Kan det verkligen fungera att suga ut CO2 ur atmosfären?

Fysikern Peter Eisenberger hade förväntat sig att kollegor skulle reagera på hans idé med skepsis. Han hävdade trots allt att han hade uppfunnit en maskin som kunde rena atmosfären från dess överskott av koldioxid, göra gasen till bränsle eller lagra den under jord. Och forskaren från Columbia University var medveten om att namngivningen av hans tvååriga startup Global Thermostat inte precis hade varit en ödmjukhetsövning.

Men mottagandet våren 2009 hade varit ännu mer avvisande än vad han hade räknat med. Först talade han med en särskild kommitté som sammankallats av American Physical Society för att se över möjliga sätt att minska koldioxiden i atmosfären genom så kallad luftinfångning, vilket i huvudsak innebär att skrubba den från himlen. De lyssnade artigt på hans presentation men ställde knappt några frågor. Några veckor senare talade han vid U.S. Department of Energys National Energy Technology Laboratory i West Virginia för en lika skeptisk publik. Eisenberger förklarade att hans labbs forskning involverar kemikalier som kallas aminer som redan används för att fånga upp koncentrerad koldioxid som släpps ut från fossilbränslekraftverk. Samma aminbaserade teknologi, sa han, visade också potential för den mycket svårare och ambitiösa uppgiften att fånga upp gasen från det fria, där koldioxid finns i koncentrationer på 400 ppm. Det är upp till 300 gånger mer diffust än i kraftverks skorstenar. Men Eisenberger hävdade att han hade en enkel design för att uppnå bedriften på ett kostnadseffektivt sätt, delvis på grund av hur han skulle återvinna aminerna. Det registrerades inte ens, minns han. Jag kände att många pissade på mig.

CTO och medgrundare Peter Eisenberger framför Global Thermostats luftfångande maskin.

Dagen efter ringde dock en chef från labbet honom upphetsat. DOE-forskarna hade insett att aminprover som satt runt labbet hade bundit med koldioxid vid rumstemperatur - ett faktum som de inte hade uppskattat mycket fram till dess. Det betydde att Eisenbergers tillvägagångssätt för luftfångst åtminstone var genomförbart, säger en av DOE-labbets kemister, Mac Gray.

Fem år senare har Eisenbergers företag samlat in 24 miljoner dollar i investeringar, byggt en fungerande demonstrationsanläggning och gjort affärer för att förse minst en kund med koldioxid som skördats från himlen. Men nästa utmaning är att bevisa att tekniken kan ha en transformativ inverkan på världen, som anstår hans företags namn.

Behovet av en kolsugande maskin är lätt att se. De flesta tekniker för att lindra koldioxid fungerar endast där gasen släpps ut i stora koncentrationer, som i kraftverk. Men luftinfångningsmaskiner, installerade var som helst på jorden, skulle kunna hantera de 52 procent av koldioxidutsläppen som orsakas av distribuerade, mindre källor som bilar, gårdar och hem. För det andra kan luftinfångning, om det någonsin blir praktiskt, gradvis minska koncentrationen av koldioxid i atmosfären. När utsläppen har accelererat – de ökar nu med 2 procent per år, dubbelt så snabbt som de gjorde under de senaste tre decennierna av 1900-talet – har forskare börjat inse att det är brådskande att uppnå så kallade negativa utsläpp.

Det uppenbara behovet av tekniken har lockat flera andra försök att komma på olika tillvägagångssätt som kan vara praktiska. Till exempel, Climate Engineering, baserat i Calgary, fångar kol med hjälp av en flytande lösning av natriumhydroxid, en väletablerad industriell teknik. Ett företag som grundades av en tidig pionjär bakom idén, Eisenbergs Columbia-kollega Klaus Lackner, arbetade med problemet i flera år innan han gav upp 2012.

Negativa utsläpp behövs definitivt för att återställa atmosfären med tanke på att vi kommer att vida överskrida alla säkra gränser för CO2, om det finns en. Frågan i mitt sinne är, kan det göras på ett ekonomiskt sätt?

