Neue elektrochemische Technologien könnten die Ozeane entsäuern – und dabei sogar Kohlendioxid entfernen

Um die katastrophalen Auswirkungen der globalen Erwärmung zu bekämpfen, müssen wir die Bemühungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen beschleunigen und rasch Strategien zur Entfernung von Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre und den Ozeanen entwickeln. Die Technologien zur Reduzierung unserer CO2-Emissionen sind ausgereift; Diejenigen zur Entfernung von Kohlenstoff aus der Umwelt sind dies nicht und benötigen eine starke Unterstützung von Regierungen und dem Privatsektor.

Nur 45 Prozent der Kohlendioxidemissionen verbleiben in der Atmosphäre; Der Rest wird über zwei Zyklen absorbiert: 1) der biologische Kohlenstoffkreislauf speichert CO2 in Pflanzenmaterial und Böden, und 2) der wässrige Kohlenstoffkreislauf absorbiert CO2 aus der Atmosphäre in die Ozeane. Jeder dieser Zyklen ist für 25 bzw. 30 Prozent des emittierten CO2 verantwortlich.

CO2, das sich in den Ozeanen löst, reagiert unter Bildung von Chemikalien den Säuregehalt der Ozeane erhöhen. Die Auflösung von Mineralien aus Gesteinen entlang der Küsten wirkt als Ausgleich für diesen Säuregehalt in einem Prozess, der als geologische Verwitterung bezeichnet wird. Der extreme Anstieg der Geschwindigkeit und des Volumens der CO2-Emissionen, insbesondere in den letzten 60 Jahren, hat jedoch die Geschwindigkeit der geologischen Verwitterung bei weitem übertroffen. Dies führt zu einem Anstieg des Säuregehalts der Ozeane um 30 Prozent.

Wenn die Ozeane versauern, werden Millionen von Meeresarten und ganze Ökosysteme – insbesondere Korallenriffe – nicht in der Lage sein, sich anzupassen.

Wir überfordern die natürlichen Ausgleichssysteme der Erde und schädigen dabei ihre Ökosysteme. Unsere jüngste Arbeit an der McMaster University und der University of Toronto, unterstützt von der Carbon to Sea Initiative, hat versucht, diese Herausforderungen anzugehen.

Die bevorstehende Herausforderung

Die gute Nachricht ist, dass es möglich ist, den pH-Wert der Ozeane mithilfe eines Prozesses namens „Ocean Alkalinity Enhancement“ (OAE) wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Darüber hinaus wird durch diese Neuausrichtung auch die Aufnahme von zusätzlichem CO2 aus der Atmosphäre gefördert. Durch die sorgfältige und kontinuierliche Wiederherstellung der Alkalität des Ozeans können gleichzeitig die Versauerung der Ozeane und übermäßige CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre bekämpft werden.

Der naheliegendste Ansatz wäre Geben Sie fein gemahlene Alkalimineralien in den Ozean um den Säuregehalt des Wassers direkt zu senken. Das enorme Ausmaß, in dem diese Prozesse durchgeführt werden müssten, ist jedoch atemberaubend.

Wir schätzen beispielsweise, dass ab Mitte des Jahrhunderts jedes Jahr alkalische Substanzen im Wert von etwa achttausend Empire-State-Gebäuden in die Ozeane gelangen müssten, um die IPCC-Emissionsziele zu erreichen. Natürlich kann diese Technik nicht die einzige Lösung sein.

Wir glauben, dass ein elektrochemischer Ansatz, der mit dekarbonisierter Energie betrieben wird, eine der besten Möglichkeiten ist, die Versauerung der Ozeane zu bekämpfen. Mit einem Verfahren namens bipolare Membranelektrodialyse (BMED), wird der Säuregehalt des Meerwassers direkt und ohne Zugabe anderer Stoffe entfernt. Diese Technologie erfordert lediglich Meerwasser, Strom und spezielle Membranen.

Die Einfachheit und Modularität der BMED-Technologie ermöglicht eine flexible, skalierbare und potenziell kostengünstige Methode zur Kohlendioxidentfernung.

