Karbondioksit giderme

Sera gazı giderimi olarak da bilinen Karbon dioksit giderimi (CDR), amacı karbondioksit'in atmosferden büyük ölçekli uzaklaştırılması olan bir grup teknolojiyi ifade eder. CDR, CO2'nin enerji istasyonu gibi büyük fosil yakıt nokta kaynaklarının baca emisyonlarından giderilmesine farklı bir yaklaşımdır. İkincisi atmosfere olan emisyonu azaltır, ancak atmosferde bulunan karbondioksit miktarını azaltamaz. CDR karbondioksiti atmosferden giderdiğinden, ev tipi ısıtma sistemleri, uçaklar ve araç egzozları gibi küçük ve dağınık nokta kaynaklarından gelen emisyonları dengeleyen negatif emisyonlar 'yaratır'. Bazıları tarafından bir iklim mühendisliği formu olarak kabul edilirken, diğer yorumcular bunu karbon yakalama ve depolama veya aşırı iklim değişikliği hafifletmesi olarak tanımlamaktadır. CDR'nin "iklim mühendisliği" veya "jeomühendislik" ile ilgili ortak tanımları karşılayıp karşılamayacağı genellikle üstlenileceği ölçeğe bağlıdır.

CDR'ye olası ihtiyaç, IPCC şefi Rajendra Pachauri, UNFCCC yönetici sekreteri Christiana Figueres ve Dünya İzleme Enstitüsü dahil olmak üzere iklim değişikliği sorunlarıyla ilgilenen bir dizi kişi ve kuruluş tarafından açıkça ifade edilmiştir. CDR üzerine yoğunlaşan büyük programları olan kurumlar arasında, Dünya Enstitüsü, Columbia Üniversitesi'nde Lenfest Sürdürülebilir Enerji Merkezi ve Carnegie-Mellon Üniversitesi Mühendislik ve Kamu Politikası Departmanı'nda yürütülen uluslararası bir işbirliği olan İklim Karar Verme Merkezi bulunmaktadır.

Hava yakalama ile küresel ısınmanın hafifletilmesinin etkinliği, toplumsal yatırım, arazi kullanımı, jeolojik rezervuarların mevcudiyeti ve sızıntı ile sınırlıdır. Rezervuarların en az 545 gigaton karbon (GtC) depolamak için yeterli olduğu tahmin edilmektedir. 771 GtC'nin depolanması 186 ppm atmosferik bir azalmaya neden olacaktır. Atmosferik CO2 içeriğini 350 ppm'ye geri döndürmek için ~60 ppm'lik atmosferik indirimlere ihtiyacımız olacak (Eylül 2019 itibarıyla 407,65 ppm'den) ve ayrıca mevcut yılda 2 ppm'e eşdeğer emisyon artışlarının da giderilmesi gerekecek. Bu nedenle, 771 GtC'nin 186 ppm düşüşe sebep olduğuna ve 60 ppm düşüş gerektiğine göre, lineer analizle 249 GtC'nin depolanması (771 GtC * 60 ppm / 186 ppm = 248 GtC) gerektiğini bulabiliriz.

Genel 
Karbondioksit giderimi emisyonların azaltılmasından farklıdır, çünkü birincisi Dünya'nın atmosferinden karbondioksit çıkışı sağlarken, ikincisi atmosfere karbondioksit girişini azaltır. Her ikisi de aynı net etkiye sahiptir, ancak mevcut seviyelerin altında karbondioksit konsantrasyon seviyelerine ulaşmak için karbondioksit giderimi önemlidir. Ayrıca, daha yüksek konsantrasyon seviyelerini karşılamak söz konusu olduğunda, iklim değişikliğini hafifletme hedefleri ve küresel emisyon eğilimlerini karşılamak için gerekli azaltmalar arasındaki boşluğu doldurma imkânı sağladığından, karbondioksit gideriminin giderek daha önemli olduğu düşünülmektedir.

2011 Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konferansı'nda yayınlanan 2050'ye OECD Çevresel Görünümünde yazarlar, "Düşük konsantrasyon hedeflerine ulaşmanın (450 ppm) önemli ölçüde BECCS (Karbon yakalama ve depolama ile biyo-enerji) kullanımına bağlı olduğunu" belirterek negatif emisyon ihtiyacını yorumladılar.

Konsantre bir bitki grubu veya karbondioksidi ormanlar ve yosun yatakları gibi biyokütleye bağlayan diğer herhangi bir birincil üretici gibi bir karbon dioksit yutağı, yutaklar kalıcı olmadığından karbon negatif değildir. Bu tip bir karbondioksit yutağı, karbonu, karbondioksit biçiminde atmosferden veya hidrosferden biyosfere doğru hareket ettirir. Bu işlem, örneğin orman yangını veya tomrukçuluk ile geri alınabilir.