En rapport som släpptes i april av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar säger att för att undvika det internationellt överenskomna målet om 2 °C global uppvärmning kommer det sannolikt att kräva global utbyggnad av strategier för borttagning av koldioxid som luftavskiljning. (Se Kostnaden för att begränsa klimatförändringarna skulle kunna fördubblas utan Carbon Capture Technology .) Negativa utsläpp behövs definitivt för att återställa atmosfären med tanke på att vi kommer att vida överskrida alla säker gränser för CO2, om det finns en, säger Daniel Schrag, direktör från Harvard University Center for the Environment. Frågan i mitt sinne är, kan det göras på ett ekonomiskt sätt?

De flesta experter är skeptiska. (Se What Carbon Capture Can’t Do .) En rapport från 2011 från American Physical Society identifierade viktiga fysiska och ekonomiska utmaningar. Det faktum att koldioxid binder med aminer och bildar en molekyl som kallas karbamat, är välkänd kemi. Men koldioxid representerar fortfarande bara en av 2 500 molekyler i luften. Det betyder att en effektiv luftinfångningsmaskin skulle behöva trycka stora mängder luft förbi aminer för att få tillräckligt med koldioxid för att hålla fast vid dem och sedan regenerera aminerna för att fånga upp mer. Det skulle kräva mycket energi och därmed bli mycket dyrt, sade 2011 års rapport. Det är därför den drog slutsatsen att luftfångst för närvarande inte är en ekonomiskt lönsam metod för att mildra klimatförändringarna.

Människorna på Global Thermostat förstår denna skrämmande ekonomi men förblir trotsigt optimistiska. Sättet att göra luftfångst lönsamt, säger Graciela Chichilnisky, medgrundare av Global Thermostat, ekonom och matematiker vid Columbia University, är att dra fördel av efterfrågan på gasen från olika industrier. Det finns redan en väletablerad miljarddollarmarknad för koldioxid, som används för att föryngra oljekällor, göra kolsyrade drycker och stimulera växttillväxt i kommersiella växthus. Historiskt sett säljs gasen för cirka 100 dollar per ton. Men Eisenberger säger att hans företags prototypmaskin kan utvinna ett koncentrerat ton av gasen för mycket mindre än så. Tanken är att först sälja koldioxid till nischmarknader, såsom återvinning av oljekällor, för att så småningom skapa större, som att använda katalysatorer för att tillverka bränslen i processer som drivs av solenergi. När det är lönsamt att fånga kol från luften kommer människor som agerar i sitt eget intresse att få det att hända, säger Chichilnisky.

Värmer upp

Eisenberger och Chichilnisky var kollegor på Columbia 2008 när de insåg att de hade kompletterande intressen: hans i energi, och hennes i miljöekonomi, inklusive arbete för att hjälpa till att forma Kyotoprotokollet från 1991, det första globala fördraget om att minska utsläppen. Nationer hade lovat stora nedskärningar, säger Chichilnisky, men ekonomiska och politiska realiteter hade inte gett något sätt att genomföra det. Paret bestämde sig för att skapa ett företag för att tackla koldioxidutmaningen.

De fokuserade på luftinfångning, som först utvecklades av nazistiska forskare som använde flytande sorbenter för att ta bort ansamlingar av CO2 i ubåtar. Vintern 2008 beslagtog Eisenberger sig i ett lugnt hus med stora glasfönster med utsikt över havet i Mendocino County, Kalifornien. Där studerade han befintlig litteratur om att fånga kol och fattade ett avgörande beslut. Forskare som utvecklar tekniker för att fånga upp CO2 har hittills försökt arbeta vid höga koncentrationer av gasen. Men Eisenberger och Chichilnisky fokuserade på en annan term i dessa ekvationer: temperatur.

