Süsinikdioksiidi sidumise maksumus (Taastuvenergiast ilma udujututa)

Süsinikdioksiidi sidumise maksumus

Praegu on maapinnast süsiniku välja pumpamine väga tulus äri. Tulevikus on süsiniku tagasi maapinda pumpamine võib-olla sama tulus. Kui eeldame, et praegu ei võeta globaalse süsinikusaaste vastu võitlemiseks adekvaatseid meetmeid vastu, maksaks võib-olla paari kümnendi pärast mingisugune koalitsioon hiiglasliku tolmuimeja eest ning koristaks meie kõigi järelt selle segaduse ära.

Enne süsiniku õhust sidumise detailide kirjeldamist selgitame sellega seotud vältimatuid kulusid. Ükskõik millist tehnoloogiat me ka ei kasutaks, peavad need järgmina füüsikaseadusi, ning kahjuks nõuab $C O_{2}$ sidumine atmosfäärist ning selle kontsentreerimine mingil määral energiat. Füüsikaseadused ütlevad, et see energiahulk peab olema vähemalt $0, 2 k W h$ iga kilogrammi $C O_{2}$ kohta (vt tabel). Kuna reaalsed protsessid on tavaliselt heal juhul vaid $35$ -protsendilise efektiivsusega, oleksin ma üllatunud, kui meil õnnestuks süsinikku siduda vähem kui $0, 55 k W h$ eest kilogrammi kohta.

Eeldame nüüd, et meie sooviks on neutraliseerida keskmise eurooplase $C O_{2}$ toodang 11 tonni aastas ehk $30 k g$ päevas inimese kohta. Selleks vajalik energiahulk varem mainitud eelduste kohaselt on $16, 5 k W h$ päevas inimese kohta. See on sama mis Briti elektritarve. Seega nõuaks hiigelsuure tolmuimeja kasutamine meilt oma elektritarbe kahekordistamist – või siis vähemasti praeguse elektritoodanguga võrreldes lisaenergia tootmist.

Kui hiiglasliku tolmuimeja tööshoidmise kulu saaks vähendada oleks see suurepärane – ehitame neid! Kuid ka lõpmatul hulgal uurimus- ja arengutööd ei saa füüsikaseadustest üle ega ümber. Ning nende seaduste kohaselt on $C O_{2}$ õhust sidumiseks ning vedelikuks kontsentreerimiseks vaja vähemasti $0, 2 k W h$ energiat iga kilogrammi $C O_{2}$ kohta.

Olgu, mis on $C O_{2}$ õhust sidumise parimaks meetodiks? Kirjeldan siinkohal selle hiiglasliku tolmuimeja ehitamise nelja tehnoloogiat:

A: keemilised pumbad,
B: puud,
C: kivimite kiirendatud murenemine,
D: ookeani väetamine.

A. Süsiniku sidumise keemilised tehnoloogiad

Keemilised tehnoloogiad hõlmavad endas tavaliselt süsinikdioksiidi sidumist kahes etapis.

0, 03 % C O_{2} k o n t s e n t r e e r i - ------- \to P u h a s C O_{2} s u r u k o k k u - ----- \to V e d e l C O_{2}

Esmalt kontsentreeritakse $C O_{2}$ atmosfääri madalast sisaldusest ning seejärel surutakse see väikesesse ruumalasse, et see siis kuhugi ära peita (näiteks maapinda kaevatud sügavasse auku või siis sügavale ookeanipõhja). Mõlemad selle protsessi osad nõuavad energiat. Füüsikaseadustest tulenev energiakulu on toodud järgnevas tabelis.

Tabel 3.19: $C O_{2}$ atmosfäärist sidumise ning selle kontsentreerimise vältimatu energiakulu.