Karbondioksiti, yeryüzüne enjekte ederek veya çözünmeyen karbonat tuzları şeklinde (mineral sekestrasyon) depolayan karbondioksit yutakları, karbon negatif olarak kabul edilir. Çünkü karbonu atmosferden uzaklaştırırlar ve süresiz olarak ve muhtemelen önemli bir süre boyunca (binlerce ila milyonlarca yıl) uzak tutarlar. Bununla birlikte, karbon yakalama teknolojisi en iyi ihtimalle teoriktir ve henüz % 33'ten fazla verimliliğe ulaşmamıştır. Ayrıca, bu işlem örneğin deprem veya madencilik tarafından hızla geri alınabilir.

Yöntemler

Karbon yakalama ve depolama ile biyo-enerji

Karbon yakalama ve depolama ile biyo-enerji veya BECCS, atmosferden karbondioksit çıkarmak için biyokütle ve derin jeolojik oluşumlarda konsantre ve kalıcı olarak depolamak için karbon yakalama ve depolama teknolojilerini kullanır.

BECCS şu anda (Ekim 2012 itibarıyla), toplam kapasite işletmede 550.000 ton CO2 ile üç farklı tesis arasında bölünmüş (Ocak 2012 itibarıyla) tam endüstriyel ölçekte kullanılan tek CDR teknolojisidir.

Imperial College London, İngiltere Met Office Hadley İklim Tahmin ve Araştırma Merkezi, Tyndall İklim Değişikliği Araştırma Merkezi, Walker İklim Sistemi Araştırmaları Enstitüsü ve Grantham İklim Değişikliği Enstitüsü, AVOID: Tehlikeli iklim değişikliğini önleme araştırmasının bir parçası olarak karbondioksit giderme teknolojileri hakkında ortak bir rapor yayınladı ve genel olarak, bu raporda incelenen teknolojilerin arasında BECCS'nin en büyük olgunluğa sahip olduğunu ve bugünün enerji sistemine girişinin önünde büyük pratik engeller olmadığını belirtti. Ayrıca birincil ürünün varlığının erken devreye alınmayı destekleyeceği belirtildi.

OECD'ye göre, "Daha düşük konsantrasyon hedeflerine ulaşmak (450 ppm) önemli ölçüde BECCS'nin kullanımına bağlıdır".

Biyolojik kömür

Biyolojik kömür, biyokütlenin pirolizi ile oluşturulur ve karbon sekestrasyon yöntemi olarak araştırılmaktadır.
Biyolojik kömür, karbonun yakalanmasına veya tutulmasına da yardımcı olan tarımsal amaçlar için kullanılan bir kömürdür. Temel olarak düşük oksijen seviyesine sahip bir ortamda yüksek sıcaklıkta ısıtma biyokütlesinin etkisi olan piroliz adı verilen bir işlem kullanılarak oluşturulur. Geriye kalan, kömüre benzeyen ancak sürdürülebilir bir süreçle, biyokütlenin kullanılmasıyla yapılan bir malzemedir. Biyokütle, canlı organizmalar veya yakın zamanda yaşamış organizmalar tarafından, en yaygın olarak bitkiler veya bitki bazlı materyaller tarafından üretilen organik maddedir. Sera gazı (GHG) emisyonunun dengelenmesi, eğer biyolojik kömür uygulanacaksa, maksimum % 12 olacaktır. Bu yaklaşık 106 metrik ton CO2 eşdeğerindedir. Orta düzeyde muhafazakâr bir seviyede, 82 metrik tonda yani % 23 daha az olurdu. İngiltere Biochar Araştırma Merkezi tarafından yapılan bir araştırma, muhafazakâr bir düzeyde, biochar'ın yılda 1 gigaton karbon depolayabileceğini belirtti. Biyolojik kömürün pazarlanması ve kabulü için daha büyük bir çaba ile, fayda, biyolojik kömür topraklarında yılda 5-9 gigaton karbon depolanması olabilir.

Geliştirilmiş aşınma
Geliştirilmiş aşınma, kara veya okyanus temelli teknikleri içeren karbondioksiti gidermek için kimyasal bir yaklaşımdır. Kara tabanlı geliştirilmiş aşınma tekniğinin bir örneği silikatların yerinde karbonatlaştırılmasıdır. Örneğin Ultramafik kayaç, tahminlere göre yüzlerce ila binlerce yıllık CO2 emisyonlarını depolama potansiyeline sahiptir. Okyanus temelli teknikler, okyanus asidifikasyonu ve CO2 sekestrasyonunu ele almak için  olivin, kireçtaşı, silikatlar veya kalsiyum hidroksitin öğütülmesi, dağıtılması ve çözündürülmesi gibi işlemlerle alkalinite arttırmayı içerir. Geliştirilmiş aşınma, en ucuz jeomühendislik seçeneklerinden biri olarak kabul edilir. Geliştirilmiş hava koşullarının fizibilitesi üzerine bir araştırma projesine örnek olarak İzlanda'daki CarbFix projesi verilebilir.

