Ο πλανήτης Γη βρίσκεται σε κίνδυνο. Η ανθρωπογενής δραστηριότητα έχει επιφέρει σημαντικές αλλαγές στο οικοσύστημά μας, οι οποίες το καθιστούν επικίνδυνο για την επιβίωση μας. Χαρακτηριστικά φαινόμενα που αντικατοπτρίζουν την κατάσταση αυτή είναι το λιώσιμο των πάγων στους πόλους και τα ακραία καιρικά φαινόμενα που μαστίζουν ολόκληρες περιοχές του πλανήτη. Το αποτέλεσμα των φαινομένων αυτών θα είναι η δημιουργία αφιλόξενων συνθηκών για την ανθρώπινη ζωή. Δεν μπορούμε επομένως να ορίσουμε την παρούσα κατάσταση ως “καταστροφή του περιβάλλοντος”, διότι το ίδιο θα συνεχίσει να υφίσταται, έχοντας βεβαίως μεταβληθεί ριζικά. Για τον λόγο αυτόν, η κατάσταση ορθότερα χαρακτηρίζεται ως “κλιματική αλλαγή”. Ακρογωνιαίος λίθος της αποτελεί το φαινόμενο του θερμοκηπίου, του οποίου άμεση συνέπεια αποτελεί η “παγκόσμια θέρμανση” (global warming). Αυτό οφείλεται στον εμπλουτισμό της ατμόσφαιρας με αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και το μεθάνιο (CH₄), τα οποία συντελούν στην αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη.

Τα περιβαλλοντολογικά ζητήματα έχουν απασχολήσει κατά κόρον, όχι μόνο την κοινή γνώμη, αλλά κυβερνήσεις και διεθνείς οργανισμούς. Ανάμεσα σε αυτούς, δεσπόζουσα θέση καταλαμβάνει η Διακυβερνητική Διάσκεψη του ΟΗΕ για το Κλίμα (Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC), η οποία ιδρύθηκε με σκοπό να ορίζει με αντικειμενικότητα το υπόβαθρο πάνω στο οποίο συντονισμένα η ανθρωπότητα θα αντιμετωπίσει το ζήτημα των κλιματικών αλλαγών. Δεν διεξάγει ή χρηματοδοτεί ερευνητικά προγράμματα, αλλά γνωστοποιεί και ενημερώνει για τις πρόσφατες επιστημονικές, τεχνικές και κοινωνικοοικονομικές βιβλιογραφικές εξελίξεις. Οι αναφορές που εκδίδει ανά τακτά χρονικά διαστήματα είναι ουδέτερες από κυβερνητικές και ιδιωτικές σκοπιμότητες.[1] Η επιτροπή το 2007 μοιράστηκε με τον Al Gore το βραβείο Νόμπελ Ειρήνης “για την προσπάθειά τους να αντληθεί γνώση σχετικά με τις κλιματικές αλλαγές που προκλήθηκαν από τον ανθρώπινο παράγοντα και για το ότι έβαλαν τα θεμέλια για τα μέτρα που πρέπει να ληφθούν για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών”.

Στην εικόνα 1 παρατηρούμε την μέση αύξηση της θερμότητας ανά την υφήλιο για την χρονική περίοδο 1995-2004, σε σύγκριση με τις θερμοκρασίες της περιόδου 1940-1980. Η μέση αύξηση είναι 0.42^oC και αποτελεί μια παράμετρο του φαινομένου της παγκόσμιας θέρμανσης. Όπως αναφέραμε παραπάνω, το διοξείδιο του άνθρακα αποτελεί μια από τις αιτίες της αύξησης της μέσης θερμότητας του πλανήτη.

Ήδη από το 1908, στο βιβλίο του Worlds in the Making, ο Svante Arrhenius είχε προβλέψει ότι η απελευθέρωση CO₂ στην ατμόσφαιρα από βιομηχανικές πηγές θα αύξανε την μέση θερμοκρασία του πλανήτη.

Μελέτες που έγιναν στον ρωσικό επιστημονικό σταθμό του Vostok στον Νότιο Πόλο απέδειξαν την άμεση συσχέτιση της θερμοκρασίας με την συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα (εικόνα 2). Ανά 100.000–150.000 χρόνια, παρατηρείται αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη η οποία ακολουθεί την ίδια τάση (trend) με την συγκέντρωση του CO₂ στην ατμόσφαιρα.[2]

Από τα παραπάνω γίνεται άμεσα κατανοητό ότι η μείωση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα αποτελεί μείζων ζήτημα της εποχής μας. Το 2005, η IPCC εξέδωσε μια αναλυτικότατη αναφορά πάνω στην βραχυπρόθεσμη αλλά και μακροπρόθεσμη κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθηθεί για την αντιμετώπιση του προβλήματος. Η διαδικασία περιγράφεται ως “Δέσμευση και Αποθήκευση Διοξειδίου του Άνθρακα” (Carbon dioxide Capture and Storage – CCS). Η CCS περιλαμβάνει την δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα από βιομηχανικές και ενεργειακά σχετιζόμενες πηγές και μεταφορά του σε συγκεκριμένες περιοχές αποθήκευσης, έχοντας ως απώτερο σκοπό την μακροπρόθεσμη απομόνωση από την ατμόσφαιρα.

Το στάδιο της δέσμευσης περιλαμβάνει τον διαχωρισμό του CO₂ από τους υπόλοιπους ρύπους της πηγής, η οποία κατά κύριο λόγο έχει να κάνει με την καύση ορυκτών καυσίμων.

