Świat na zakręcie

Rozmowa z dr hab. Elwirą Żmudzką, profesorem Uniwersytetu Warszawskiego, klimatologiem, pracownikiem naukowo-dydaktycznym Wydziału Geografii i Studiów Regionalnych, pierwszym prezesem Stowarzyszenia Klimatologów Polskich.

Naukowcy ostrzegają, że tegoroczne ponad 40-stopniowe upały oraz ogromne pożary lasów, m.in. w Kanadzie, Grecji czy Hiszpanii, są dopiero rozgrzewką przed tym, co nas czeka w kolejnych latach. To bardzo niedobra wiadomość także dla polskich strażaków walczących z żywiołem w kraju i poza jego granicami. Równocześnie toczy się międzynarodowa dyskusja o sposobach rozwiązania problemu np. na drodze geoinżynierii. Na czym miałoby to polegać?

Główne grupy stosowanych metod geoinżynieryjnych są ukierunkowane na zarządzanie ilością dochodzącego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego (Solar Radiation Management - SRM) oraz na redukcję emisji dwutlenku węgla (Carbon Dioxide Reduction - CDR). Klimat jest przejawem stanu równowagi osiągniętego przez elementy atmosfery, hydrosfery i kriosfery przy ustalonych warunkach wejściowych do systemu. Są to głównie: strumień energii promieniowania słonecznego oraz budowa i ukształtowanie powierzchni Ziemi. Klimat jest bardzo skomplikowanym obiektem badań. Mimo licznych eksperymentów prowadzących do określenia wpływu zmiany wybranej cechy fizycznej, chemicznej czy biologicznej na klimat jego odpowiedź w skali globalnej niesie rozliczne wątpliwości.

Jednym z pierwszych naukowców, który użył terminu geoinżynieria, był Cesare Marchetti, który już w 1977 r. zaproponował sekwestrację (wychwytywanie) dwutlenku węgla z punktowych źródeł zanieczyszczeń, takich jak elektrownie i fabryki. Na ile ten pomysł jest aktualny i realny w realizacji?

Sekwestracja dwutlenku węgla to proces polegający na wychwytywaniu dwutlenku węgla ze spalin oraz jego magazynowaniu. Metoda ta jest stosowana głównie w przemyśle energetycznym i chemicznym. Można w niej wyróżnić trzy główne etapy: oddzielenie CO₂ od innych gazów powstałych podczas spalania paliw kopalnych, jego transport oraz zdeponowanie w sposób nieszkodliwy dla środowiska. Najczęściej jest to składowanie podziemne w strukturach geologicznych. Dwutlenek węgla może być także wprowadzany pod powierzchnię oceanu. Stosowane są technologie tłoczenia gazu na głębokości małe (poniżej 1000 m) lub duże (do 3000 m). Skuteczność tej technologii w odniesieniu do konkretnej instalacji energetycznej lub przemysłowej jest na ogół bardzo duża. Może być wychwytywana niemal całość emisji.

Znalezienie odpowiedniej struktury geologicznej do depozycji wychwytywanego CO₂ z pojedynczej instalacji oraz jego transport w miejsce składowania na ogół nie stanowi problemu, chociaż należy zdawać sobie sprawę z istniejącego zagrożenia w sytuacji uwolnienia gazu. Ponadto pewnym ograniczeniem stosowania tej technologii może być jej duża koszto- i energochłonność. Można jednak zaryzykować i stwierdzić, że w skali lokalnej jest ona rozwiązaniem akceptowalnym, zwłaszcza że cały czas podejmowane są próby jej modyfikacji. Konkurencję dla niej stanowi np. technologia CCU (Carbon Capture and Utilisation), polegająca na wychwytywaniu dwutlenku węgla ze spalin oraz jego późniejszej utylizacji, np. przez wykorzystanie, konwersję na inne substancje lub produkty - tworzywa sztuczne, beton, biopaliwo.

