5 tehnologii care ar putea ușura drumul spre Net Zero30 min read

Neutralitatea climatică nu poate fi atinsă fără inovații serioase

Organizațiile multinaționale și guvernele anunță pe bandă rulantă ținte pentru atingerea neutralității climatice, înainte ca schimbările climatice să poată provoca catastrofe ireversibile. Multe dintre ele sunt, însă, destul de optimiste, ținând cont de ritmul actual și se bazează pe promisiunea dezvoltării peste noapte a unor tehnologii revoluționare.

O veste bună în acest sens este faptul că s-au conturat, în ultimii ani, o serie de domenii-cheie în care avansurile tehnologice ar putea juca un rol esențial în scăderea emisiilor de gaze cu efect de seră la nivel global.

Un raport recent al think-tankului Economist Impact„Zeroing in: Fostering innovative technologies for a net-zero future”, economist.com a identificat câteva astfel de domenii – captarea, stocarea și utilizarea carbonului, înlocuirea combustibililor fosili cu hidrogenul, găsirea unor metode de stocare energiei verzi și tehnologiile nucleare avansate – pe care se concentrează inovațiile tehnologice care speră să ducă planeta către Net Zero.

Bioreactoare cu alge verzi care captează carbonul din gaze de ardere în Cadiz, Spania. Santiago Urquijo/Getty Images

Carbonul, captat la sursă și stocat sub fundul mării (sau vândut)

Dioxidul de carbon este de departe gazul care contribuie cel mai mult la schimbările climatice, reprezentând aproximativ trei sferturi din totalul gazelor cu efect de seră„Global Manmade Greenhouse Gas Emissions by Gas, c2es.org provenite din activitățile umane. Reducerea acestui tip de emisii este crucială pentru neutralitatea climatică.

Însă, având în vedere că nu se poate renunța brusc la cele mai mari surse ale emisiilor de CO₂, o soluție deja implementată în multe forme este captarea lor direct de la aceste surse, în special din industrie și producția energiei electrice pe bază de ardere a combustibililor fosili. Carbonul astfel captat este fie este stocat în depozite subterane, fie este transportat și refolosit în diverse domenii.

Există mai multe metode de captare a dioxidului de carbon la sursă. Cea mai veche și, implicit, dezvoltată este extragerea CO₂-ului din gazele rezultate în urma arderii combustibililor înainte ca acestea să ajungă în atmosferă. Se poate efectua prin mai multe procese chimice, cel mai utilizat fiind cel de absorbție,„Amine Scrubbing System Overview – How Amine Treating Works”, carverpump.com în care compuși organici numiți amine absorb dioxidul de carbon din combustibilii fosili.

Alternativ, dioxidul de carbon poate fi extras și înainte de ardere. În acest scenariu, combustibilii fosili sunt oxidați parțial înainte de utilizare, separând dioxidul de carbon de hidrogen. Iar, într-o altă metodă mai nouă, numită oxicombustie,„Oxy-fuel combustion process”, wikipedia.org combustibilul este ars în oxigen pur, provocând mult mai puține gaze de ardere. Asta permite refolosirea lor pentru a răci combustibilul, precum și redirecționarea excesului de CO₂ într-un flux cu concentrație foarte ridicată, care poate fi stocat și transportat.

Captarea carbonului nu este un concept nou, însă utilizarea unor astfel de tehnologii a crescut semnificativ în ultimul deceniu, ajungându-se la o capacitate globală de captare de aproximativ 40 de milioane de tone de CO2 (MtCO2) pe an.tCO₂/an, sau tonele de CO₂ emise pe parcursul unui an este unitatea de măsură principală a emisiilor de gaze cu efect de seră, fiind notată cu MtCO₂ (milioane de tone) sau GtCO₂ (miliarde de tone).  Se folosesc și pentru gazele cu efect de seră care nu au carbon; impactul acestor gaze este aproximat într-un echivalent al emisiilor de carbon, archibus.net

Multe alte metode cu o eficiență mai ridicată decât tehnologiile actuale se află doar în stadiul de test. De exemplu, proiectul ANICA (Advanced Indirectly Heated Carbonate Looping Process),Mai multe detalii pe act-anica.eu finanțat de un program-accelerator UE pentru dezvoltarea tehnologiilor de captare, testează o metodă prin care dioxidul de carbon poate fi separat pre sau post-ardere prin calcinare și carbonatare. Carbonul este separat din gazele de ardere prin carbonatare, formând carbonat de calciu, iar din acesta se extrage ulterior, prin calcinare, dioxidul de carbon.

Deocamdată, metoda este în curs de dezvoltare pentru fabricile de producție ale cimentului și calcarului, unde oxidul de calciu folosit în procesul de carbonatare poate fi reciclat ca materie primă, însă poate fi adaptată pentru alte industrii cu cantități ridicate de emisii.  Proiectul își propune să atingă cel puțin o eficiență de 90% a captării de CO₂ cu o puritate de 95%.