Ισάξιας αναγκαιότητας και σημασίας αποτελεί η ανάγκη διαχωρισμού του CO₂ από το μεθάνιο (CH₄). Το CO₂ εμφανίζεται ως ακαθαρσία στο φυσικό αέριο, του οποίου βασικό συστατικό αποτελεί το μεθάνιο. Η παρουσία του CO₂ μειώνει την ενεργειακή απόδοση του φυσικού αερίου, ενώ παράλληλα μπορεί να οδηγήσει σε διάβρωση των αγωγών (pipelines). Εφόσον το φυσικό αέριο ικανοποιεί τις προδιαγραφές καθαρότητάς του, το λεγόμενο “μεθάνιο ποιότητας αγωγού” (“pipeline quality methane”), τότε αυξάνεται και η εμπορική του αξία. Για να πληρεί τις προδιαγραφές αυτές, το φυσικό αέριο πρέπει να συμμορφωθεί με τα αυστηρά όρια συγκέντρωσης του CO₂ (λιγότερο από 2%).[3]

Στην συνέχεια, το CO₂ συμπιέζεται και μεταφέρεται σε περιοχές αποθήκευσης, ώστε να μην έρχεται πλέον σε επαφή με την ατμόσφαιρα. Οι δυνητικές μέθοδοι αποθήκευσης του αερίου είναι η γεωλογική αποθήκευση (σε γεωλογικές κοιλότητες όπως περιοχές που προηγουμένως περιείχαν κοιτάσματα πετρελαίου και φυσικού αερίου), η αποθήκευση σε ωκεανούς (άμεση απελευθέρωση του αερίου στον ωκεανό ή στον βυθό του) και βιομηχανική σταθεροποίηση του CO₂ σε ανόργανα άλατα του ανθρακικού οξέος. Επιπροσθέτως, η αποθήκευσή του στους ωκεανούς ενισχύεται και από το γεγονός της δημιουργίας κλείθρων νερού (υδριδίων – water clathrates ή water hydrates) που παγιδεύουν το μόριο του διοξειδίου του άνθρακα. Αυτό συμβαίνει διότι στο συγκεκριμένο βάθος επικρατούν κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας για τον σχηματισμό των κλείθρων.[4] Συνοπτικά, τα στάδια της CCS φαίνονται στην εικόνα 3.  

Εικόνα 1.3: Σχηματικό διάγραμμα των δυνατών CCS συστημάτων.

Ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με CCS μπορεί να μειώσει τις εκπομπές CO2 στην ατμόσφαιρα κατά 80-90% σε σύγκριση με εργοστάσιο χωρίς CCS. Όμως, το ενεργειακό κόστος της λειτουργίας της CCS είναι μεγάλο, μιας και η διαδικασία απαιτεί 10-40% περισσότερη ενέργεια. Το ποσοστό αυτό εξαρτάται από το είδος της ενεργειακής μονάδας. 

Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι δέσμευσης του CO₂ στην CCS: πριν την καύση, μετά την καύση και κατά την oxyfuel καύση. Πριν την καύση (pre-combustion), το καύσιμο (κάρβουνο, φυσικό αέριο και βιομάζα) οξειδώνεται μερικώς προς μίγμα μονοξείδιου του άνθρακα και υδρογόνου. Το μίγμα CO/H₂ χρησιμοποιείται ως καύσιμο του οποίου η καύση δίνει υψηλής πίεσης CO₂ και H₂O. Τα αέρια αυτά μπορούν να διαχωριστούν μέσω μεθόδων φυσιορόφησης όπως, παραδείγματος χάριν, μέσω μεμβρανών ή κρυογονικών συστημάτων. Στην δέσμευση του CO₂ μετά την καύση (post-combustion), χαμηλής πίεσης CO₂ απομονώνεται από τα αέρια απόβλητα (τα οποία περιέχουν επίσης N₂ και O₂) με την χρήση CO₂-όφιλων ουσιών, όπως είναι η μονοαιθυλαμίνη. Η αμίνη εκλεκτικά προσροφά το CO₂, το απομονώνει και στην συνέχει αυτό με μεταβολή της πίεσης μπορεί να απελευθερωθεί ελεγχόμενα. Στην oxyfuel καύση, πρώτα απομονώνεται το N₂ με κρυογονικές μεθόδους. Στη συνέχεια το καύσιμο καίγεται παρουσία καθαρού οξυγόνου, έτσι ώστε τα αέρια απόβλητα να αποτελούνται κυρίως από CO₂ και νερό.

Επιμέλεια και συγγραφή κειμένου: Κωνσταντίνος Βογιατζής

Περισσότερες πληροφορίες:
[1] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press, New York, 2005, (www.ipcc.ch)
[2] Petit, J. R., Jouzel, J., Raynaud, D., Barkov, N. I., Barnola, J.-M., Basile, I., Bender, M., Chappellaz, J., Davis, M., Delaygue, G., Delmotte, M., Kotlyakov, V. M., Legrand, M., Lipenkov, V. Y., Lorius, C., Pepin, L., Ritz, C., Saltzman, E., Stievenard, M. Nature 1999, 399, 429.
[3] (a) Cavenati, S., Grande, C. A., Rodrigues, A. E. Energy Fuels 2006, 20, 2648. (b) Cavenati, S., Grande, C. A., Rodrigues, A. E. J. Chem. Eng. Data 2004, 49, 1095. (c) Li, Y., Chung, T. S., Kulprathipanja, S. AIChE 2007, 98, 94.
[4] House, K. Z., Schrag, D. P., Harvey, C. F., Lackner, K. S. Proc. Nat. Acad. Sci. 2006 103, 12291.