Czy wykorzystanie metody sekwestracji rozwiąże problem zwiększania się ilości dwutlenku węgla w atmosferze Ziemi?

Szacuje się, że wszystkie projekty polegające na wychwytywaniu mogą przyczynić się do redukcji antropogenicznych emisji CO₂ na świecie o najwyżej 0,6%. Scenariusze, w których założono znaczne zastąpienie w produkcji energii paliw kopalnych źródłami odnawialnymi, wskazują, że osiągnięcie celu zerowej emisji CO₂ netto w perspektywie do 2050 r. byłoby realne w sytuacji wychwytywania około 20% globalnej emisji dwutlenku węgla. By to uzyskać, należałoby zainstalować w ciągu najbliższych 20 lat kilka tysięcy nowych instalacji, z których każda wychwytywałaby rocznie około 1-2 mln t CO₂. Współcześnie udział instalacji wychwytujących CO₂ jest niewielki. Myślę, że jako jedyny sposób działań w tym zakresie sekwestracja okazałaby się nierealna i nieskuteczna. W połączeniu z innymi działaniami może być traktowana jako rozwiązanie tymczasowe.

Szacuje się, że wszystkie projekty polegające na wychwytywaniu mogą przyczynić się do redukcji antropogenicznych emisji CO2 na świecie o najwyżej 0,6%. Scenariusze, w których założono znaczne zastąpienie w produkcji energii paliw kopalnych źródłami odnawialnymi, wskazują, że osiągnięcie celu zerowej emisji CO2 netto w perspektywie do 2050 r. byłoby realne w sytuacji wychwytywania około 20% globalnej emisji dwutlenku węgla. By to uzyskać, należałoby zainstalować w ciągu najbliższych 20 lat kilka tysięcy nowych instalacji, z których każda wychwytywałaby rocznie około 1-2 mln t CO2.

Metoda usuwania dwutlenku węgla z atmosfery jest obecnie stosowana głównie w USA, gdzie rocznie wychwytuje się od 30 do 50 mln t tego gazu, który następnie jest wtryskiwany w skały ubogie w ropę. Czy nie można powiedzieć, że to panaceum na nasze problemy z CO₂?

Rzeczywiście, technologie bezpośredniego wychwytywania powietrza umożliwiają wyodrębnianie CO₂ z tej mieszaniny. „Wyższość” tej technologii polega na tym, że może być zastosowana w dowolnym miejscu, w przeciwieństwie do wychwytywania dwutlenku węgla ze spalin, które zwykle odbywa się w miejscu emisji. Tak wychwytywany CO₂ można trwale składować w głębokich formacjach geologicznych lub w różny sposób go wykorzystywać. Na świecie funkcjonuje obecnie kilkadziesiąt firm mających takie instalacje, a kolejne są planowane lub w budowie, także poza obszarem USA. Przykładowo pod koniec czerwca 2022 r. rozpoczęto budowę największego na świecie zakładu wychwytującego dwutlenek węgla bezpośrednio z powietrza na terenie Islandii. Obiekt ten ma być zasilany energią geotermalną i pochłaniać do 36 tys. t dwutlenku węgla rocznie. Wyodrębnianie CO₂ z wychwytywanego powietrza jest jednak bardzo drogie. 

A czy istnieją inne projekty w obszarze wychwytywania, obiecujące z punktu widzenia walki z CO₂?

Są prowadzone eksperymenty ukierunkowane na modyfikację właściwości wód oceanu światowego. Za przykład może posłużyć metoda zwana zasiewaniem. Polega na wprowadzeniu do górnych warstw oceanu składników przyspieszających wzrost fitoplanktonu, na przykład związków żelaza. Zasiewanie oceanu składnikami stymulującymi wzrost fitoplanktonu przekłada się na zwiększenie ilości biomasy w oceanie. Część z niej opada i zostanie zakumulowana na dnie oceanu. Jest to metoda względnie tania, pozwalająca zmagazynować pochłonięty węgiel na dość długi czas. Innym projektem ukierunkowanym na zwiększenie przechwytywania CO₂ przez ocean jest dodanie do wód minerałów zwiększających ich zasadowość, np. węglanów.

