hat, bis 2050 weltweit Netto-Null-Emissionen zu erreichen, sieht in dieser Lösung viel versprechend. „Die Agro-Sequestrierung hat das Potenzial, temporäre naturbasierte Lösungen in eine dauerhafte CO2-Speicherung umzuwandeln“, sagt Helferty, der nicht an der Studie beteiligt ist. „Durch die Entwicklung ihres Ansatzes haben Deckman und Yablonovitch eine unschätzbare neue Option zur Bekämpfung des Klimawandels geschaffen.“
Erreichen des richtigen Trockenheitsgrades, um Zersetzung zu verhindern
Lebende Zellen müssen in der Lage sein, wasserlösliche Nährstoffe und wasserlösliche Abfallstoffe über ihre Zellwände zu transportieren, um zu überleben. Laut Deckman hat sich gezeigt, dass eine Verringerung der Wasseraktivität unter 60% diese Stoffwechselprozesse stoppt.
Um das notwendige Trockenheitsniveau zu erreichen, ließen sich Yablonovitch und Deckman von einer Technik zur Langzeitkonservierung von Lebensmitteln inspirieren, die bis in die babylonische Zeit zurückreicht: Salz.
„Trockenheit, manchmal unterstützt durch Salz, reduziert effektiv die interne relative Feuchtigkeit der sequestrierten Biomasse“, sagte Yablonovitch. „Und das verhindert seit Tausenden von Jahren nachweislich die Zersetzung.“
Forscher verweisen auf eine Dattelpalme namens Methusalem als Beweis dafür, dass Biomasse, wenn sie ausreichend trocken gehalten wird, weit über das nächste Jahrtausend hinaus erhalten bleiben kann.
In den 1960er Jahren entdeckte der israelische Archäologe Yigal Yadin Dattelpalmensamen zwischen antiken Ruinen auf Masada, einem Tafelberg mit Blick auf das Tote Meer – einem der trockensten Orte der Welt. Die Samen blieben mehr als 40 Jahre in einer Schublade, bis Sarah Sallon, eine Ärztin, die auf der Suche nach Naturheilmitteln ist, sie 2005 anforderte. Nachdem sie die Samen karbonisiert hatte, erfuhr sie, dass sie 2.000 Jahre alt waren, und bat dann die Gärtnerin Elaine Solowey darum Pflanzen Sie sie. Sie keimten und Methusalem, eine dieser Dattelpalmen, gedeiht auch heute noch.
„Dies ist ein Beweis dafür, dass Biomasse Hunderte bis Tausende von Jahren halten wird, wenn man sie trocken hält“, sagte Yablonovitch. „Mit anderen Worten, es ist ein natürliches Experiment, das beweist, dass man Biomasse 2.000 Jahre lang erhalten kann.“
Ein kostengünstiger, skalierbarer Ansatz
Der Agro-Sequestrierungsansatz von Yablonovitch und Deckman bietet nicht nur langfristige Stabilität, sondern ist auch äußerst kosteneffektiv. Zusammen kosten die Landwirtschaft und die Biodeponie insgesamt 60 US-Dollar pro Tonne aufgefangenem und sequestriertem Kohlendioxid. (Im Vergleich dazu kosten einige Strategien zur direkten Luftabscheidung und Kohlendioxidabscheidung 600 US-Dollar pro Tonne.)
„Sechzig Dollar pro Tonne aufgefangenes und sequestriertes Kohlendioxid entsprechen zusätzlichen Kosten von 0,53 Dollar pro Gallone Benzin“, sagte Yablonovitch. „Zu diesem Preis würde die Kompensation der weltweiten Kohlendioxidemissionen die Weltwirtschaft um 2,4 % zurückwerfen.“
Die Forscher haben eine Liste mit mehr als 50 hochproduktiven Pflanzen zusammengestellt, die in verschiedenen Klimazonen weltweit angebaut werden können und Trockenbiomasseerträge in einem Bereich von 4 bis über 45 Trockentonnen pro Hektar aufweisen. Alle wurden aufgrund ihrer Fähigkeit zur Kohlenstoffbindung ausgewählt.
