Если мы собираемся ограничить глобальное повышение температуры на 2 градуса выше доиндустриального уровня, как указано в Парижском соглашении по климату, потребуется гораздо больше, чем переход на углеродно-нейтральные источники энергии, такие как как ветер и солнце. Для этого потребуются технологии с отрицательным выбросом углерода, в том числе источники энергии, которые фактически снижают уровень углекислого газа в атмосфере.
Хотя большинство исследователей климата и активистов согласны с тем, что для выполнения условий цели Парижского соглашения потребуются решения с отрицательным выбросом углерода, до сих пор большинство из этих решений рассматривались как непрактичные в ближайшей перспективе, особенно для крупных, страны, зависящие от угля, такие как Китай.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона и Гарвардско-китайского проекта по энергетике, экономике и окружающей среде в сотрудничестве с коллегами из Университета Цинхуа в Пекине и других учреждений в Китае, Австралии и США проанализировали техническую и экономическую целесообразность перехода Китая к производству электроэнергии с отрицательным выбросом углерода.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«В этом документе делается смелое предположение, что Китай может не только перейти к отрицательной углеродной энергии, но и сделать это экономически конкурентоспособным способом», - сказал Майкл МакЭлрой, профессор экологических исследований Гилберта Батлера в Гарварде и старший соавтор статьи.
«Система, которую мы описываем, не только предлагает углеродно-отрицательную альтернативу для производства электроэнергии в долгосрочной перспективе, но и приносит значительные краткосрочные сопутствующие выгоды для снижения загрязнения воздуха в Китае», - сказал Си Лу, доцент в Школа окружающей среды Университета Цинхуа и первый автор статьи. Лу также является бывшим аспирантом SEAS и докторантом.
Стратегия, изложенная МакЭлроем, Лу и их коллегами, включает в себя сочетание двух форм зеленой энергии: газификация угля и биоэнергии и улавливание и хранение углерода.
Биоэнергетика - один из самых важных инструментов в наборе инструментов для борьбы с выбросами углерода.
Биоэнергетика производится из лучших на планете очистителей CO2 - растений. Как многие из нас узнали в начальной школе, растения используют фотосинтез для преобразования CO2 в органический углерод и кислород. Углерод, хранящийся в растениях, может быть преобразован обратно в энергию путем сжигания (а.ка, огонь); ферментация, как при производстве этанола; или с помощью процесса, известного как газификация, при котором материалы, богатые углеродом, превращаются в монооксид углерода, водород и диоксид углерода для производства топлива и промышленных химикатов.
Процесс преобразования биомассы в энергию, а затем улавливания и хранения отходов CO2 является одной из самых обсуждаемых стратегий для получения отрицательной углеродной энергии. Это известно как BECCS, биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода. Проблема в том, что в большинстве приложений BECCS не очень эффективен и требует огромных участков земли для выращивания растений, необходимых для питания планеты, что, вероятно, приведет к глобальной нехватке продовольствия и воды.
Но что, если бы существовал способ сделать процесс более практичным и эффективным?
Лу, МакЭлрой и их международная команда нашли маловероятное решение для зеленой энергии: уголь.
«Если вы попытаетесь сделать это только с помощью биотоплива, это будет не очень эффективно», - сказал МакЭлрой.«Добавление угля обеспечивает действительно важный источник энергии. Если вы соедините биотопливо с углем и газифицируете смесь, вы сможете получить в процессе чистый источник водорода».
Моделируя различные соотношения биотоплива и угля, исследователи обнаружили, что если не менее 35 процентов смеси составляет биомасса, а отработанный углерод улавливается, вырабатываемая электроэнергия фактически снижает выбросы CO2.в атмосфере. Исследователи обнаружили, что при таком соотношении приведенная стоимость электроэнергии составит не более 9,2 цента за киловатт-час. Цена на углерод примерно в 52 доллара за тонну сделает эту систему конкурентоспособной по стоимости с нынешними угольными электростанциями в Китае.
Ключевым компонентом этой стратегии является использование растительных остатков - остатков растений после уборки урожая - в качестве биотоплива.
Сезонные сельскохозяйственные пожары, когда фермеры поджигают свои поля, чтобы очистить стерню после сбора урожая, являются основным источником загрязнения воздуха в Китае. Сбор этой стерни и использование ее в качестве биотоплива не только сократит выбросы CO2, но и значительно улучшит качество воздуха в стране. Газификация также позволяет легче удалять загрязнители воздуха из потока отходов.
Исследователи признают, что разработка системы сбора биомассы и доставки ее на электростанции потребует времени, но они утверждают, что эту систему не нужно внедрять сразу.
«Поскольку мы исследовали весь диапазон соотношений угля и биомассы, мы продемонстрировали, как Китай может постепенно двигаться в сторону все более отрицательного углеродного источника энергии», - сказал Крис П. Нильсен, исполнительный директор Гарвардско-китайский проект и соавтор исследования. «Во-первых, небольшое количество биотоплива можно использовать для сокращения чистых положительных выбросов углерода. Затем система может развиваться в направлении углеродно-нейтральной и, в конечном итоге, углеродно-отрицательной системы. Вам не нужно выполнять все с самого начала."
«Это исследование предоставляет критически важную информацию для политиков, стремящихся реализовать углеродно-отрицательные энергетические возможности в Китае», - сказал Лу.
Соавторы исследования: Лян Цао, Хайкунь Ван, Вэй Пэн, Цзя Син, Шусяо Ван, Сий Цай, Бо Шэнь и Цин Ян; ведущий автор Лу и трое других соавторов из Китая являются выпускниками Гарвардско-Китайского проекта. Он был частично поддержан грантом Гарвардского глобального института.