Doğrudan hava yakalama (DAC)

Karbondioksit, kimyasal işlemlerle ortam havasından uzaklaştırılabilir, ayrıştırılabilir ve saklanabilir. Büyük nokta kaynaklarından ön-yanma ve yanma-sonrası CO2 yakalama gibi geleneksel karbon yakalama modları, atmosferik CO2 konsantrasyonunun artış hızını yavaşlatmaya yardımcı olabilir, ancak yalnızca CO2'nin havadan doğrudan giderimi veya doğrudan hava yakalama (DAC), CO2'nin uzun süreli depolanması ile birleştirilirse küresel atmosferik CO2 konsantrasyonunu gerçekten azaltabilir.

Amin bazlı absorpsiyona dayanan DAC, önemli miktarda su girişi gerektirir. Yılda 3.3 Gigaton CO2 yakalamak için  300 km3 su, yani sulama için kullanılan suyun % 4'ünü gerektireceği tahmin edilmektedir. Öte yandan, sodyum hidroksit kullanmak çok daha az suya ihtiyaç duyar, ancak maddenin kendisi son derece kostik ve tehlikelidir.

DAC ayrıca, düşük CO2 konsantrasyonu nedeniyle, baca gazı gibi nokta kaynaklarından geleneksel yakalama ile karşılaştırıldığında çok daha fazla enerji girişi gerektirir. CO2'nin ortam havasından çıkarılması için gereken teorik minimum enerji, ton CO2 başına yaklaşık 250 kWh iken, doğal gaz ve kömür santrallerinden yakalama, ton CO2 başına sırasıyla 100 ve 65 kWh gerektirir.

Okyanus gübrelemesi

Okyanus gübrelemesi veya okyanus beslemesi, deniz ürünleri üretimini artırmak ve karbondioksiti atmosferden uzaklaştırmak için besin maddelerinin üst okyanusa amaçlı olarak sokulmasına dayanan bir tür iklim mühendisliğidir. Demir, üre ve fosfor ile gübreleme de dahil olmak üzere bir dizi teknik önerilmiştir.

Örnek CO2 işlem kimyası

Kalsiyum oksit
Kalsiyum oksit (sönmemiş kireç), 400 °C de buhar ile karıştırılan atmosferik havadan CO2'yi absorbe eder (kalsiyum karbonat oluşur) ve 1,000 °C de serbest bırakır. A. Steinfeld tarafından önerilen bu işlem, termal konsantre güneş enerjisinden yenilenebilir enerji kullanılarak gerçekleştirilebilir.
Sönmemiş kireç, içindeki CO2'nin serbest bırakılması için kireçtaşı ısıtılarak yapılır.
Sönmemiş kireç tuğla yapımında harç olarak kum ile karıştırılmaktadır ve burada CO2 emilimi ile sertleşmektedir.

Sodyum hidroksit
Zeman ve Lackner, sodyum hidroksit kullanarak özel bir hava yakalama yönteminin ana hatlarını çizdiler. 2009 yılında kurulan ve kısmen Bill Gates tarafından finanse edilen bir Calgary, Alberta firması olan Carbon Engineering, pilot tesis'nde biraz suyla karıştırılmış bir potasyum hidroksit çözeltisi kullanarak karbondioksit yakalamak için bir süreç geliştiriyor. Sentetik yakıtları ton başına 100 $ maliyetle yaratmayı ve satmayı umuyorlar. Greyrock ile ortak oldular.

NaOH kullanarak doğrudan hava yakalama (DAC) işlem örneği 

Doğrudan hava yakalama (DAC) için incelenen teknolojiler arasında, sulu hidroksit emici madde kullanımı en umut verici yaklaşımlardan biridir.
Bu işlemde, havadan gelen CO2, NaOH (sulu) çözeltisi içinde, Na2CO3 olarak kimyasal olarak çözülür; daha sonra Na2CO3, katı Ca(OH)2ile reaksiyona sokulur; bu, çözücüyü canlandırır ve CaCO3 kristalleri üretir; son olarak, saf CO2 gazı üretmek için CaCO3 kristallerine ısı uygulanır.

