УХУ и смягчение последствий изменения климата - CCS and climate change mitigation

Улавливание и хранение углерода (CCS) - это метод, используемый для уменьшения количества антропогенных выбросов двуокиси углерода (CO2) в атмосфере, пытаясь ограничить влияние глобальное изменение климата. УХУ можно использовать для достижения ряда целей, касающихся смягчения последствий изменения климата, таких как предотвращение достижения средней глобальной температуры определенного уровня выше среднего доиндустриального уровня. В декабре 2015 г. Парижское соглашение сформулировали перепись, чтобы глобальные температуры не превышали доиндустриальные более чем на 2 ° C, и признали, что в разных странах будут разные взносы чтобы помочь реализовать эту цель.[1] В соответствии с Парижским соглашением различные сценарии и климатические модели были проанализированы для различных целей в области температуры с учетом широкого диапазона методов смягчения последствий: от целевого значения температуры ниже 2 ° C до верхнего предела повышения ровно на 2 ° C выше среднего доиндустриального уровня.

Термины CCS и CCUS (улавливание, использование и хранение углерода) часто используются как синонимы. Разница между ними заключается в указанном «использовании» уловленного углерода и относится к его использованию для других целей, таких как повышенная нефтеотдача (EOR), потенциально делая жидкость топливо, или производство полезных потребительских товаров, таких как пластмассы. Поскольку оба подхода захватывают выделенный CO2 и эффективно хранить его, будь то под землей в геологических формациях или длительное удержание в материальных продуктах, эти два термина часто трактуются одинаково.

CCS рассматривается как основа единого клин стабилизации климата, который является предлагаемым действием по смягчению последствий изменения климата, чтобы сократить выбросы углерода примерно на 1 миллиард тонн за 50 лет.[2]

CCS и различные климатические модели

Выбросы углекислого газа и концентрации в атмосфере в XXI веке

Крупномасштабные технологии CCS играют решающую роль в стабилизации изменения климата. Согласно МГЭИК, модели выбросов углерода могут сильно варьироваться в зависимости от неопределенности потребления энергии человеком. Файл с данными о колебаниях выбросов парниковых газов показан справа. Однако основная роль CCS заключается в том, чтобы отсрочить переход от ископаемого топлива и тем самым снизить затраты на переход. Реализация технологических допущений по умолчанию будет стоить на 29-297% больше за столетие, чем усилия без CCS для 430-480 ppm CO.2/ год сценарий.[3][4] Парижское соглашение поддерживает цель достичь повышения не более чем на 2,0 ° C по сравнению с доиндустриальными температурами. Если цель 2,0 ° C должна быть достигнута вовремя, необходимо использовать CCS для достижения нулевых чистых выбросов к 2060-2070 гг. После 2060-2070 годов необходимо будет достичь отрицательных выбросов, чтобы они оставались ниже целевого показателя 2,0 ° C. Варианты методов в значительной степени зависят от используемой модели изменения климата и ожидаемых моделей потребления энергии. Однако широко распространено мнение о том, что для смягчения негативных последствий изменения климата необходимо использовать УХУ.[5]

CCS и цель 2,0 ° C

Концепция 2,0 ° C появилась в Европейском союзе в 1996 году, где целью было сокращение глобального диапазона температур относительно доиндустриальных уровней. Решение о диапазоне 2 ° C было принято в основном на основании доказательств того, что многие экосистемы окажутся в опасности, если средние глобальные температуры превысят этот предел. Чтобы ограничить антропогенные выбросы таким образом, чтобы изменение не превышало 2 ° C по сравнению с периодами между 1861 и 1880 годами, выбросы углерода должны быть ограничены примерно до 1000 ГтС к 2100 году с этого периода. Однако к концу 2011 года около половины бюджета уже было выпущено (445 ГтС), что указывает на необходимость меньшего бюджета.[6]