Guvernul NorvegieiMai multe detalii pe ccsnorway.com dezvoltă și el un proiect ambițios care vizează crearea unui întreg lanț de aprovizionare pentru captarea, stocarea și reutilizarea dioxidului de carbon, incluzând o facilitate de stocare a acestuia la 3.000 de metri sub fundul Mării Nordice. Carbonul presurizat poate fi stocat în diverse formațiuni de roci aflate la adâncimi mari, precum foste depozite de petrol, gaze naturale sau zăcăminte de cărbuni neexploatabile, unde în timp reacționează pentru a forma minerale în aceste roci.

Există și câteva probleme ridicate de cercetători cu aceste tehnologii. În primul rând, deși au potențialul de a reduce emisiile semnificativ emisiile de dioxid de carbon, nu le pot elimina complet. Ar putea apărea astfel tentația întârzierii trecerii de la sursele convenționale  la energia regenerabilă, singura metodă prin care emisiile pot fi neutralizate complet. În același timp, metodele fiind axate specific pe captarea dioxidului de carbon, alte gaze cu efect de seră, precum metanul sau azotul, pot scăpa bine-mersi în atmosferă.

Centrala Climeworks din Islaneda, care extrage dioxidul de carbon din aerul înconjurător. Getty Images

Fermele de „copaci mecanici” ar putea extrage carbonul direct din aer

Captarea carbonului direct la sursa emisiilor nu rezolvă nici problema emisiilor deja existente, nici a celor care vor fi emise oricum, fie ca rezultat a unor tehnologii de captare imperfecte sau din alte surse. care vor produce emisii nestingherite.

Aici intervin tehnologiile de captare directă a dioxidului de carbon din aer (DAC/Direct Air Capture). Conform unui raport din noiembrie 2021 al Agenției Internaționale pentru Energia Atomică (AIEA),„Direct Air Capture”, iea.org există în momentul de față 19 facilități operaționale la nivel global care au integrat acest tip de tehnologii. Mai toate se folosesc de ventilatoare masive pentru a trece aerul înconjurător prin filtre chimice lichide sau absorbanți solizi. Astfel, sunt izolate fluxuri de CO₂ cu puritate ridicată sau carbonul este captat în absorbanți.„Direct Air Capture: Recent developments and future plans”, geoengineeringmonitor.org

Un exemplu este o centrală masivă inaugurată anul trecut în Islanda, care dispune de opt „containere” cu ventilatoare cilindrice care colectează aerul, filtrează CO₂-ul, îl transformă în lichid și îl pompează într-un depozit subteran, unde se presupune că ar trebui să rămână timp de cel puțin câțiva mii de ani.„World’s largest direct air capture and storage plant opens in Iceland”, smithsonianmagazine.org

Doar că, deocamdată, proiectele au un impact modest, captând aproximativ 0,01 MtCO₂/an. Agenția estimează că, pentru scenariul Net Zero în 2050 vizat de Uniunea Europeană, astfel de sisteme ar trebui să extragă cel puțin 85 MtCO₂/an până în 2030 și în jur de 980 MtCO₂/an în 2050.

O tehnologie dezvoltată de compania irlandeză Carbon Collect și Centrul pentru Emisii Negative de Carbon de la Universitatea din Arizona, SUA, își propune să creeze dispozitive de dimensiuni mult mai mici, care ar putea extrage carbonul direct din aerul înconjurător fără nevoia redirecționării acestuia. Scopul final ar fi de de a grupa astfel de dispozitive în parcuri de decarbonificare.

Numite MechanicalTree, „First ‘MechanicalTree’ installed on ASU’s Tempe campus”, asu.edu mare parte din corpul de 10 metri înălțime al dispozitivelor este alcătuit din discuri așezate unul peste altul, cu spațiu pentru a permite trecerea aerului. Discurile sunt învelite într-un absorbant chimic care atrage dioxidul de carbon din aer, iar la anumite intervale, întreaga structură de discuri se retrage automat la baza „copacului”, acolo unde carbonul este separat de absorbant și stocat temporar.

Instalarea unei prime astfel de structuri a început în luna aprilie într-un campus al universității americane, dar un proiect finanțat de Departamentul de Energie al Statelor vizează crearea a trei ferme la scară largă de copaci mecanici care ar putea capta, în total, până la 1.000 de tone de CO2 pe zi.„Carbon Collect’s MechanicalTree selected for US Department of Energy award”, asu.edu

Centrală care produce hidrogen verde în Wesseling, Germania. Getty Images

Hidrogen verde produs mai eficient

Hidrogenul produce puține spre zero emisii în procesul de ardere și poate fi folosit în celule de combustibil, ceea ce ar trebui să prezintă o țintă principală pentru înlocuirea emisiilor produse de diverse tipuri de vehicule. Însă, în momentul de față, vine și cu un mare asterisc.

