حلول بديلة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون

التقاط ثاني أكسيد الكربون أمر حاسم لعكس الأضرار التي قد يسببها الاحتباس الحراري على مناخنا بنجاح. ومع ذلك، هناك صراع بين ما تسعى الحضارة البشرية إلى تحقيقه في المثالي والواقع على الأرض. وقد وضع اتفاقية باريس التزامًا عالميًا بالحفاظ على ارتفاع متوسط درجة الحرارة العالمية أقل بكثير من درجتين مئويتين فوق مستويات ما قبل الصناعة. 

بينما كانت الجهود الجادة مطلوبة للحد من الارتفاع إلى 1.5 درجة مئوية بالتحول بعيدًا عن الوقود الأحفوري، لا تزال محطات الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز تهيمن على قطاع الكهرباء العالمي، وفقًا لتقارير الجمعية الدولية للطاقة (IEA). International Energy Association (IEA). 

في الواقع، وعلى الرغم من الجهود العالمية للانتقال بقوة أكبر إلى مصادر الطاقة المتجددة، ارتفع إنتاج الطاقة من الوقود الأحفوري بنسبة 70٪ منذ عام 2000. ولا يزال الفحم هو أكبر مصدر للوقود لتوليد الطاقة بنسبة 38٪، يليه الغاز بحوالي 20٪. 

السياسات التي تُطبق عالميًا حريصة على معالجة مشكلة الانبعاثات من محطات الطاقة التي تعمل بالفحم الحالية وتلك التي تُبنى اليوم. ومع ذلك، فإن خفض أو انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لا يضمن غياب الكربون الحابس للحرارة. وتشير IEA إلى أنه حتى بعد انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من أسطول محطات الفحم الحالية بنحو 40٪، ستظل الانبعاثات السنوية تبلغ 6 غيتا طن من ثاني أكسيد الكربون في عام 2040.

في مثل هذا السيناريو، لن يكون من الممكن تحقيق أهدافنا المناخية من خلال خفض الانبعاثات فقط. سيتطلب الأمر حلولًا بديلة لالتقاط الكربون بحيث يمكن استغلاله وتخزينه على نطاق واسع. ولكن، يجب أن تكون هذه الحلول شاملة، ذات تكلفة فعّالة، ومستدامة على المدى الطويل. 

مؤخرًا، في دراسة نُشرت في الأول من مايو في مجلة ACS Energy Letters، كشف الباحثون في جامعة كولورادو بولدر والمتعاونون أن النهج الشائع الذي يستكشفه العديد من المهندسين لالتقاط الكربون سيفشل. 

ومع ذلك، لم يقتصر فريق الباحثين، المكوّن من علماء يعملون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في غولدن، كولورادو، وجامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، على الإشارة إلى العيب في النظام الحالي بل أوصوا أيضًا بحل بديل وأكثر استدامة ليس فقط لالتقاط الكربون بل لتحويله إلى وقود. 

في الفقرات القادمة، سنستعرض ما أوصت به الحل الأصلي، ما هي عيوبه، وكيف يمكن تصحيح تلك العيوب بحل بديل!

الحل الأصلي لالتقاط الكربون

بالحل الأصلي، نشير إلى أحد أكثر أساليب التقاط الهواء المباشر انتشارًا والتي تتضمن ملامسات هوائية، وهي مراوح ضخمة تسحب الهواء إلى حجرة مملوءة بسائل قاعدي. وبما أن ثاني أكسيد الكربون حمضي بطبيعته الكيميائية، فإن السائل القاعدي يرتبط به ويتفاعل لتكوين كربونات أو بيكربونات.

مع احتجاز ثاني أكسيد الكربون في الكربونات أو البيكربونات، يمكن للمهندسين فصلها عن السائل وتحويلها إلى منتجات مثل البلاستيك، المشروبات الغازية، وما إلى ذلك. إذا خضعت هذه الكربونات والبيكربونات لمزيد من المعالجة، يمكنها حتى أن تعمل كوقود لتشغيل المنازل وربما الطائرات. من ناحية أخرى، يعود السائل القاعدي إلى الحجرة لالتقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون. 