Ingenjörer har tidigare använt aminer för att skrubba CO2 från rökgaser, vars temperaturer är runt 70 °C när de lämnar kraftverk. Att därefter avlägsna CO2 från aminerna – regenerering av aminerna – kräver i allmänhet reaktioner vid 120 °C. Däremot beräknade Eisenberger att hans system skulle fungera vid ungefär 85 °C, vilket kräver mindre total energi. Det skulle använda relativt billig ånga för två ändamål. Ångan skulle värma ytan, driva bort CO2 från aminerna som skulle samlas upp, samtidigt som den blåste bort CO2 från ytan.

Även om luftinfångning någon gång skulle visa sig vara lönsam, är om det bör skalas upp en annan fråga.

Resultatet? Med mindre infrastruktur för värmehantering än vad som krävs med aminer i skorstenar i kraftverk skulle designen av en skrubber kunna bli enklare och därför billigare. Med hjälp av data från sin prototyp räknar Eisenbergers team att tillvägagångssättet kan kosta mellan $15 och $50 per ton koldioxid som fångas upp från luft, beroende på hur länge aminytorna håller.

Om Global Thermostat kan uppnå någonstans i närheten av de priser som den säljer, lockar ett antal nischmarknader. Startupen har samarbetat med ett Carson City, Nevada-baserat företag som heter Algae Systems för att tillverka biobränslen med koldioxid och alger. Samtidigt ökar efterfrågan på koldioxid för att injicera i utarmade oljekällor, en teknik som kallas förbättrad oljeutvinning. En studie uppskattar att applikationen kan kräva så mycket som 3 miljarder ton koldioxid årligen till 2021, en nästan tiofaldig ökning jämfört med 2011 års marknad.

Det representerar fortfarande en droppe i hinken när det gäller de mängder som behövs för att minska eller till och med stabilisera koncentrationen av CO2 i atmosfären. Men Eisenberger säger att det egentligen inte finns några alternativ till luftfångst. Att helt enkelt fånga upp koldioxidutsläpp från koleldade kraftverk, säger han, förlänger bara samhällets beroende av kolintensivt kol.

Sug upp det

Det är en varm decembereftermiddag i Silicon Valley när Eisenberger och jag tar oss igenom SRI Internationals betongforskningscenter. Det är i dessa låga byggnader där ingenjörer först demonstrerade ARPAnet, Apples Siri-programvara och otaliga andra tekniska framsteg. Cirka en kvartsmil från ingången kommer ett 40 fot högt torn av fläktar, stål och silverrör till syne. Detta är Global Thermostat-demonstrationsanläggningen. Det är imponerande och rent. Eisenberger stirrar på den tysta scenen runt tornet, som inkluderar ett högt träd. Den gör precis vad trädet gör, säger Eisenberger. Men sedan rättar han sig. Tja, faktiskt, det gör det mycket bättre.

Efter att Eisenberger tog en doktorsexamen i fysik 1967 vid Harvard, följde studier vid Bell Labs, Princeton och Stanford. På Exxon på 1980-talet ledde han arbetet med solenergi och var sedan chef för Lamont-Doherty, geovetenskapslaboratoriet i Columbia. Där har han undervisat i ett mångårigt seminarium kallat The Earth/Human system. Det var på det seminariet, 2007, med Lackner som gästföreläsare, som Eisenberger första gången hörde talas om luftfångst. Efter ett års förberedelser nådde han och Chichilnisky ut till miljardären Edgar Bronfman Jr. Ibland när man hör något som måste vara för bra för att vara sant är det för att det är det, var Bronfmans reaktion, enligt hans son, som var närvarande på mötet. Men ättlingen bönföll sin far: Om de har rätt är detta en av de största möjligheterna som finns. Familjen investerade 18 miljoner dollar.