W marcu 2017 r. po raz pierwszy oficjalnie pojawił się termin geoinżynieria solarna (Solar Radiation Management - SRM). Wtedy to Uniwersytet Harvarda ogłosił, że rusza z nowym programem naukowym polegającym na badaniu wpływu różnych substancji wprowadzanych do atmosfery na odbijanie i rozpraszaniu światła słonecznego. Czy to dobra metoda zarządzania promieniowaniem słonecznym? 

Nadrzędnym celem uruchomienia tego programu badawczego było ograniczenie lub zrównoważenie zmian klimatu wywołanych wzmocnieniem efektu cieplarnianego. Działania miałyby koncentrować się na odbijaniu promieniowania słonecznego. Do najczęściej dyskutowanych metod mających zastosowanie w tego typu eksperymentach zalicza się wzbogacenie atmosfery w aerozol stratosferyczny oraz rozjaśnianie chmur morskich. Wyniki prowadzonych badań modelowych wskazują, że są w stanie przyczynić się do krótkotrwałego obniżenia temperatury powierzchni Ziemi i atmosfery. To może być wykorzystane do ograniczenia skutków ekstremalnych warunków pogodowych. Jednak aby zrównoważyć współczesne ocieplenie, skala działań musiałaby być ogromna. Czy możliwa? Chyba nie.

Ponadto oddziaływania długotrwałe i na dużą skalę przestrzenną prawdopodobnie zmieniłyby wzorce pogodowe. Nadal problemem byłoby zakwaszenie oceanów. Jak wykazują badania, zaprzestanie stosowania geoinżynierii słonecznej przy utrzymującym się wysokim poziomie gazów cieplarnianych doprowadziłoby do znacznego i szybkiego ocieplenia oraz zmian w obiegu wody. Skutkiem byłoby zwiększenie zagrożenia dla różnorodności biologicznej wynikającego ze zmiany klimatu. Warto także zasygnalizować, że wciąż badań wymaga doprecyzowanie wpływu niektórych substancji wprowadzonych do atmosfery, np. siarczanów, na saldo promieniowania. Mimo rozmaitych wątpliwości ta metoda jest rozważana jako opcja strategiczna. Jest to związane ze względnie niewielkimi kosztami zastosowania metod z zakresu geoinżynierii solarnej.

W wielu publikacjach wskazuje się, że stosując geoinżynierię m.in. w celu schłodzenia klimatu, możemy zmniejszyć ilość energii docierającej ze Słońca do powierzchni Ziemi. Krytycy ostrzegają jednak, że jest to „zabawa w Boga”.  Dlaczego?

Zmiany temperatury powietrza przy powierzchni Ziemi wynikają ze zmian ilości energii wewnętrznej znajdującej się w systemie klimatycznym. Taka sytuacja powstaje przy niezrównoważeniu salda energetycznego, tj. zaburzeniu bilansu energii pochłanianej przez Ziemię wraz z atmosferą i wysyłanej w kosmos. By zniwelować wzrost temperatury powietrza, saldo przez pewien czas powinno być ujemne, a w dłuższej perspektywie czasowej zrównoważone. Do wyboru są dwie drogi: zmniejszenie ilości energii docierającej do powierzchni Ziemi ze Słońca lub zwiększenie wypromieniowania zgromadzonej w systemie energii.