	Energiakulu ( $k W h / k g$ )
Kontsentreerimine	$0, 13$
Kokkusurumine	$0, 07$
Kokku	$0, 20$

2005. aastal olid parimad õhust $C O_{2}$ sidumise publitseeritud meetodid üpriski ebaefektiivsed: nende energiakulu oli umbes $3, 3 k W h$ kilogrammi kohta ning rahaline maksumus ligikaudu $140$ dollarit ühe tonni $C O_{2}$ kohta. Sellise energiakulu korral vajaksime ühele eurooplasele vastava päevase $30 k g$ jaoks $100 k W h$ päevas – peaaegu sama, mis selle eurooplase igapäevane $125$ kilovatt-tunnine energiatarve. Kas oleks võimalik ehitada paremaid tolmuimejaid?

Hiljuti hakkas „võib-olla maailma parim Maa kui bioloogilise, keemilise ja füüsikalise süsteemi tõlgendaja“ ehk kliimateadlane Wallace Broecker promoma ühte veel arendusjärgus olevat tehnoloogiat, mille töötas välja füüsik Klaus Lackner. Brockner kujutab ette, et maailmas jätkatakse fossiilkütuste põletamist praegusega samas tempos ning selle $C O_{2}$ kokkuimemiseks tuleks meil ehitada $60$ miljonit $C O_{2}$ -koristajat (millest igaüks oleks ligikaudu tavalise laevakonteineri suurune). Kui palju energiat on Lackneri protsessiks vaja? 2007. aasta juunis ütles Lackner mulle, et nende laboris saavutati tulemuseks $1, 3 k W h$ kilogrammi kohta, kuid et alates sellest hetkest töötasid nad välja uue, vaigupõhise protsessi, mis kuivades tingimustes imeb süsinikdioksiidi ning niisketes tingimustes vabastab selle. 2008. aasta juunis ütles ta mulle, et kuivas kliimas väheneks kontsentreerimisprotsessi maksumus umbes $0, 18$ või $0, 37$ kilovatt-tunnini (madala kvaliteediga soojusenergia) ühe kilogrammi $C O_{2}$ kohta. Seega oleks Lackneri kogukulu kilogrammi kohta $0, 48 k W h$ või vähem. Eurooplase tüüpilise saastamise korral oleks see ikkagi $14 k W h$ päevas, millest $3, 3 k W h$ päevas moodustaks elekter ning ülejäänud soojusenergia.

Hurraa! Tehniline läbimurre! Kuid ärge arvake, et see on väike maksumus. Nende tolmuimejate tööshoidmiseks oleks meil vaja maailma energiatoodangut siiski ligi $20 %$ võrra suurendada.

B. Aga puud?

Hübriidpaplid saadakse erinevate papli sortide kombineerimise tulemusena. Need on ühed kiiremini kasvavad puud Põhja-Ameerikas.

Puud on süsinikku siduvad süsteemid: need imevad süsinikdioksiidi atmosfäärist välja ning ei riku seejuures ühtegi füüsikaseadust. Need on „kaks-ühes“ masinad: need seovad süsinikku ning saavad oma energia sisseehitatud päikeseelektrijaamast. Need seovad süsinikku Päikeselt saadud energia abil. Needsamad fossiilkütused, mida me praegu põletame, said alguse just sellest protsessist. Seega – mis saaks, kui prooviksime kasutada fossiilkütuste põletamise vastandit? Kas saaksime luua puitu, matta selle maapinda ning samal ajal jätkata fossiilpuidu üles kaevamist ja põletamist? On hullumeelne ette kujutada puidu samaaegset matmist ning üleskaevamist. Kuid siiski: proovime leida vajaliku maa-ala, mille abil saaksime puude abil meie kliimaprobleemi lahendada.

