Piotr Olszowiec na podstawie artykułu M. Murphy „Getting carbon out of thin air”, Chemistry&Industry 6/2004.

Ziemskie zasoby węgla szacowane na 8000 mld t wystarczą jeszcze na kilkaset lat i jeszcze długo będzie on tańszy od energii odnawialnej czy atomowej.

Obecne zużycie tego surowca energetycznego na świecie wynoszące ok. 6 mld t rocznie powoduje wytwarzanie podobnej ilości dwutlenku węgla. Jest to ilość znacznie przekraczająca pojemność naturalnych zbiorników mogących go gromadzić, a więc oceanów, gleby i biomasy. Wody morskie stanowią największy rezerwuar dla tego gazu cieplarnianego, lecz narastające jego wchłanianie prowadzi do stopniowej zmiany wskaźnika pH, co może wywołać nieobliczalne wręcz skutki dla fauny i flory (zwłaszcza dla raf koralowych). Dwutlenek węgla można też wtłaczać głęboko pod ziemię, m.in. w celu zwiększania wydobycia ropy naftowej i metanu – niestety pojemność również tych zbiorników jest ograniczona i mogłaby ulec wypełnieniu już po kilkunastu latach. Nową i zarazem niezwykle śmiałą koncepcję wysunęli naukowcy w końcu XX w.: gazy cieplarniane można usuwać nie tylko u źródła jego powstawania, ale także czerpiąc go wprost z atmosfery.

Eliminacja CO2 w istniejących elektrowniach pociągnęłaby ogromne koszty modernizacyjne, w projektowanych obiektach uwzględnienie tej możliwości również podniosłoby koszty inwestycyjne i zmienne. Jednak nie wszystkie źródła emisji są stacjonarne, należą do nich m.in. różnorodne środki transportu. Wyposażenie ich w instalacje pochłaniania CO2 jest i prawdopodobnie jeszcze długo pozostanie nierozwiązanym problemem. Dlatego też badacze zwrócili swe poszukiwania ku opanowaniu sposobów oczyszczania powietrza atmosferycznego przez układy przypominające gigantyczne „sztuczne drzewa”. Zatrzymywany w nich dwutlenek węgla byłby tymczasowo gromadzony, a następnie kierowany pod ziemię lub wiązany chemicznie w skałach. Właśnie ten ostatni sposób uznano za optymalne, docelowe rozwiązanie problemu.

Oczyszczanie powietrza atmosferycznego czyli po prostu wiatru, opiera się na prostej zasadzie. Powietrze przepływa przez układ wypełniony roztworem, w którym dwutlenek węgla ulega absorbcji wchodząc w chemiczną reakcję. Wydzielana substancja stała nadaje się do bezpiecznego składowania i transportu. Na pierwszy rzut oka niskie stężenie tego gazu w powietrzu mogłoby uchodzić za przeszkodę, tymczasem nawet przy umiarkowanym wietrze o prędkości 6 m/s można na bieżąco usuwać przez powierzchnię instalacji 0.2 m kw. całą produkcję dwutlenku węgla przypadającą na statystycznego mieszkańca (dane dla USA).

Jednym z proponowanych praktycznych rozwiązań takiej instalacji jest konstrukcja w kształcie żaluzji rozpostartych na wielkim wiatraku. Wlatujące przez szczeliny powietrze byłoby przemywane w strumieniu sorbentu (np. wody wapiennej) spływającego w dół budowli. Wytrącany węglan wapnia byłby odzyskiwany potem z zawiesiny gromadzącej się w zbiorniku. Koncepcja ta dość wiernie powiela technologię mokrego odsiarczania z powodzeniem stosowaną w energetyce wielu krajów, w tym i w Polsce. Wydajność takiej instalacji można zwielokrotnić upodobniając ją np. do głośnej wieży słonecznej wznoszonej obecnie w Australii. Obliczono, że ta budowla o wysokości 1 km – może wydać się to nieprawdopodobne – umożliwi usuwanie całości zbędnego CO2 z powietrza na tym kontynencie. Pomysłodawcy koncepcji „oczyszczania wiatru” skupieni wokół Klausa Lacknera, profesora inzynierii ziemi i środowiska na Uniwersytecie Columbia (USA), twierdzą, że zmniejszenie mocy generowanej przez turbiny wiatrowe wieży, wywołane przez wyhamowanie wiatru w strumieniu sorbentu, byłoby z naddatkiem skompensowane przez korzyści ekologiczne z eliminacji dwutlenku węgla.

