Wychwytywanie CO2 z powietrza i zmienianie go w kredę, czyli technologia w służbie planety, ludzi i przemysłu

Postęp to coś pięknego. Pozwala on nam bowiem wciąż się rozwijać i poprawia warunki ludzkiego życia w praktycznie wszystkich aspektach. Niestety niektóre kwestie z nim związane wpłynęły negatywnie na środowisko naturalne, powodując znaczną degradację naszej planety. Weźmy choćby masowe wycinanie drzew i ogromne ilości odpadów, które przez dziesięciolecia były, i co gorsza wciąż są, przez ludzkość produkowane. Efektem tego są zanieczyszczona gleba, woda i powietrze.

W codziennym pędzie, zaaferowani masą spraw do załatwienia, często nie mamy chwili, aby się zatrzymać. Zatrzymać i zastanowić nad otaczającym nas światem oraz przyszłością, bowiem wpływając negatywnie na środowisko, prędzej czy później sami odczujemy skutki swojego postępowania. Zdecydowanie nie jest ono pozytywne i już teraz zmagamy się z konsekwencjami, choćby w postaci globalnego ocieplenia klimatu i wspomnianych już zanieczyszczeń [1]. To wszystko sprawia, że na przykład produkcja zdrowych i wolnych od szkodliwych związków artykułów jest utrudniona, a także droższa, czego koszty ponosimy każdego dnia, robiąc zakupy.

Zanieczyszczenie powietrza ma wpływ na nas wszystkich

Po latach emisji szkodliwych związków ciężko obecnie nawet mówić o przysłowiowym oddychaniu pełną piersią. Aby dobitnie się o tym przekonać, wystarczy spojrzeć na wszelkiego rodzaju mapy smogowe, obrazujące zanieczyszczenia w poszczególnych regionach, jak np. Polski indeks jakości powietrza. Niestety można odnieść wrażenie, iż ilość „zielonych kropek”, obrazujących bardzo dobry stan powietrza, stale się coraz mniejsza [2].

Teoretycznie przyzwyczailiśmy się już do informacji na ten temat, a to „osłuchanie” spowodowało, że zapominamy o konsekwencjach tego stanu rzeczy. Te są natomiast bardzo proste: w każdej chwili my i nasi bliscy wdychamy zanieczyszczone powietrze, a każdy kolejny oddech powoduje gromadzenie się w naszych płucach oraz ciałach szkodliwych związków.

Przekłada się to oczywiście na nasz stan zdrowia, powodując m.in. bóle głowy, podrażnienie oczu i dróg oddechowych, problemy z oddychaniem, zaburzenia pracy układu krążenia i nerwowego, a nawet wyniszczenie organów wewnętrznych [3]. W ostateczności może to prowadzić nawet do śmierci i niestety w wielu przypadkach tak właśnie się to kończy. Szacuje się bowiem, że zanieczyszczenie powietrza przyczynia się aż do 46 tysięcy przedwczesnych zgonów rocznie. To są naprawdę zatrważające liczby [4]. Te dane chyba wystarczająco obrazują skalę problemu i to, jak ważne jest podjęcie odpowiednich środków, aby zanieczyszczeniom m.in. powietrza przeciwdziałać.

Postęp nie oznacza degradacji środowiska

Tytuł tego rozdziału może wydawać się stać nieco w opozycji do tego, co napisane wcześniej, jednak w istocie wcale tak nie jest. W dużej mierze zanieczyszczenie powietrza, z którym walczymy obecnie, jest spuścizną po dotychczasowym nierozważnym rozwoju przemysłu, który jest przecież jednym z filarów postępu. W ostatnich czasach sytuacja ta uległa jednak znacznej zmianie i m.in. w ramach tzw. Przemysłu 4.0 wdrażane są rozwiązania choć częściowo niwelujące szkodliwy wpływ procesów produkcyjnych na przyrodę. Znacznie wzrosła również świadomość społeczna w zakresie dbania o środowisko naturalne, a dzięki licznym inicjatywom wdrażane są coraz to nowe sposoby na redukcje emisji szkodliwych związków, w tym CO2.

