我们知道,地球的大气层就像一个温室:太阳光进入,加热空气和地面。而不是离开温室,因为他们进来,这热量被困在墙壁和天花板上,使温室变暖比外面的空气。这就像一辆汽车在一个炎热的一天:光线透过窗户自由(超过90%)获得通过,但在座椅和内饰,被吸收的能量以热能的形式再版,这窗户反射回室内。因此,热量可以进入但无法逃脱,汽车会变暖。地球温室——一个有自己的大气,毯子的空气的热量通过一个过程被称为“温室效应。“温室效应是一件好事——没有大气,地球就会约33°C (60°F)冷和地球上大部分的水是冰!气体加热地球被称为温室气体,其中最著名的是二氧化碳(写成化学有限公司₂)。

然而,太多的公司₂在我们的空气可以一件坏事。人类是负责生产大量的有限公司₂。每天我们使用化石燃料(如煤、石油或天然气,我们发现地下固体、液体或气体形式)在我们的汽车或发电厂,或者我们砍伐森林。所有这些活动结合造成的数量有限₂在我们的大气层增加地球上的5500万年以来的最高水平。温室气体的增加加热地球。温度的增加会导致气候变化,这是一个平均全球或区域气候模式的变化。科学家的项目气候变化将导致海平面上升,更强烈的热浪,极端天气,物种灭绝以及其他负面影响我们的世界。

幸运的是,有几个步骤,我们可以降低未来气候变化的影响。科学家通常把这些有用的行为(被称为“减缓气候变化”)分为三个类别:减少有限公司₂和其他有害的温室气体排放(这些气体的释放到大气中),减少到达地球表面的阳光,或删除有限公司₂从大气中。这些行动的每一个都有不同的成本,福利,和风险。是很重要的对于政府和政策制定者了解大的这些解决方案的每个部分在社会对气候变化的反应。

让我们关注二氧化碳去除(CDR)从大气中。有多少公司₂删除可能我们需要为了对抗气候变化吗?一个估计来自于政府间气候变化专门委员会(IPCC),一群来自世界各地的科学家一起工作来回答这些问题。IPCC报告包含一个严格的计划限制温度升高,这样可以减缓气候变化。这个联合国政府间气候变化专门委员会的计划包括两方面来减少我们的公司₂输出,以及如何使用CDR技术移除大气中的碳。事实上,这个计划需要CDR技术移除一个数量的有限公司₂等于全球产量的25%,到2100年。其他有限公司₂削减将来自其他行为,包括不产生新能源有限公司₂,比如风能和太阳能。图1显示有限公司₂排放可能看起来在未来如果我们采取行动减少气候变化(“减缓气候变化”)或如果我们选择不减排(“一切照旧”)。

有几种方法来执行CDR。每一种方式都有不同的成本和将消除不同数量的有限公司₂从大气中。一个想法被称为直接空气捕捉有限公司₂一个昂贵的过程,“实习医生风云”,或者删除,直接从我们呼吸的空气的二氧化碳。其他的方法去除有限公司₂从大气中包括在树木中储存更多的碳、土壤、海洋。删除一个新技术有限公司₂被称为生物能源和碳捕获和封存(BECCS)。BECCS删除有限公司₂从大气中而产生有价值的能源产品,如电力或燃料。更重要的是,BECCS还可以取代脏从化石燃料的能源生产方式。由于这些特点,科学家认为BECCS可以发挥很大的作用在减少未来的气候变化。

BECCS是如何工作的,以及为什么它移除大气中的二氧化碳吗?让我们看看这种新技术去除有害温室气体从空气使用能源植物。

人类已经从生物质发电——材料来自生物,如植物、草或树——他们的整个存在。我们称之为从生物质能源生物能源。例如,产生热量从植物早期人类使用火,就像当你建立一个篝火。今天,我们使用生物质产生热,电,或世界各地的运输燃料。生物质可以是一个无碳能源源,这意味着它不增加有限公司₂在大气中。这是因为有限公司₂生产时释放能量是一样的公司₂从空气中增加生物量(图2一个)。这个公司₂来自空气在植物生长。然而,生物质只是碳中和如果可持续增长——也就是说,如果生物质是收获后会再长出来,不会导致排放的土地(如砍伐森林)。就像风能和太阳能,生物能源可以减少公司的数量是一个重要的方法₂我们生产时创建的能量。

碳捕捉和封存(CCS)是一个公司₂管理技术来捕捉有限公司₂从源(如发电厂),传输到存储网站和商店(固)地下(2]。因此,有限公司₂排放,通常会进入大气层而地底几百年或更长时间。通过防止有限公司₂进入大气,CCS减少未来的气候变化。大多数科学家想象使用CCS在现有或未来的发电厂燃烧化石燃料(如煤、石油和天然气),减少有限公司₂这些植物排放的90%之多。虽然科学家和工程师建造CCS所需的技术,仍然有不是很多发电厂使用这种技术。在未来,我们需要CCS在我们电力系统,这使得电力和快递到我们的家庭。电力系统负责大量的世界有限公司₂排放。