Hava, bu işlemin ilk adımı olarak CO2 emici içinden pompalanır. DAC için CO2 emici, karşı akım püskürtme kulesi veya karşı akım ince düşen film yüklenicisi olarak tasarlanmıştır. Amaç, hava ve çözücü arasındaki temas alanını maksimuma çıkarmak ve böylece emme itici kuvvetini maksimuma çıkarmaktır. Çözücü, Na2CO3'ün Ca(OH)2 ile reaksiyona sokulmasıyla kostikleştirme ünitesinde yeniden üretilir. Bu, yakalanan CO2'yi CaCO3 katı kristalleri formuna da aktarır. Daha sonra CaCO3 alt kristallerini sudan ayırmak için mekanik bir filtre kullanılır. Kristaller filtreden ıslak çıktığından, buharlı bir kurutucuda kurutulur. Daha sonra kuru kristaller bir fırın içerisinde ısıtılarak CaO ve saf CO2 alt gazı üretilir. Daha sonra CaO'ya, kostikleştirme reaksiyonu için kullanılan Ca(OH)2'yi yeniden oluşturmak için su verilir. Saf CO2 akışı daha sonra sıkıştırılır ve jeolojik sekestrasyon, EOR (Geliştirilmiş yağ geri kazanımı) veya diğer ticari uygulamalar için taşınmaya hazırdır.

1 M NaOH (sulu) tipik bir çözücü konsantrasyonudur çünkü bu konsantrasyon, çözücüyü yeniden üreten kostikleştirme reaksiyonu ile sınırlıdır ve pratik maksimum 2 M NaOH'dan çok uzak değildir. Fırın yenilenebilir şekilde veya sahada hava ayırma ünitesinde üretilen saf oksijen kullanılarak sahada yakıt yakılması ile çalıştırılabilir.

NaOH, DAC prosesleri için kullanılan diğer emiciler—örneğin aminler—ile ekonomik olarak rekabet edebilir.
DAC süreçleri enerji yoğundur.
Kalsinasyon (fırında) bu işlemin en enerji yoğun adımıdır.

Ekonomik meseleler
CDR yöntemleri için önemli bir konu, farklı teknolojiler arasında önemli ölçüde farklılık gösteren maliyetleridir: Bunlardan bazıları maliyet değerlendirmelerini gerçekleştirmek için yeterince geliştirilmemiştir. 2011'de Amerikan Fizik Derneği, doğrudan hava yakalama maliyetlerinin iyimser varsayımlarla 600 $/ton olduğunu tahmin etti. Bir 2018 çalışması, bu tahminin ton başına 94 $ ile 232 $ arasında düştüğünü buldu. IEA Sera Gazı Ar-Ge Programı ve Ecofys, ton başına 50 € kadar düşük karbon fiyatlarında BECCS (Karbon Yakalama ve Depolama ile Biyo-Enerji) ile yıllık 3.5 milyar ton atmosferden çıkarılabileceğini tahmin ediyor. Biorecro ve Global Karbon Yakalama ve Depolama Enstitüsü'nden bir rapor, büyük ölçekli BECCS uygulaması için ton başına 100 €'nun altında bir maliyet tahmin ediyor.

Riskler, sorunlar ve eleştiriler
CDR'ın çalışması yavaş olur ve etkili olması için uzun vadeli bir politik ve mühendislik programı gerektirir. CDR asitlenmiş okyanuslar üzerinde etkisi daha da yavaştır. Bir "Business as usual" konsantrasyon yolunda, derin okyanus yüzyıllarca asitlenmiş halde kalır ve sonuç olarak birçok deniz türü yok olma tehlikesiyle karşı karşıyadır.

Özel 1.5 °C IPCC raporu, CDR ile ilgili olarak çok netdi: "Ölçekte konuşlandırılan CDR kanıtlanmamıştır ve bu teknolojiye güvenmek, ısınmayı 1.5 ° C ile sınırlandırma yeteneğinde büyük bir risktir."
 
Bu itirazlar en azından kısmen bir "straw man"e dayanmaktadır, çünkü CDR hiçbir zaman iklim krizinin kendi başına çözebileceğini iddia eden tek bir çözüm olarak önerilmemiştir. Çevre Savunma Fonu (EDF) artık yenilenebilir elektrik, elektrikli araçlar ve emisyonları azaltmak için diğer stratejilerle birlikte kullanılmasını desteklemektedir.

Diğer sera gazlarının uzaklaştırılması

2012 itibarıyla, karbon dioksitten 20 kat daha güçlü bir sera gazı olan metanı atmosferden uzaklaştırmanın yollarını araştırmak için öneriler var.

Kaynakça

Karbondioksit
Sera gazı emisyonları
İklim mühendisliği
İklim değişikliği politikası
Atmosfer kimyası