Dużą w tym zasługę mają poszczególne równolegle rozwijane rozwiązania technologiczne, które razem pomagają niwelować efekty konkretnych procesów. Jedną z takich technologii jest wprowadzane właśnie 5G. Dlaczego? Otóż sprzęty działające w oparciu o bezprzewodową transmisję danych są integralną częścią wspomnianych procesów. Chodzi bowiem o całą flotę urządzeń w postaci wszelkiej maści czujników, kamer, komputerów i łączących je systemów, umożliwiających monitorowanie, analizowanie (m.in. dzięki Big Data), a w efekcie ograniczanie szkodliwości przemysłowej.

Co więcej, technologia 5G oraz ogólny postęp technologiczny sprzyjają rozwojowi nauki m.in. w dziedzinie ochrony środowiska. Daje to naukowcom i badaczom większe możliwości opracowywania kolejnych sposobów na to, aby ludzkość nie degradowała już tak środowiska. Problem jednak w tym, że nie chodzi już jedynie o niwelowanie skutków bieżących procesów. Jak już bowiem wspomniałam, przez dziesięciolecia nierozsądnej eksploatacji naszej planety i zanieczyszczania jej, w środowisku zgromadziły się już ogromne ilości śmieci oraz szkodliwych związków. Poza zapobieganiem dalszym problemom, musimy więc równocześnie uporać się z tym, co już się stało. Na szczęście, na to również są sposoby.

Jak wspomniałam, jednym z największych obecnie problemów w kontekście poprawy kondycji środowiska naturalnego, a tym samym naszych warunków życia, jest obecność ogromnych ilości CO2 w powietrzu. Niestety, jak zwykle łatwiej jest powiedzieć niż zrobić i nie chodzi o to, że dotychczas nikt nie zajmował się zagadnieniem oczyszczania powietrza ze znajdujących się już w nim zanieczyszczeń.

Zdrowe powietrze i technologia – jest drogo

Od lat trwają zintensyfikowane wysiłki naukowców z całego świata w celu stworzenia odpowiednich rozwiązań. Co więcej, są już na tym polu sukcesy, jednak metody te wciąż nie są wdrażane na szeroką skalę. Głównymi powodami tego stanu rzeczy są pieniądze oraz ogólnie pojęta logistyka.

Najlepszym tego przykładem jest jedno z pierwszych w pełni funkcjonujących urządzeń do wychwytywania CO2 z powietrza. Nosi ono nazwę Orca i powstało w drugiej połowie 2021 roku na Islandii, a stoi za nim szwajcarska firma Climeworks. Choć urządzenie działa sprawnie, to niestety ma kilka wad, które są kluczowe w kwestii popularyzacji tego rozwiązania. Podstawy jego działania są w teorii proste, bowiem Orca funkcjonuje w oparciu o wielkie, ustawione w półokrąg wentylatory zasysające powietrze, które jest następnie podgrzewane przez kolejne maszyny. W trakcie tego procesu odfiltrowywany jest dwutlenek węgla, który po wymieszaniu z wodą trafia głęboko pod ziemię, gdzie po ochłodzeniu zastyga. W czym więc problem, skoro wszystko w teorii działa?

Otóż Orca była budowana aż osiemnaście miesięcy, zanim została uruchomiona, więc dość długo. Kolejną kwestią jest znalezienie odpowiednio odsłoniętego i dostatecznie dużego obszaru na ustawienie całej maszynerii (Orca stoi obecnie u podnóży islandzkich wulkanów). Wystarczy do tego dodać, że same wentylatory urządzenia są umiejscowione w specjalnych skrzyniach, a każdy z nich jest wielkości kontenera. Trzecią sprawą, w tym przypadku chyba najistotniejszą, jest wydajność. Orca jest bowiem w stanie wychwytywać 4 tysiące ton dwutlenku węgla rocznie. Choć z pozoru wydaje się to dużo, to w praktyce jest to taka ilość CO2, jaką ludzkość emituje do atmosfery w ciągu kilku sekund.