Bauen im Maßstab

Im Jahr 2015 – mit einem Forscherteam des Palo Alto Research Center und X Development – ​​haben wir gebaut und getestet ein kleines BMED-System. Dieses System gut abgeschnitten und ist vielversprechend, wenn es mit bestehenden Anlagen wie Entsalzungsanlagen gekoppelt wird.

Wir haben die primären technologischen Einschränkungen identifiziert, aber in den Jahren 2015–2017 reichten die Emissionsgutschriften und Anreize für Klimaschutztechnologien nicht aus und das Projekt wurde auf Eis gelegt. Jetzt hat sich das wirtschaftliche und physische Klima geändert.

An der wirtschaftlichen Front sind sowohl die durch den Inflation Reduction Act (IRA) in den Vereinigten Staaten gewährten Steuergutschriften als auch die stetig steigenden Steuererleichterungen zu nennen steigende aufkommensneutrale CO2-Steuer in Kanada stärken die Wirtschaftlichkeit von Technologien zur Kohlendioxidreduzierung.

Darüber hinaus schockieren die jüngsten extremen Klimaereignisse im vergangenen Jahr, von massiven Waldbränden in Kanada über die heißesten Monate seit Beginn der Aufzeichnungen bis hin zu den wärmsten jemals gemessenen Meerestemperaturen, die Menschen mit der eklatanten Realität des Klimawandels und erhöhen die Nachfrage nach echten Lösungen. Die BMED-Technologie ist eine dieser Lösungen.

Die BMED-Technologie wird teilweise durch die im Handel erhältlichen Spezialmembranen eingeschränkt. Darüber hinaus machen diese Membranen einen erheblichen Teil (rund 30 Prozent) der Investitionskosten aus und haben ohnehin eine kurze Lebensdauer anfällig für Abbau.

Unsere Arbeit zielt darauf ab, skalierbare, ultradünne Membranen für den Einsatz in einem modifizierten BMED-Prozess zu entwickeln und gleichzeitig effiziente Betriebsbedingungen, optimale industrielle Kopplungen und ideale globale Standorte zu identifizieren, um diese OAE-Technologie weltweit kosteneffizient zu implementieren.

Die ultradünnen Membranen extrahieren Säure effizienter als bestehende kommerzielle Membranen, während ihre Herstellungstechnik und optimale Nutzung ihre Produktions- und Betriebskosten drastisch senken werden.

Entwicklung kosteneffektiver BMED Systeme werden den Weg zu wirtschaftlich tragfähiger OAE ebnen.

Vorsichtiger Optimismus

In letzter Zeit wurden mehrere Start-ups gegründet – wie z Ebb Carbon, MeerO2 Und Vesta– die auf die Entfernung von Kohlendioxid aus den Ozeanen durch OAE abzielen.

Wir fördern eine offene Kommunikation über die Fortschritte und Herausforderungen, vor denen OAE steht, mit der Öffentlichkeit, Forschungseinrichtungen, Regierungen und dem privaten Sektor, um Lösungen für die Herausforderungen von OAE zu beschleunigen.

Insbesondere müssen wir die Auswirkungen der Neuanpassung der Meerwasseralkalität auf die Meeresökosysteme bewerten und gleichzeitig vertrauenswürdige Systeme entwickeln und implementieren, um die Nettomenge an Säuregehalt und entferntem Kohlenstoff zu messen, zu melden und zu überprüfen.

Daneben müssen wir auch optimale großflächige Einsatzorte identifizieren, an denen OAE sicher und effektiv umgesetzt werden kann.

Diese Überlegungen werden von verschiedenen Gruppen untersucht, es bedarf jedoch noch viel weiterer Unterstützung, um diese Technologie schnell zu überprüfen und zu skalieren.

Um die technologischen Herausforderungen und Umweltunsicherheiten zu bewältigen, muss die Unterstützung durch Regierung, Industrie, gemeinnützige Organisationen und Risikokapital massiv ausgeweitet und der sorgfältigen und verantwortungsvollen Validierung der groß angelegten Implementierung von OAE-Technologien auf der ganzen Welt gewidmet werden.

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