1 hektar = 10000 m^{2}

Parimad taimed Euroopas seovad süsinikku kiirusega ligikaudu $10$ tonni kuiva puitu hektari kohta aastas (see on võrdne umbes $15$ tonni $C O_{2}$ -ga hektari kohta aastas). Seega tuleks meil eurooplase aastase $11$ tonni suuruse $C O_{2}$ saasteprobleemiga võitlemiseks kasvatada inimese kohta metsa $7500$ -l ruutmeetril. See vajatav pindala on inimese kohta kaks korda suurem kui Suurbritannia pindala inimese kohta. Ning lisaks tuleks meil leida koht, kuhu see $7, 5$ tonni puitu igal aastal panna! Kuna puidu tihedus on $500 k g$ kuupmeetri kohta, oleks iga inimese puidu hoiustamiseks tarvis $15$ kuupmeetrit aastas. Ühele elueale vastav kogus puitu, mida tuleb ohutult hoiustada ning kindlasti mitte põletada, hõivaks $1000$ kuupmeetrit. See on keskmise maja ruumalast viis korda suurem. Kui keegi soovitab, et võiksime kliimamuutuse tagajärgede elimineerimiseks kasutada puid, tuleb neil mõista, et selleks on tarvis riigi suurusega maa-alasid. Ma ei kujuta ette, kuidas see üldse töötaks.

C. Kivimite kiirendatud murenemine

Kas leidub kaval viis, mille abil süsiniku sidumise keemilise meetodi energiakulu märkimisväärselt vähendada? Siin on huvitav idee: süsinikdioksiidi siduvate kivimite pulbristamine ning vabasse loodusesse jätmine. See idee on justkui looduslike geoloogiliste protsesside kiirendamine. Lubage ma selgitan.

Jooniselt 31.3 välja jäänud kaks süsinikuvoogu on süsiniku valgumine kivimitest ookeanitesse (see on seotud kivimite loomuliku murenemisega) ning süsiniku loomulik merepõhja sadenemine, põhjustades hiljem uuesti kivimite teket. Need kaks voogu on üpriski väikesed: ligikaudu $0, 2 G t C$ aastas ( $0, 7 G t$ $C O_{2}$ aastas). Seega on need inimeste poolt põhjustatud praeguste süsinikuemissioonide kõrval tühised, olles $40$ korda väiksemad. Kuid murenemise kiirendamist pooldavate inimeste soovitusel saaksime kliimamuutusega selle protsessi abil võidelda. Selleks protsessiks sobivad kivimid oleksid kergestileitavad oliviinid või magneesiumsilikaadi mineraalid. See idee tähendab, et meil tuleks leida tühermaal asuvad kaevandused, mille ümber saaksime purustatud kivimid laiali jaotada... või siis võiksime need kivimid lihtsalt otsejoones ookeanisse visata. Igal juhul neelaksid need kivimid süsinikdioksiidi, muunduksid karbonaatideks ning seetõttu jõuaksid ikkagi lõpuks ookeanisse. Et pulbristada kive $C O_{2}$ sidumiseks vajaliku suuruseni on meil vaja vaid $0, 04 k W h$ iga kg seotava $C O_{2}$ kohta. Oot-oot! Kas see pole mitte vähem kui see $0, 2 k W h$ kilogrammi kohta, mida meil füüsikaseaduste kohaselt vaja läheb? Jah, kuid tegu pole veaga: need kivid ise on puuduva energia allikaks. Silikaatide energiasisaldus on suurem kui karbonaatidel, mistõttu peitub $C O_{2}$ atmosfäärist sidumise energia neis kivimites endis.

Mulle meeldib selle plaani energiakulu, kuid keeruline vastust vajav küsimus on järgmine: kes sooviks vabatahtlikult oma riigi pulbristatud kivimitega katta?

D. Ookeanide väetamine

Keemilise, metsade ja kivimite pulbristamise meetodite üheks probleemiks $C O_{2}$ atmosfäärist sidumisel on fakt, et need nõuaksid palju tööd ning et mitte keegi pole motiveeritud seda tööd tegema (vähemasti juhul, kui mingisugune rahvusvaheline kokkulepe selle eest ei maksa). Hetkel on süsinikdioksiidi hind lihtsalt liiga madal.