Nie mamy wpływu na ilość promieniowania emitowanego przez Słońce, więc rozważane są rozwiązania ukierunkowane na zmniejszenie ilości promieniowania „wchodzącego” do układu Ziemia - atmosfera. Stąd np. pomysły „kosmicznych żaluzji”, czyli przesłony między Ziemią a Słońcem. Dyskutowane są też metody zwiększenia albedo* powierzchni Ziemi np. przez stosowanie jasnych barw: zwiększanie, pogrubianie powierzchni lodu morskiego, spienianie powierzchni oceanów, wybielanie obszarów zielonych czy rolniczych przez odpowiedni dobór szaty roślinnej, jak i otaczającej ją atmosfery - przez rozpylanie aerozolu w stratosferze i „wybielanie” chmur. Należy jednak pamiętać, że zmniejszenie dopływu promieniowania słonecznego nie pozwoli na powrót do stanu planety sprzed wzrostu koncentracji CO₂. Głównym mankamentem zastosowania tych metod jest niepewność skutków środowiskowych.

Multimilioner Bill Gates wystąpił z projektem rezygnacji z hodowli bydła, która wiąże się z uwalnianiem ogromnych ilości metanu do atmosfery, na rzecz produkcji sztucznego mięsa. Czy to pomoże w walce z globalnym ociepleniem?

Możliwość wdrożenia takiej koncepcji powinna być poprzedzona wnikliwą, wieloaspektową analizą strat i zysków. Uważam, że całkowita rezygnacja z hodowli bydła na rzecz produkcji substytutów mięsa jest pomysłem wymagającym poważnego zastanowienia. Nie widzę przeciwwskazań, by rozwijać te technologie, chociażby ze względu na fakt, że ograniczanie ilości mięsa w naszym menu jest działaniem prozdrowotnym. Pamiętajmy jednak, że ukształtowana w wyniku wielowiekowej ewolucji człowieka piramida żywieniowa uwzględnia artykuły pochodzenia zwierzęcego. Warto także wspomnieć, że po prostu je lubimy. Ponadto w rolnictwie znajduje zatrudnienie około połowy ludności. Jest to główne źródło utrzymania w krajach słabiej rozwiniętych. Pytań i wątpliwości pojawia się bardzo dużo.

Warto też spojrzeć na tę propozycję z perspektywy skuteczności realizacji tej koncepcji. Metan to gaz cieplarniany, jego potencjał cieplarniany w okresie 100-letnim jest ponad 20 razy większy niż CO₂. Mimo że obecnie stężenie metanu w atmosferze jest ponad dwa razy wyższe niż w ciągu ostatnich 400 000 lat, to jednak znacznie mniejsze niż stężenie CO₂. Czas przebywania metanu w atmosferze jest względnie krótki - około 10 lat. Według szacunków Międzynarodowej Agencji Energetycznej roczna globalna emisja metanu wynosi około 570 mln t, za 60% odpowiada działalność człowieka. Współczesna struktura emisji świadczy, że hodowla stanowi obecnie źródło kilku - kilkunastu procent emitowanego rocznie metanu. Czy zatem wyeliminowanie tego źródła da nam spektakularny efekt w postaci zniwelowania współczesnego ocieplenia? Myślę, że nie.

Dobrym i realnym kierunkiem działań jest oszczędne i efektywne gospodarowanie energią oraz przemyślana transformacja energetyczna ukierunkowana na miks energetyczny. Zakłada ona rozwój odnawialnych źródeł energii jak: energia słoneczna, wiatrowa, elektrownie wodne, zwiększenie wykorzystania atomu, paliw niskoemisyjnych, tj. wodoru, biopaliw, odchodzenie od paliw kopalnych czy udoskonalanie istniejącej energetyki węglowej przez stosowanie np. technologii zgazowywania węgla.

Alternatywą dla pomysłów z dziedziny geoinżynierii są koncepcje oparte na myśleniu tradycyjnym. Polegają na zmniejszaniu obecności CO₂ w atmosferze, głównie przez odchodzenie od spalania węgla na rzecz zielonej energii. Jednak Chiny rozwijają budowę kolejnych elektrowni wykorzystujących węgiel. Podobnie Indie. A to są wielcy gracze i zarazem truciciele środowiska. Czyli stajemy pod ścianą?