Diese Lösung kann auch skaliert werden, ohne in Ackerland einzugreifen oder mit ihm zu konkurrieren, das zum Anbau von Nahrungsmitteln verwendet wird. Viele dieser Biomassepflanzen können auf marginalen Weide- und Waldflächen oder sogar auf brach gebliebenem Ackerland angebaut werden.
„Um den gesamten produzierten Kohlenstoff zu entfernen, wäre viel Ackerland erforderlich, aber es ist eine Menge Ackerland, die tatsächlich verfügbar ist“, sagte Yablonovitch. „Dies wäre ein großer Segen für die Landwirte, da es Ackerland gibt, das derzeit nicht ausreichend genutzt wird.“
Landwirte, die diese Biomasse ernten, trocknen die Pflanzen und begraben sie dann in einer trocken konstruierten Biodeponie, die sich innerhalb der landwirtschaftlichen Regionen befindet, mehrere zehn Meter unter der Erde und sicher vor menschlichen Aktivitäten und Naturkatastrophen.
Die Forscher stützten ihr Design dieser Trockengrabstrukturen auf aktuelle Best Practices für kommunale Deponien, fügten jedoch Verbesserungen hinzu, um die Trockenheit zu gewährleisten, wie z.
Die Deponiefläche würde nur einen winzigen Teil – 0,0001 % – der landwirtschaftlichen Fläche bedecken. Mit anderen Worten, 10.000 Hektar Biomasseproduktion könnten in einer 1 Hektar großen Biodeponie vergraben werden. Außerdem könnte die Oberfläche der Deponie anschließend wieder landwirtschaftlich genutzt werden.
Ein schneller Weg zur Adoption
Laut Deckman könnte der Zeitrahmen für die Einführung dieser Methode zur Kohlenstoffabscheidung und -bindung kurz sein. „Agro-Sequestrierung ist technologisch bereit, und der Bau der technischen Biodeponien könnte nach einer Vegetationsperiode beginnen“, sagte er.
Die Analyse von Yablonovitch und Deckman zeigt, dass Landwirte den Übergang zur Biomasse-Landwirtschaft ziemlich schnell schaffen könnten. Sie schätzen, dass es etwa ein Jahr dauern würde, um bestehendes Ackerland in Biomasse-Landwirtschaft umzuwandeln, aber länger für jungfräuliches Land, dem die für die Unterstützung der Landwirtschaft erforderliche Infrastruktur fehlt. Die Biomassepflanzen würden innerhalb einer Vegetationsperiode zur Ernte und Sequestrierung bereit sein.
Mit diesem Ansatz errechneten die Forscher, dass die Abscheidung von etwa der Hälfte der weltweiten Treibhausgasemissionen – etwa 20 Gigatonnen Kohlendioxid pro Jahr – eine landwirtschaftliche Produktion auf einer Fläche erfordern würde, die einem Fünftel der weltweiten Reihenkulturen oder einem Fünfzehntel davon entspricht Landfläche für alle Ackerflächen, Weiden und Wälder. Laut ihrem Bericht ist diese Landmenge gleich oder kleiner als die Gesamtfläche, die viele der Modelle des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen zur Reduzierung von Treibhausgasen für die Biomasseproduktion in Betracht ziehen.
„Unser Ansatz zur Agro-Sequestrierung bietet viele Vorteile in Bezug auf Kosten, Skalierbarkeit und langfristige Stabilität“, sagte Yablonovitch. „Darüber hinaus nutzt es vorhandene Technologien mit bekannten Kosten, um einen praktischen Weg zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre und zur Lösung des Problems des Klimawandels aufzuzeigen. Nichtsdestotrotz muss die Gesellschaft ihre Bemühungen zur Dekarbonisierung fortsetzen, Solar- und Windtechnologien entwickeln und installieren; und die Energiespeicherung revolutionieren.“
Mehr Informationen:
Eli Yablonovitch et al, Skalierbare, wirtschaftliche und stabile Sequestrierung von landwirtschaftlichem Festkohlenstoff, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2217695120