Pomysły amerykańskich uczonych wkraczają obecnie w fazę praktycznej realizacji. Konstruktorzy z firmy Global Research Technologies w Arizonie, bracia Allen i Burton Wright przystąpili do opracowania prototypu instalacji do usuwania dwutlenku węgla z powietrza. Jej uruchomienie zaplanowano na koniec 2004 r. Proces będzie obejmował następujące reakcje chemiczne:
faza 1: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 (w roztworze) + H2O + ciepło (do wykorzystania)
faza 2: Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + NaOH+ ciepło (do wykorzystania)
faza 3: CaCO3 + ciepło = CaO + CO2 (do sekwestracji), przy czym ta ostatnia reakcja ma przebiegać w piecach cementowych.

Prototyp ma mieć kształt wspomnianego układu żaluzji o łącznej powierzchni przemywania strumienia powietrza około 10 m kw. Inne rozwiązanie przewiduje użycie siatek z włókien szklanych przypominających filtry powietrza w pojazdach. Przed konstruktorami stoją złożone zadania optymalizacji powyższych procesów. Również problemem jest zapewnienie wielkich ilości energii dla rozkładu węglanu wapnia w celu uwalniania dwutlenku węgla. Jedno z rozwiązań zakłada wykorzystanie do tego celu ciepła wydzielanego w fazach 1 i 2 procesu. Innym rozwiązaniem byłoby użycie sorbentu o mniejszej energii wiązania CO2. Wstępna kalkulacja wskazuje, że koszt usunięcia 1 tony tego gazu z powietrza wyniesie 10 do 20 USD. Do tego należy doliczyć kilka składników związanych z eksploatacją układu oraz znaczny koszt odzysku CO2 z kamienia wapiennego w cementowniach rzędu kolejnych 10-15 dolarów za tonę.

Drugie z pionierskich przedsięwzięć amerykańskich naukowców przewiduje testowanie wielkiego naturalnego zbiornika dla skroplonego dwutlenku węgla. Na polach naftowych Teapot Dome w stanie Wyoming trwają prace przygotowawcze do rozpoczęcia wprowadzania ciekłego CO2 do wyeksploatowanych złóż. Gaz ten, dostarczany z zakładów chemicznych w tymże stanie, ma wypełnić 1200 szybów o głębokości 150-2400 m. Realizacja projektu, w którym mają uczestniczyć także uczeni z innych krajów, rozpocznie się w 2006 r. i potrwa 7 do 10 lat. Koncepcja ta nawiązuje do sprawdzonej technologii wspomagania wydobycia ropy naftowej za pomocą wtłaczania do odwiertów sprężonego dwutlenku węgla. Jednak ta ostatnia metoda nie przyniosła rozwiązania wszystkich problemów związanych z przyszłym gromadzeniem tego gazu w opróżnionych złożach naftowych.

Rozpatruje się również wykorzystanie innych podziemnych zbiorników naturalnych jak np. kopalni węgla, lecz ich pojemność także jest ograniczona. Dlatego ostatecznego rozwiązania problemu Lackner upatruje w chemicznym związaniu dwutlenku węgla w skałach, z których najodpowiedniejszym minerałem wydaje się być zielony serpentyn – wodorotlenek krzemianu magnezu i żelaza o wzorze
(Mg, Fe)3Si2O5(OH)4. Wprawdzie naturalna reakcja między dwutlenkiem węgla i serpentynem trwa tysiące lat, lecz poznano już sposoby jej przyspieszania. Jednym z nich jest wtłaczanie stężonego CO2 do podziemnych złóż skał zawierających serpentyn. W zetknięciu tych związków powstawałyby węglany. Jednak w obawie przed ewentualnym wydostawaniem się CO2 przez skalne pory można proces ten przenieść na powierzchnię Ziemi, co wymagałoby kosztownego wydobycia serpentynu. Część poniesionych nakładów możnaby odzyskać sprzedając otrzymane produkty reakcji (węglany).

Procesy reakcji ulegają gwałtownemu przyspieszeniu w przypadku wcześniejszego zmielenia serpentynu – w temperaturze 600 st. C w obecności odpowiedniego katalizatora szybkość wiązania CO2 skraca się do minut. Istotnym problemem pozostaje zagospodarowanie ogromnych ilości skał wytwarzanych w wybranych miejscach w tak szybkim tempie. Obliczono, że w metodzie tej otrzymywanoby około 50 ton minerału na statystycznego mieszkańca rocznie czyli ilość znacznie większą od obecnego zużycia wszystkich surowców budowlanych. Zatem nowe skały byłyby zbędnym odpadem, na szczęście zupełnie nieszkodliwym. Niemniej jednak- pocieszają naukowcy – podobne ilości skał i tak powstaną w tychże reakcjach, chociaż dopiero w perspektywie tysięcy lat. Innym uspokajającym argumentem wysuwanym przez autorów tej koncepcji jest przekonanie, że już w nieodległej przyszłości zużycie paliw organicznych będzie coraz śmielej wypierane przez odnawialne źródła energii.