Определенный путь, нацеленный на предел 2,0 ° C, может вызвать сложности. Первое осложнение связано с отсутствием положительный отзыв петли в IPCC климатические модели. Эти петли включают уменьшение размера ледяного покрова, что будет означать, что меньше солнечного света отражается и больше поглощается более темной почвой или водой, а также потенциальный выброс парниковых газов в результате таяния тундры. Поскольку время жизни CO2 в климате атмосфера настолько длинная, что необходимо учитывать эти петли обратной связи. Еще один важный фактор, который следует учитывать, заключается в том, что сценарий 2,0 ° C требует использования альтернативных источников ископаемого топлива, которые труднее получить. Некоторыми примерами этих методов являются разработка битуминозных песков, гудроновых сланцев, гидроразрыв для нефти и газа, добыча угля, бурение в Арктике, Амазонии и глубоких океанах. Следовательно, сценарии 2,0 ° C приводят к увеличению выбросов CO.2 производится на единицу полезной энергии. Кроме того, опасность дополнительного высвобождения CH4 через процессы майнинга.[7]

Глобальные выбросы парниковых газов по типам газа

Различные модели основаны на том, когда пик выбросов углерода приходится на глобальный масштаб. В одной статье, касающейся сценария 2,0 ° C по отношению к доиндустриальным уровням, возможными подходами являются краткосрочные и долгосрочные решения по выбросам, а также рассмотрение экономической эффективности различных решений по сокращению выбросов углерода. Краткосрочные цели устанавливаются для количественной оценки прогресса в достижении цели температуры. В краткосрочной перспективе, в перспективе до 2020 года, допустимые выбросы углерода должны составлять от 41 до 55 ГтCO.2 в год. Краткосрочный сценарий 2 ° C невозможен без CCS.[8]

В настоящее время выбросы парниковых газов необходимо будет сокращать на 7 Гт углеродного эквивалента ежегодно к 2050 году, чтобы достичь стабилизации на 2 ° C. Для этого требуется выработка электроэнергии с использованием CCS на 800 угольных электростанциях мощностью 1 ГВт, 180 электростанциях, работающих на угле, или заводах, работающих на природном газе, мощностью 1600 ГВт.[9] В этом сценарии CCUS учитывает один из клиньев или 1 Гт углерода.[10] Стоимость улавливания CO2 оценивается в 500 долларов за тонну углерода. Если цель при температуре 2,0 ° C - хранить в общей сложности 7 Гт углерода в год, то общая сумма, необходимая для достижения этого, составляет около 3,5 триллиона долларов США в год. Экономический спрос, необходимый для достижения этой цели, высок. Эта сумма эквивалентна валовому национальному доходу таких стран, как Россия или Великобритания, и составляет 18% валового национального дохода США в 2017 году (19,61 триллиона долларов).[3]

CCS и цель ниже 2,0 ° C

Достижение цели ниже 2,0 ° C

Изменение температуры ниже 2 ° C в определенной степени практически невозможно из-за существующей практики выбросов углерода. МГЭИК отмечает, что трудно оценить сценарий смягчения последствий изменения климата, который ограничил бы повышение средней глобальной температуры лишь на 1,5 ° C по сравнению с доиндустриальными уровнями. В основном это связано с тем, что для тщательного изучения этого сценария было проведено мало надежных многомодельных исследований. Тем не менее, несколько проведенных исследований согласны с тем, что технологии смягчения последствий должны быть внедрены немедленно и быстро расширяться и отражать снижение спроса на энергию.[11] Изменение температуры ниже 1 ° C по сравнению с доиндустриальной эпохой сейчас немыслимо, потому что к 2017 году уже было повышение на 1 ° C.[12]

Из-за немедленной невозможности контролировать температуру на уровне 1 ° C следующая реалистичная цель - 1,5 ° C. Есть достаточная уверенность в том, что одних прошлых выбросов (доиндустриальное время) будет недостаточно, чтобы превысить целевой показатель 1,5 ° C. Другими словами, если все антропогенные выбросы будут остановлены сегодня (сведены к нулю), любое повышение сверх изменения 1 ° C более чем на половину градуса до 2100 года маловероятно. Если учесть антропогенные выбросы, вероятность того, что планета увеличится более чем на 1,5 ° C до 2100 года, высока. Затем, сценарии, в которых изменение градуса поддерживается ниже 1,5 ° C, очень сложно реализовать, но не невозможно.[13]