生物能源和碳捕获和封存使用生物能源和CCS产生能量,消除有限公司₂从大气中(图2 b)。而不是释放有限公司₂传统的生物能源技术一样,能源生产期间,有限公司₂而是使用CCS技术捕获和存储。结果是消除电力或燃料,而不是释放,有限公司₂。BECCS不同于其他CDR技术,它产生能量,而不是只删除有限公司₂从空气中。结果,它还可以代替发电厂操作对化石燃料,如煤炭、石油、或自然气体。

能源和气候科学家,像那些在政府间气候变化专门委员会,是刚刚开始了解BECCS可以减少气候变化中的作用。IPCC所使用的计算机模型预测BECCS和其他CDR技术将会非常有用,但它们失踪几个非常重要的细节1]。例如,我们想知道有多少生物质能源生产,和它所在。这很重要,因为它告诉我们我们可以创造多少能量。我们也需要理解,我们会把二氧化碳储存于地下。这些位置地下封存可能不是在同一个地方,我们所需要的生物!最后,我们必须理解BECCS可能使用的系统,电力系统,为我们的家庭提供电力。了解和理解所有这些信息工作的是一个工程师,地质学家和其他科学家在世界各地。

得到更好的理解BECCS如何被使用,我们利用计算机模型来探索使用BECCS在北美西部的电力系统,包括美国,加拿大和墨西哥(3]。这个模型收集关于生物质所在的重要信息和可能的位置地下封存。模型还包含了重要的细节如何工程师可以计划未来的电力系统。模型中所有的信息需要大型超级计算机,计算机以一个非常高水平的计算能力。这些超级计算机可以5000万倍你的笔记本电脑!使用超级计算机可以帮助我们更好地理解BECCS比我们可以使用IPCC模型。

理解如何使用BECCS的第一步是了解多少生物质是可用的,和它所在。生物质含有更少的能量比相同数量的化石燃料,并分散在地球比从煤矿集中燃料,或石油和天然气领域。北美西部包含来自森林的生物量、农业、和我们产生的垃圾,像木头从当我们构建或拆除建筑物。生物量的供应是有限的增长能力后,我们采取的步骤,以确保我们不降低我们的土地,水,空气,土地种植植物的数量。其他科学家感兴趣从生物质能源建立模型来估算生物量的可用性。我们利用这些现有的估计来创建一个生物“供给曲线”(图3)。这供给曲线显示了可用生物量的价格和数量。生物质用于能源生产的数量使用BECCS可以填补大约10%的2050年北美西部的电力需求。

使用的数据我们可以得到我们的模型,我们探索的可能性使用BECCS减少气候变化引起的电力系统。与此同时,我们看看其他技术,如煤炭CCS,可再生能源技术(即来源不“耗尽”,如风能和太阳能)。我们发现BECCS,加上大量的可再生能源的风能和太阳能,和更少的化石燃料有限公司₂排放,可以创建一个电力系统2050年在北美西部,比它把二氧化碳从空气中。这些二氧化碳消除电力系统未来将依赖可再生资源,包括生物量、高达88%的发电量在2050年(图4)。最多的电力将来自风能。剩余的电力将由化石燃料发电厂,特别是那些使用天然气和CCS。

更重要的是,自从BECCS删除公司吗₂从大气中,它可能会让一些公司₂化石燃料排放的继续在未来。由于减排从我们的汽车和工厂可以贵,BECCS可能降低减缓气候变化的成本。然而,CDR的数量是有限的,多少生物质是可用的。

尽管BECCS的承诺,仍然存在一些风险和不确定性,在未来科学家们需要理解。一个关键问题是生物质BECCS所需的可持续性。努力种植更多的植物或增加生物可用性可以在负面影响我们的环境。种植更多的植物可以增加对水的需求,土地,和肥料。例如,获得足够的植物来满足我们供应估计可能需要大小的一块土地西维吉尼亚州的国家!另一个风险是,地下储存有限公司₂可能不会永远持续下去。二氧化碳封存CCS可能泄漏到大气中,导致气候变化。

然而BECCS最大的不确定性,是我们几乎没有建筑经验和操作这些系统。谁会想要建立这些设施?我们想建立他们多大?我们如何确保他们赚钱?他们会花多少钱?政府如何支持这个技术?在未来,我们需要确保BECCS技术有效地工作,不会花费太多,很容易构建和使用。通过这样做,明天的科学家和工程师可以使这项技术成为现实。

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引用

[1]↑联合国政府间气候变化专门委员会。2014年。IPCC WGIII第五次评估报告——2014年减缓气候变化。可以在:http://mitigation2014.org/

[2]↑Smit, B。雷蒙,j . R。奥尔登堡,c . M。村镇,i c . 2014。碳捕捉和封存的介绍。世界科学。可以在:http://www.worldscientific.com/sda/1043/intro-carbon-capture-sequestration.pdf

[3]↑桑切斯,d . L。纳尔逊,j . H。约翰斯顿,J。Mileva,。卡门,d . m . 2015。生物质能使过渡到一个“减碳发电系统在北美西部。Nat,爬。常,5:230 - 234。doi: 10.1038 / nclimate2488