بينما يبدو الحل كترتيب مثالي لالتقاط الكربون وإعادة تدويره للاستخدام لاحقًا، هناك مشكلة موجودة.

انقر هنا لتعرف كيف قد يكون إدارة الميثان هو المفتاح لتحقيق أهداف المناخ العالمية.

المشكلة في الحل الأصلي

المشكلة تكمن في طريقة فصل الكربونات أو البيكربونات عن السائل. يتطلب تحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز من الشركات تسخين محلول الكربونات والبيكربونات إلى ما لا يقل عن 900˚م (1,652° ف). هذه درجة حرارة لا يمكن لمصادر الطاقة المتجددة مثل الشمس والرياح تحقيقها. وبالتالي، يتطلب الوصول إلى هذه الحرارة حرق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الميثان النقي.

أثناء الحديث عن هذا الفخ المخفي في النظام، Wilson Smith، أستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية وزميل في معهد الطاقة المتجددة والمستدامة في جامعة كولورادو بولدر، قال ما يلي، والذي يلخص المشكلة أساسًا:

“إذا كان علينا تحرير ثاني أكسيد الكربون لالتقاطه، فإن ذلك يُفقد الهدف الكامل لالتقاط الكربون.”

الخبر السار هو أن الباحثين تجاوزوا المهمة المطلوبة. بعيدًا عن الإشارة إلى عيوب النظام، اقترحوا بديلًا يمكنه معالجة الفجوة. 

العلاج البديل للحل الأصلي

اقترح الباحثون تطبيق عملية الالتقاط التفاعلية لحل المشكلة. ومع ذلك، أوصوا بتعديل نطاق عملية الالتقاط التفاعلية التقليدية. 

الالتقاط التفاعلي، في صورته التقليدية، يشير إلى عملية يتم فيها تطبيق الكهرباء على محاليل الكربونات والبيكربونات، مما يفصل ثاني أكسيد الكربون والسائل القاعدي داخل الحجرة. يُطلق عليه أيضًا نظامًا مغلقًا يمكنه التقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون في شكل سائل معاد تدويره. 

ومع ذلك، لاحظ الباحثون عيبًا في هذه الحالة. رأوا أنه في بيئة صناعية، ستقصر الكهرباء عن تجديد السائل القاعدي لإعادة التقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الهواء. ستكون العملية غير فعّالة إلى درجة أنه بعد خمس دورات من التقاط الكربون وإعادة التجديد، لن يكون السائل القاعدي قادرًا تقريبًا على سحب أي ثاني أكسيد كربون من الهواء. 

أوصى الباحثون بإضافة التحليل الكهربي (الإلكتروديا ليز) إلى العملية كحل. توفر هذه الطريقة فوائد متعددة. أولاً، يمكنها العمل على الكهرباء المتجددة. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها تقسيم المزيد من الماء إلى أيونات حمضية وقاعدية، مما يحافظ على قدرة السائل القاعدي على امتصاص المزيد من ثاني أكسيد الكربون. وصف ويلسون سميث إنجاز هذا الفريق بأنه “حل عدة مشكلات بتقنية واحدة”، وهذا صحيح! 

بينما يكون من مهمة الباحثين ابتكار حلول جديدة وتحسين الموجودة لزيادة الكفاءة، تتحمل الشركات والمؤسسات أيضًا مسؤولية، والعديد منها ينجح في الوفاء بهذه المسؤولية. في الفقرات التالية، سنستعرض بعض الشركات التي توصلت إلى حلول مبتكرة وفعّالة في هذا المجال. 

انقر هنا لمعرفة ما إذا كان حجز الكربون في المحيطات حلًا قابلًا للتطبيق.

#1. Graphyte

تضع Graphyte نفسها كأول حل وحيد في العالم لإزالة ثاني أكسيد الكربون يتميز بالمتانة، والقدرة على تحمل التكلفة، والقابلية للتوسع الفوري. من حيث المتانة، تدعي Graphyte أن حلولها قادرة على إزالة ثاني أكسيد الكربون لأكثر من ألف عام. 