Для целевого значения ниже 2,0 ° C, Общие социально-экономические пути (SSP) были разработаны, добавив социально-экономический аспект к интеграционной работе, начатой RCP модели. Преимущество использования SSP заключается в том, что они включают социальные стандарты, использование ископаемого топлива, географическое развитие и высокий спрос на энергию. SSP также включают использование шести других моделей, таких как GCAM4, IMAGE, MESSAGE-GLOBIOM и REMIND-MAgPIE. Комбинация моделей и сценариев позволила сделать вывод, что к 2050 г.2 выбросы находятся в диапазоне от 9 до 13 миллиардов тонн CO2. По всем сценариям, температура будет оставаться ниже 2,0 ° C с вероятностью успеха 66%. Для этого мощность 1,9 Вт / м2 в течение 2100 года необходимо. Чистые нулевые выбросы ПГ должны быть достигнуты между 2055 и 2075 годами, а CO2 выбросы должны быть в диапазоне от 175 до 475 ГтCO.2 между 2016-2100 гг. Все сценарии SSP показывают отказ от неослабных ископаемых видов топлива, то есть процесса без CCS.[13]

Предположения для целевого значения ниже 2,0 ° C

Чтобы достичь целевого показателя 1,5 ° C до 2100 года, необходимо учитывать следующие допущения; выбросы должны достичь пика к 2020 году, а после этого сократиться, необходимо будет сократить чистый CO2 выбросы до нуля и отрицательные выбросы должны стать реальностью ко второй половине 21 века. Чтобы это допущение было выполнено, CCS должен быть реализован на предприятиях, которые используют ископаемое топливо. Поскольку сокращение выбросов должно осуществляться более строго для целевого показателя 1,5 ° C, такие методы, как BEECS, и решения для естественного климата, такие как облесение, могут быть использованы для сокращения глобальных выбросов.[14] BECCS - это необходимо достичь 1,5 ° C. По оценкам моделей, с помощью BECCS от 150 до 12000 ГтСО2 еще нужно удалить из атмосферы.[13]

Другая стратегия отрицательных выбросов, которая включает в себя CCS, также может быть реализована через DACCS. Прямое улавливание и связывание углерода в воздухе (DACCS) - это углерод отрицательный технология, которая использует улавливание на основе твердых аминов и доказала, что она улавливает углекислый газ из воздуха, даже несмотря на то, что его содержание намного ниже, чем в дымовых газах угольной электростанции.[15] Однако для этого потребуются возобновляемые источники энергии, поскольку на моль CO требуется около 400 кДж работы.2 захватывать. Кроме того, по оценкам, общая стоимость системы составляет 1000 долларов США за тонну CO.2, согласно экономико-энергетическому анализу 2011 г.[16]

При дальнейшем использовании таких моделей, как SSPss и RCP, необходимо принимать во внимание осуществимость модели. Осуществимость включает проблемы в различных областях, таких как геофизика, технология, экономика, социальное признание и политика, все из которых могут способствовать или препятствовать улавливанию углерода и секвестрации выбросов, необходимых для достижения целей по глобальной температуре. Неопределенность в осуществимости - особенно проблема с более строгими температурными пределами, такими как 1,5 ° C. Реальная осуществимость моделей SSP или любых других моделей в целом является грубым приближением к реальности.[13]