Den omfattningen har gjort det möjligt för företaget att bygga sin demonstration trots i princip inget federalt stöd för forskning om luftfångst. (Global Thermostat valde SRI som sin plats på grund av anläggningens tidigare erfarenhet av kolfångningsteknik.) Det rektangulära tornet använder fläktar för att dra in luft över alternerande 10 fot breda ytor som kallas kontaktorer. Var och en består av 640 keramiska kuber inbäddade med aminsorbenten. Tornet höjer en kontaktor när en annan sänks. Det gör att kuberna i den ena kan samla upp CO2 från den omgivande luften medan den andra avlägsnas från gasen genom applicering av ånga, vid 85 °C. För nu ventileras den gasen helt enkelt, men beroende på kunden kan den injiceras i marken, transporteras med rör eller överföras till en kemisk fabrik för industriell användning.

En viktig utmaning som företaget står inför är robustheten hos de aminabsorberande ytorna. De tenderar att sönderfalla snabbt när de oxideras, och att ofta byta ut sorbenterna kan göra processen mycket mindre kostnadseffektiv än Eisenbergers projekt.

Falskt hopp

Ingen av världens tusentals kolanläggningar har utrustats för fullskalig avskiljning av deras kolföroreningar. Och om det inte är ekonomiskt att använda i kraftverk, med sin koncentrerade koldioxidkälla, verkar utsikterna att fånga den ur luften vara svaga för många experter. Det finns egentligen liten chans att du kan fånga upp CO2 från omgivande luft billigare än från en kolanläggning, där rökgasen är 300 gånger mer koncentrerad, säger Robert Socolow, chef för Princeton Environment Institute och meddirektör för universitetets initiativ för att minska koldioxidutsläppen. .

Att öka skepsisen kring genomförbarheten av luftfångst är att det finns andra, billigare sätt att skapa de så kallade negativa utsläppen. Ett mer praktiskt sätt att göra det, säger Schrag, skulle involvera att utvinna bränsle från biomassa - som tar bort CO2 från atmosfären när den växer. När råvaran fermenteras i en reaktor för att skapa etanol, producerar den en ström av ren koldioxid som kan fångas upp och lagras under jord. Det är en beprövad teknik och har testats på en handfull webbplatser över hela världen.

Även om luftfångst någon gång skulle visa sig lönsamt, oavsett om det skall skalas upp är en annan fråga. Säg att ett solkraftverk byggs utanför ett befintligt kolverk. Ska energin som den nya solenergianläggningen producerar användas för att suga ut kol ur atmosfären, eller för att tillåta att kolanläggningen stängs av genom att ersätta dess energiproduktion? Det senare är mycket mer vettigt, säger Socolow. Han och andra har en annan oro för luftfångst: att påståenden om dess genomförbarhet kan skapa självbelåtenhet. Jag vill inte att vi ska ge folk det falska hoppet att luftavskiljning kan lösa problemet med koldioxidutsläpp utan ett starkt fokus på att [minska användningen av] fossila bränslen, säger han.

Eisenberger och Chichilnisky är stenhårda på vikten av att suga ut CO2 ur atmosfären snarare än att helt fokusera på att fånga upp det från kolkraftverk. Under 2010 utvecklade paret en version av sin teknologi som blandar luft med rökgas från ett kol- eller gaseldat kraftverk. Den metoden ger en källa till ånga samtidigt som den fångar upp både atmosfäriskt kol och nya utsläpp. Det kan också sänka kostnaderna genom att tillhandahålla en högre koncentration av CO2 för maskinen att fånga upp. Det är ett mycket imponerande system, en triumf, säger Socolow, som tror att de vetenskapliga framstegen inom luftfångst så småningom kommer att användas främst på kol- och gaskraftverk.

En sådan tillämpning skulle kunna spela en avgörande roll för att sanera utsläppen av växthusgaser. Men Eisenberger har avslöjat ännu högre mål. Ett patent som beviljades honom och Chichilnisky 2008 beskrev luftfångningsteknik som bland annat en global termostat för att kontrollera medeltemperaturen i en planets atmosfär.

Eli Kintisch är korrespondent för Vetenskap tidskrift.

Dölj