Tak więc urządzenie jest sprawne, ale przedsięwzięcie jest długie w przygotowaniu, problematyczne w kwestii lokalizacji i mało wydajne w stosunku do ogólnego problemu. Należy też zaznaczyć, że obecnie jest to i tak najwydajniejsze z funkcjonujących obecnie urządzeń tego typu [5]. Co więcej, koszt pozyskiwania CO2 z atmosfery za pomocą tego urządzenia jest bardzo wysoki i wynosi obecnie około 600 dolarów za tonę.

Ale będzie bardziej opłacalnie, przystępnie i nie tylko

Generalnie wspomniane koszty ekstrakcji dwutlenku węgla z powietrza są kwestią kluczową i rozwiązania te nie zostaną rozpowszechnione, jeśli ich rentowność się nie zwiększy. Wszak mowa tu o milionowych inwestycjach i nie każdy podmiot jest w stanie sprostać tak wysokim wymaganiom. Sposobem na to jest więc komercjalizacja takich przedsięwzięć. W jaki sposób?

Najprościej poprzez przekształcenie pozyskanego materiału w coś, co można sprzedać. Jedną z najbardziej zaawansowanych technologii w tym zakresie opracowała kanadyjska firma Carbon Engineering, wspierana w swoich działaniach przez fundację Bila Gatesa. Pierwsza z próbnych instalacji firmy powstała w Kolumbii Brytyjskiej w 2015 roku i od tego czasu prace nad zwiększeniem rentowności oraz wydajności urządzenia działania przyniosły już znaczne efekty.

Firma twierdzi, że w zależności od warunków jest w stanie zmniejszyć koszty do przedziału pomiędzy 94 a 232 dolary za tonę. Co więcej, naukowcy pracujący w Carbon Engineering chcą w przyszłości przerabiać pozyskany w ramach swoich instalacji dwutlenek węgla w paliwo. W dodatku nie byle jakie, a o niskiej zawartości węgla. Według oficjalnych informacji już teraz firma posiada zaprojektowaną technologię, która będzie pozwalać na produkcję jednej baryłki paliwa już za jednego dolara [6]. Choć do rozpoczęcia takiej produkcji jeszcze trochę czasu minie, to zaprojektowane przez firmę rozwiązania już teraz są wdrażane przez inne podmioty, które nawiązały współpracę Carbon Engineering.

W ramach jednego z takich projektów powstaje obecnie „wielkoskalowy zakład bezpośredniego wychwytywania powietrza”, w skrócie DAC. Jego uruchomienie planowane jest na 2024 rok i według oczekiwań ma wychwytywać do 500 000 ton metrycznych CO2 rocznie. Do tego ma mieć możliwość składowania nawet do miliona ton w tym samym czasie. Pozostaje nam więc mieć nadzieję, że przedsięwzięcie okaże się sukcesem, który pozwoli na dalsze propagowanie podobnych rozwiązań [7]. Jeśli jednak myślicie, że to jedyne intratne pomysły w tym zakresie, to się mylicie.

Zmiana CO2 w kredę i jej sprzedaż – nowe rozwiązanie może zawojować świat

Na podobny pomysł co poprzednicy wpadli też naukowcy z Uniwersytetu Cornell w USA. Tamtejsi badacze również chcą dołożyć swoją cegiełkę do ochrony środowiska, zdając sobie jednak sprawę ze stojących przed nimi wyzwań. Na ich czele stoi Greeshma Gadikota z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska, która zajmuje się właśnie zagadnieniami związanymi z wychwytywaniem dwutlenku węgla z powietrza, a następnie przekształcaniem go w wartościowe czynniki. Co ciekawe, badaczka pracuje obecnie równolegle nad kilkoma zagadnieniami z tymi procesami powiązanymi, a każdy z nich jest innowacyjny.

Pierwszym z nich i poniekąd najbardziej podstawowym, jest wychwytywanie CO2 z powietrza oraz bezpośrednio z gazów spalinowych w przedsiębiorstwach. W następnym kroku używa się tzw. procesu krystalizacji reaktywnej, w którego wyniku pozyskane z atmosfery CO2 jest przekształcane w węglan wapnia i kredę. Te natomiast mogą być cennymi materiałami, bowiem są wykorzystywane przez wiele branż w procesach produkcyjnych. Dodatkowo ten sam proces może w przyszłości być wykorzystywany także w produkcji żelaza czy stali, które również są bardzo pożądane na wielu rynkach.