Süsiniku sidumise viimane meetod on selles suhtes veidi eriline. Selleks ideeks on veenda ookeani süsinikku tavapärasest veidi kiiremini siduma – see oleks kalakasvatuse kõrvalproduktiks.

Joonis 31.6: $120$ piirkonda Atlandi ookeanis – igaühe pindala $900$ ruutkilomeetrit. Sellisel hulgal ookeanit on vaja, et ookeani väetamise abil katta Suurbritannia süsinikdioksiidiemissioonide mõju keskkonnale.

Mõningates maailma piirkondades valitseb suur toidupuudus. Teistes paikades on viimase $50$ aasta ülekalastamise tõttu jällegi vähe kalu. Ookeani toitmine tähendab ookeanite väetamist, toetades seeläbi toiduahela alumisi lülisid ning võimaldades ookeanitel toetada suuremal hulgal taime- ja loomaliike ning seeläbi juhuslikult ka rohkem süsinikku siduda. Austraalia teadlase Ian Jonesi juhtimise all pumpaksid ookeani toitmise insenerid sobivatesse kalavaestesse ookeanipiirkondadesse lämmastikurikast väetist, näiteks uuread. Nende teadlaste sõnul aitaks $900$ -ruutkilomeetrise ookeani ala väetamine siduda umbkaudu $5 M t$ süsinikdioksiidi aastas. Jonesi ning tema kolleegide arvates sobiks see toitmisprotsess paljude lämmastikuvaeste ookeanipiirkondade jaoks. Siia alla käib suur osa Atlandi ookeani põhjaosast. Paneme selle idee kaardile. Ühendkuningriikide emissioonid on hetkel ligikaudu $600 M t$ süsinikdioksiidi aastas. Suurbritannia süsinikdioksiidiemissioonide neutraliseerimiseks tuleks seega väetada $120$ sellist ookeanipiirkonda. Joonisel 31.6 toodud kaardil on näidatud need alad õiges skaalas Briti saarte kõrval. Nagu alati nõuab plaan, mis ka tegelikult töötaks, riigisuurust maa-ala. Ning me pole veel kirjeldanudki, kuidas toota vajalikus koguses uuread.

Kuigi seda ideed ei ole veel katsetatud (ning see on hetkel veel ebaseaduslik), on see minu meelest üpriski põnev, sest vastupidiselt geoloogilisele süsiniku salvestamisele on see üheks tehnoloogiaks, mida saaks rakendada ka siis, kui rahvusvaheline kogukond ei nõustuks süsinikureostuse kõrge väärtusega. Kalamehed võiksid ookeaneid väetada lihtsalt selleks, et rohkem kalu püüda.

Kommenteerijatelt võib oodata vastuseisu ookeani manipuleerimisele, keskendudes potentsiaalse kasu asemel vaid võimalikele ebakindlatele mõjudele. Proovitakse külvata hirmu, pannes inimesi uut tundmatut asja kartma. Inimesed oleksid valmis juba olemasolevate kommete ( $C O_{2}$ lisamisega atmosfääri) kasvuga passiivselt leppima, kuid tuleviku elutingimusi parandavate innovatsioonide osas ollakse skeptilised. Igasugu riske proovitakse vältida.

Ian Jones

Meie kui inimkond ei tohi atmosfääri lasta kõike – või isegi suurt osa – fossiilkütuste süsinikdioksiidist. Sellega garanteeriksime drastilise kliimamuutuse ning saaksime tulemuseks täiesti teistsuguse planeedi...

J. Hansen et al (2007)

„Ohtliku kliimamuutuse vältimine“ on võimatu – ohtlik kliimamuutus on juba saavutatud. Küsimuseks on: kuidas vältida katastroofilist kliimamuutust?

David King, Ühendkuningriikide peateadur, 2007