Mai mult de 90% din hidrogenul produs la nivel global este așa-numitul „hidrogen gri”, care este obținut din combustibili fosili printr-un proces numit reformare catalitică. Hidrogenul gri este foarte ieftin, dar cantitatea consumată acum emite peste 830 de MtCO₂ pe an, echivalentul emisiilor totale produse de Marea Britanie și Indonezia, conform AIEA.„The Future of Hydrogen”, iea.org

O soluție folosită pentru a limita emisiile este producerea hidrogenului „albastru”, obținut tot prin reformare catalitică, dar cu integrarea la sursă a tehnologiilor de captare a carbonului. Însă există dubii asupra eficienței acestei metode; un studiu efectuat de cercetători de la Universitatea Cornell în 2021„How green is blue hydrogen?”, wiley.com sugerează că emisiile de carbon scad cu doar 9-12% în producerea hidrogenului albastru față de cel gri. Există riscul ca procesul acestuia de producție să aibă, per total, un impact climatic chiar mai mare decât hidrogenul gri, din cauza unei cantități mai ridicate de emisii de metan (ca urmare a folosirii unor cantități adiționale de gaz natural pentru tehnologiile de captare a carbonului).

Hidrogenul verde, produs prin electroliza apei cu ajutorul energiei regenerabile, este singurul tip hidrogen care poate fi produs fără emisii, însă are un cost de producție mult mai ridicat decât cel gri sau cel albastru, motiv pentru care reprezintă deocamdată o cotă redusă din totalul producției globale de hidrogen. „The Truth About Hydrogen”, rmi.org

Găsirea unui mod mai ieftin de producție a hidrogenului verde va fi esențială în cursa către neutralitatea climatică, în special pentru decarbonificarea lanțurilor de transport comercial, dar și a mijloacelor de transport civile. De exemplu, Airbus țintește să inaugureze în 2035 un avion care să înlocuiască combustibilul actual cu cel pe bază de hidrogen.„Airbus’ hydrogen-powered superjumbo to take flight in 2035”, airport-technology.com

Mai multe companii testează deja soluții pentru ieftinirea producerii de hidrogen verde. Printre ele se numără Heliogen și Bloom Energy, care testează simultan o metodă nouă de stocare a energiei solare și de a produce hidrogen fără emisii.Solar energy ‘breakthrough’ could replace fossil fuels in some industries”, engadget.com

Aceasta constă dintr-un câmp masiv de panouri solare controlate de inteligență artificială îndreptate către un turn, în interiorul căruia aerul este încălzit la temperaturi foarte ridicate, dar se formează și abur. Bloom susține că dispozitivul de electroliză folosește aburul pentru a reduce energia electrică necesară într-un astfel de proces cu până la 45%

Rezervor de energie hidro-pompată în Lituania. Wikimedia Commons

Straturile geologice ar putea ajuta la acumularea energiei

Una dintre cele mai mari probleme ale surselor de energie regenerabile este stocarea acesteia la scară largă. Dacă energia solară sau eoliană în exces nu poate fi acumulată în perioadele de consum scăzut pentru a o putea folosi atunci când cererea crește, eficacitatea surselor regenerabile rămâne inconstantă și dependentă de condițiile meteorologice.

Bineînțeles că soluția cea mai cercetată la această problemă sunt acumulatorii. Dar cea mai folosită tehnologie de acest fel te-ar putea surpinde: nu sunt bateriile cu capacitate de stocare industrială, ci un tip de acumulator natural.

Energia hidro-pompată reprezintă peste 90% din capacitățile globale active de stocare a energiei în momentul de față.„ Pumped Storage Hydropower”, energy.gov  Se bazează pe două rezervoare aflate la altitudini diferite: în momentele în care cererea de energie este redusă, cea în exces este folosită pentru a pompa apa din rezervorul inferior în cel superior. Atunci când este nevoie de energie adițională, apa din rezervorul superior este lăsată să se scurgă în cel inferior, trecând pe parcurs printr-o turbină care produce energia electrică.

Este o soluție care stochează energie fără a produce emisii, dar vine cu probleme evidente. În primul rând, cerințele geografice sunt destul de specifice, limitând regiunile în care poate fi utilizată, iar costurile inițiale ale construirii unor rezervoare și a infrastructurii conexe sunt destul de ridicate.

Cea mai ieftină metodă de implementare a energiei hidro-pompate presupune conectarea bazinelor printr-o sursă de apă curgătoare deja existentă, precum un râu, dar asta vine la pachet cu posibile probleme pentru mediu. Schimbarea debitului natural al unui râu poate destabiliza rutele de migrație ale faunei locale și poate afecta calitatea apei, printre altele.„Pumped hydro”, hydropower.org

În schimb, crearea unor legături artificiale între bazine necesită mai multă energie pentru pomparea apei; în lipsa unui surplus de energie solară sau eoliană, ar putea fi necesară folosirea surselor fosile.