Rzeczywiście są to bardzo trudne problemy. W polityce międzynarodowej poświęca się im wiele uwagi i z pewnością bardzo ważne jest wypracowanie stanowiska, które byłoby akceptowalne przez wszystkie państwa. Z drugiej jednak strony wiadomo, że transformacja energetyczna jest długotrwałym i kosztownym procesem. W pierwszym etapie wdrażania energetyki odnawialnej pojawiają się duże koszty związane z nowymi technologiami, a także wzrasta zapotrzebowanie na energię. Elektrownie opalane węglem lub gazem ziemnym w dalszym ciągu będą funkcjonowały, choć mam nadzieję, że tam, gdzie to możliwe, ich liczba będzie coraz mniejsza. Takie założenia są również przyjmowane w różnych badaniach modelowych redukcji antropogenicznej emisji CO₂. Warunkiem koniecznym budowy elektrowni opartej na węglu powinno być jednak zastosowanie nowoczesnych technologii, np. zgazowywania węgla.

Czy z uwagi na nieznane i nieprzewidywalne w znacznej mierze konsekwencje geoinżynierii należy zrezygnować z tego rodzaju projektów?

Nie przekreślałabym geoinżynierii. Metody te są wykorzystywane w skali lokalnej od wielu lat i choć nie stanowią panaceum na nasze problemy, mają wiele wad, to jednak warto je badać i rozwijać. Należy także pamiętać, że w tego typu badaniach są wykorzystywane modele będące potężnym, ale wciąż niedoskonałym narzędziem. Szczególnie w odniesieniu do tak skomplikowanego obiektu badań, jakim jest system klimatyczny. Dlatego naukowo uzasadnione rozwiązania, będące w znacznej mierze próbą odtworzenia naturalnych procesów, sprawiają, że wybrane techniki geoinżynieryjne można dopuścić jako pewne uzupełnienie redukcji remisji gazów cieplarnianych. Należy zatem koncentrować się na tych metodach, które są efektywne, bezpieczne dla ludzi i minimalnie ingerują w środowisko, mając niewielki margines niepewności co do skutków środowiskowych.

W najbliższym czasie sprawa ocieplania się klimatu będzie dyskutowana na forum UE. Przewiduje się ogłoszenie nowej strategii klimatycznej UE na 2050 r.  Zakłada ona neutralność klimatyczną, ale też odrzucenie geoinżynierii. Czy według pani to dobry kierunek i realna perspektywa?

Myślę, że złożoność problemu wymaga od nas niezmiernie wyważonego postępowania. W miarę rozwoju nauki powinniśmy wykorzystywać te sposoby, które dają zamierzony efekt, przy względnie niewielkim marginesie niepewności, że skutki naszego postępowania przyczynią się do dalszej degradacji środowiska. Dobrym i realnym kierunkiem działań jest oszczędne i efektywne gospodarowanie energią oraz przemyślana transformacja energetyczna ukierunkowana na miks energetyczny. Zakłada ona rozwój odnawialnych źródeł energii, jak energia słoneczna, wiatrowa, elektrownie wodne, zwiększenie wykorzystania atomu, paliw niskoemisyjnych, tj. wodoru, biopaliw, odchodzenie od paliw kopalnych czy udoskonalanie istniejącej energetyki węglowej przez stosowanie np. technologii zgazowywania węgla. Korzystanie ze ścieżki geoinżynierii z pewnością wymaga dalszych badań naukowych. Mam nadzieję, że coraz pełniejsza wiedza o zachodzących procesach klimatotwórczych, ich uwarunkowaniach, a także znaczny postęp technologiczny pozwolą znaleźć i zastosować rozwiązania, które sprawią, że zniwelujemy skutki naszych nieprzemyślanych działań i nie będziemy powielali błędów w przyszłości.

* parametr fotometryczny określający zdolność odbijania promieni przez daną powierzchnię

rozmawiał: Lech Lewandowski