Рекомендации

  1. ^ «INDC - Представления». www4.unfccc.int. Получено 2018-12-02.
  2. ^ «Введение в стабилизационные клины | Инициатива по снижению выбросов углерода». cmi.princeton.edu. Получено 2018-12-02.
  3. ^ а б "DOE - Использование и хранение углерода_2016! 09! 07 | Улавливание и хранение углерода | Смягчение последствий изменения климата". Scribd. Получено 2018-12-03.
  4. ^ Пай, Стив; Ли, Фрэнсис Г. Н .; Прайс, Джеймс; Фейс, Биргит (март 2017 г.). «Достижение нулевых выбросов путем пересмотра национальных целей Великобритании в эпоху после Парижского соглашения» (PDF). Энергия природы. 2 (3). Дои:10.1038 / nenergy.2017.24. ISSN  2058-7546.
  5. ^ Рогель, Джоэри; Шеффер, Михиэль; Майнсхаузен, Мальте; Кнутти, Рето; Алькамо, Джозеф; Риахи, Кейван; Заяц, Уильям (2015). «Цели нулевых выбросов как долгосрочные глобальные цели по защите климата». Письма об экологических исследованиях. 10 (10): 105007. Дои:10.1088/1748-9326/10/10/105007. ISSN  1748-9326.
  6. ^ Межправительственная группа экспертов по изменению климата, под ред. (2014), «Краткосрочное изменение климата: прогнозы и предсказуемость», Изменение климата 2013 - основы физических наук, Cambridge University Press, стр. 953–1028, Дои:10.1017 / cbo9781107415324.023, ISBN  9781107415324
  7. ^ Хансен, Джеймс; Хареча, Пушкер; Сато, Макико; Массон-Дельмотт, Валери; Акерман, Франк; Бирлинг, Дэвид Дж .; Сердечный, Пол Дж .; Hoegh-Guldberg, Ove; Сюй, Ши-Лин (2013-12-03). «Оценка« опасного изменения климата »: необходимое сокращение выбросов углерода для защиты молодежи, будущих поколений и природы». PLOS ONE. 8 (12): e81648. Дои:10.1371 / journal.pone.0081648. ISSN  1932-6203. ЧВК  3849278. PMID  24312568.
  8. ^ Рогель, Джоэри; Макколлум, Дэвид Л .; О'Нил, Брайан С.; Риахи, Кейван (2012-12-16). «Уровни выбросов 2020 года, необходимые для ограничения потепления ниже 2 ° C». Природа Изменение климата. 3 (4): 405–412. Дои:10.1038 / nclimate1758. ISSN  1758-678X.
  9. ^ "Подход клина к изменению климата | Институт мировых ресурсов". www.wri.org. Получено 2018-12-04.
  10. ^ «Улавливание, использование и хранение углерода: изменение климата, экономическая конкурентоспособность и энергетическая безопасность» (PDF). www.energy.gov. Министерство энергетики США. Август 2016 г.. Получено 2018-12-04.
  11. ^ "Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) Сценарии глобального потепления поверхности", Мультимедийный атлас глобального потепления и климатологии, SAGE Publications Ltd, 2014 г., Дои:10.4135 / 9781483351384.n48, ISBN  9781483351384
  12. ^ М.Р. Аллен, О.П. Дубе, В. Солеки, Ф. Арагон-Дюран, В. Крамер, С. Хамфрис, М. Кайнума, Дж. Кала, Н. Маховальд, Ю. Мулугетта, Р. Перес, М. Вайриу, К. Зикфельд, 2018, Обрамление и контекст. В: Глобальное потепление на 1,5 ° C. Специальный доклад МГЭИК о воздействии глобального потепления на 1,5 ° C выше доиндустриального уровня и соответствующих глобальных путях выбросов парниковых газов в контексте усиления глобального реагирования на угрозу изменения климата, устойчивого развития и усилий по искоренению бедности [В. Masson-Delmotte, P. Zhai, HO Pörtner, D. Roberts, J. Skea, PR Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, JBR Matthews, Y. Chen , X. Чжоу, М.И. Гомис, Э. Лонной, Т. Мэйкок, М. Тиньор, Т. Уотерфилд (ред.)]. В прессе.
  13. ^ а б c d Тавони, Массимо; Стефест, Эльке; Хумпендер, Флориан; Гавлик, Петр; Harmsen, Mathijs; Фрико, Оливер; Эдмондс, Дже; Друэ, Лоран; Доэльман, Джонатан (апрель 2018 г.). «Сценарии ограничения повышения средней глобальной температуры ниже 1,5 ° C» (PDF). Природа Изменение климата. 8 (4): 325–332. Дои:10.1038 / s41558-018-0091-3. ISSN  1758-6798.
  14. ^ «Новые сценарии показывают, как мир может ограничить потепление до 1,5 ° C в 2100 году». Carbon Brief. 2018-03-05. Получено 2018-12-06.
  15. ^ Чой, Сунхо; Дрезе, Джеффри Х .; Eisenberger, Peter M .; Джонс, Кристофер В. (2011-03-15). «Применение твердых сорбентов с аминовыми связями для прямого улавливания CO2 из окружающего воздуха». Экологические науки и технологии. 45 (6): 2420–2427. Дои:10.1021 / es102797w. ISSN  0013-936X. PMID  21323309.
  16. ^ Дом, Курт Зенц; Baclig, Antonio C .; Ранджан, Манья; Ниероп, Эрнст А. ван; Уилкокс, Дженнифер; Херцог, Ховард Дж. (2011-12-20). «Экономический и энергетический анализ улавливания СО2 из атмосферного воздуха». Труды Национальной академии наук. 108 (51): 20428–20433. Дои:10.1073 / pnas.1012253108. ISSN  0027-8424. ЧВК  3251141. PMID  22143760.