Quidnet,Mai multe detalii pe quidnetenergy.com un start-up american din domeniul energiei, testează în prezent o soluție mai ieftină și potențial mai puțin nocivă pentru mediu, numită pompare geomecanică. Aceasta ar necesita un rezervor suprateran și unul subteran, sub formă de disc, situat între straturi de rocă. În perioadele de consum scăzut, apa din rezervorul de suprafață este pompată la o presiune foarte ridicată în cel subteran; când circuitul se închide, apa stocată între straturile de rocă își păstrează presiunea ridicată. Când este nevoie de electricitate, circuitul este redeschis. iar apa din rezervor țâșnește spre suprafață, trecând prin sistemul de pompe și creând energie într-un generator în drumul spre bazinul inițial.

Cealaltă soluție de stocare este, bineînțeles, cea a bateriilor. Chiar dacă costul acumulatorilor pe bază de litiu-ion a scăzut exponențial în ultimul deceniu, iar acest tip de baterie stă la baza întregii industrii de electronice contemporane, nu a existat vreun progres revoluționar în folosirea lor pentru stocarea energiei la scară largă sau pe termen lung. O companie australiană a anunțat în 2021 că vrea să construiască bateria cu cea mai ridicată capacitate din lume, de 1.200 de MW, în statul New South Wales – dar este o investiție uriașă, de 2,4 miliarde de dolari.„World’s biggest battery with 1,200MW capacity set to be built in NSW Hunter Valley”, theguardian.com/

Problema cu bateriile pe bază de litiu este că extragerea acestuia și a altor metale rare folosite în baterii poate fi foarte nocivă pentru mineri și mediul înconjurător.„Lithium-ion batteries need to be greener and more ethical”, nature.com

Concept realizat de producătorul NuScale al unei centrale nucleare formată doar din reactoare modulare mici. NuScale/Flickr

 Reactoare nucleare „gata” din fabrică

Energia nucleară este un subiect relativ complicat în discuțiile despre net zero. Deși centralele nucleare au capacitatea de a produce cantități mari de electricitate fără să emită gaze de seră, costurile ridicate de producție și întreținere, consecințele potențial devastatoare ale unor accidente și problema deșeurilor nucleare scad entuziasmul decidenților politici de a planifica extinderea rețelelor nucleare actuale.

Noile tehnologii de reactoare nucleare ar putea schimba această paradigmă. Numite reactoare modulare, acestea au dimensiuni mai mici și o capacitate de producție mai limitată decât reactoarele nucleare clasice (în general de până în 300 de MW). Avantajul este că pot fi construite pe o linie de producție și instalate ulterior în locul ales. Ceea ce nu doar că scade din costurile de construcție, dar oferă și oportunitatea instalării lor pentru a electrifica zone mai izolate.

În funcție de tehnologia nucleară pe care o folosesc, există două categorii de astfel de reactoare: reactoarele modulare mici (SMR)„What are Small Modular Reactors (SMRs)?”, iaea.org folosesc design-urile clasice ale reactoarelor pe bază de apă ușoară, în timp ce reactoarele modulare avansate (AMR) utilizează combustibili și sisteme de răcire mai neconvenționale, precum thoriul sau sarea topită.

Despre reactoarele de tip SMR se vorbește destul de mult și la noi în ultimul timp, având în vedere că după cel mai recent summit global pentru climă al ONU s-a anunțat că în România va fi instalată o astfel de centrală până în 2027. Centrala ar urma să fie construită de compania americană NuScale, unul dintre puținii producători care au ajuns în etapele de licențiere a unor astfel de reactoare. Deocamdată, singurele SMR-uri operaționale au fost instalate în centrala rusă Akademik Lomonosov, în fapt un vas care funcționează pe post de centrală nucleară plutitoare aproape de țărmul Mării Arctice.

CITEȘTE ȘI: ​​Reactoare modulare mici pentru țări medii

AMR-urile nu au depășit încă faza de concept, însă chiar și așa tehnologia este luată în considerare de guverne din toată lumea. Spre deosebire de reactoarele pe bază de apă ușoară, folosirea unor metode alternative de răcire permite și utilizarea combustibilului nuclear reciclat. Acestea putea genera și energie termică care poate fi folosită în rețelele de încălzire. În plus, atât AMR-urile cât și SMR-urile ar putea fi, în teorie, folosite și pentru producția fără emisii a hidrogenului verde.„Nuclear fuel recycling could offer plentiful energy”, anl.gov

CITEȘTE RESTUL DOSARULUI: (Aproape) totul despre Net Zero