Co więcej, możliwość pozyskiwania surowców jako efektu końcowego ekstrakcji dwutlenku węgla z powietrza to nie tylko sposób na komercjalizację tych rozwiązań i minimalizację kosztów, np. dzięki sprzedaży uzyskanych zasobów. Opracowana przez badaczy technologia jest bowiem stosunkowo komfortowa w implementacji w samych przedsiębiorstwach. Firmy ją stosujące mogą stać się natomiast nie tylko neutralne emisyjnie, ale nawet pochłaniać więcej CO2 niż wytwarzają, a w wyniku oczyszczania gazów z własnych procesów będą w stanie pozyskiwać surowce możliwe do dalszego wykorzystania we własnej działalności.

Wychwytywanie CO2 z powietrza a nanotechnologia

Jak przyznaje sama badaczka, w teorii brzmi to dość prosto, jednak chemia stojąca za tą technologią jest bardzo złożona. Opracowane rozwiązania są na szczęście na tyle atrakcyjne, że do Uniwersytetu Cornell, w którym pracują naukowcy, już teraz zgłaszają się podmioty i firmy zainteresowane ich wdrożeniem we własnych placówkach. To natomiast jest najlepszym dowodem intratności całego przedsięwzięcia. Badacze jednak nie spoczywają na laurach, a stojąca na ich czele Greeshma Gadikota ma ambicję stworzyć także cement, prawie całkowicie z przetworzonego węgla i innych materiałów odpadowych. Pozwoliłoby to oczyszczać powietrze, jednocześnie wspierając przemysł i budownictwo. A to wciąż nie koniec.

Badaczka prowadzi także wspólny projekt wraz z naukowcem Yong L. Joo, który jest specjalistą w dziedzinie inżynierii chemicznej i biomolekularnej. Ich celem jest stworzenie systemu reaktorów, za pomocą których możliwe będzie nadawanie w nanoskali określonych, precyzyjnych kształtów cząsteczkom węglanów z pozyskanego z powietrza CO2. Nanotechnologia jest jedną z najprężniej rozwijających się obecnie dziedzin i w uproszczeniu pozwala uzyskać materiały o określonych właściwościach.

Sukces wspólnych wysiłków dwojga naukowców umożliwi więc rozszerzenie zastosowania wspomnianej ekstrakcji CO2 z powietrza również m.in. w produkcji papieru. Sama badaczka mówi wprost: „jeśli zdołamy uzyskać szeroką kontrolę nad dostrajaniem w tych procesach, możemy zacząć zaspokajać potrzeby przemysłu. (…) To jest ważne. Chcemy rozwiązań, z których mogą korzystać firmy, które dają ludziom do myślenia i które są gotowe do wdrożenia w stosunkowo krótkim czasie” [8].

Oddychaj

To, że wpływ ludzkości na naszą planetę był dotychczas negatywny, praktycznie nie budzi wątpliwości. Ważne jednak, że przyszedł czas, gdy przynajmniej część z nas już to zrozumiała i dostrzegła problemy, które swoim postępem spowodowaliśmy. Dzięki temu naukowcy i specjaliści z całego świata zintensyfikowali swoje działania, aby zapewnić nam lepsze jutro. Jednym z przejawów są właśnie technologie mające na celu wychwytywanie z powietrza szkodliwego dwutlenku węgla.

Co więcej, pokonano już liczne przeszkody stojące na drodze do powszechnej implementacji tego typu rozwiązań, dzięki czemu być może już w niedługiej przyszłości będziemy się cieszyć znacznie czystszym powietrzem. Dbanie o ten aspekt nie tylko nie będzie już zbyt kosztowne, ale stanie się wręcz opłacalne, wspomagając przy okazji dalszy rozwój przemysłu, a tym samym nasz postęp. Tym razem jednak bez szkodzenia przyrodzie, planecie i nam samym.