من حيث القدرة على تحمل التكلفة، توفر الشركة حلولها بتكلفة إنتاجية موحدة تقل عن 100 دولار أمريكي للطن، ومن حيث القابلية للتوسع، تدعي الشركة أنها تستطيع التوسع إلى مستوى يمكن فيه إزالة مليارات الأطنان من الكربون كإمكانية قابلة للتحقيق. 

طريقة Graphyte المحددة تتبع نهج صب الكربون، الذي يستفيد من الكتلة الحيوية المتاحة بسهولة، مثل مخلفات الأخشاب والعمليات الزراعية. تقوم Graphyte بتجفيف وضغط هذه الكتلة الحيوية لتحويلها إلى كتل كربونية كثيفة. تأتي هذه الكتل مع حاجز غير قابل للاختراق وآمن بيئيًا يضمن التخزين الآمن في مواقع تحت الأرض متقدمة. 

أثناء الحديث عن طريقة Graphyte، قال باركلي روجرز، المؤسس والرئيس التنفيذي للشركة ما يلي: 

“صُب الكربون يسمح للطبيعة بأداء عملية التقاط ثاني أكسيد الكربون بكفاءة، ثم يستفيد من تقنيات الهندسة لتخزينه على مدى زمني ذي صلة بالمناخ. إنه حل يمكن تنفيذه في أي مكان، سيغير السوق، والأهم من ذلك، سيساعد في إنقاذ الكوكب.”

يمكن لصُب الكربون الحفاظ على تقريبًا كل الكربون الملتقط في الكتلة الحيوية ويستهلك طاقة قليلة جدًا. إنها عملية إزالة كربون منخفضة التكلفة ولكنها متينة تجمع بين التمثيل الضوئي والهندسة العملية. 

ساعد إمكانات Graphyte في كسب ثقة ومصداقية مجتمع المستثمرين. أكملت جولة التمويل من السلسلة A بمجموع 30 مليون دولار أمريكي. قادت الجولة مشتركًا Prelude Ventures وCarbon Direct Capital وشملت أيضًا مساهمات من مستثمرين حاليين مثل Breathable Energy Ventures وOverture. 

بينما ظهرت مشاريع مبتكرة ممولة بالأسهم مثل Graphyte بحلولها الحديثة، هناك شركات عامة راسخة مثل Linde التي دخلت مجال التقاط الكربون القائم على الامتصاص واستعادة ثاني أكسيد الكربون. 

#2. Linde

حل HISORP® CC القائم على الامتصاص لالتقاط الكربون، وهو أحدث إضافة إلى مجموعة حلول التقاط الكربون الخاصة بـ Linde، يكمل تقنياته المجربة من امتصاص ضغط التبديل (PSA) وتقنيات الأغشية. 

يفصل حل HISORP CC ثاني أكسيد الكربون عن الغازات العملية عبر نطاق واسع من تركيزات مدخلات ثاني أكسيد الكربون. يستفيد من تقنيات متعددة من Linde، بما في ذلك امتصاص ضغط التبديل (PSA)، الفصل بالتبريد، والضغط، لتحقيق معدل التقاط يزيد عن 99٪، وتحديدًا 99.7٪. 

إحدى أكبر مزايا هذا الحل هي أنه يعمل على طاقة مستمدة من مصادر متجددة. لا تتطلب عملية التجديد البخار، مما يضمن بصمة كربونية منخفضة. 

علاوة على ذلك، يُعد HISORP CC تقنية منخفضة CAPEX و OPEX مع معدل استهلاك طاقة محدد منخفض جدًا ومتاحة تقريبًا دون أي تكلفة إضافية لإدارة المذيب، والتجديد، والمعالجة. 

ضمنت Linde أن التقنية تظل متوافقة وشاملة على نطاق واسع بحيث يمكن دمجها مع مجموعة كاملة من حلول Linde، بما في ذلك تحويل الميثان بالبخار (SMR)، التحويل الحراري التلقائي (ATR)، الأكسدة الجزئية (POX)، أو التحويل إلى غاز. وهي ملائمة للتكامل في المصانع القائمة والجديدة لـ SMR و POX و ATR، حتى مع زيادة إنتاج الهيدروجين.

في عام 2023، سجلت Linde، بصفتها شركة رائدة عالميًا في الغازات الصناعية والهندسة، مبيعات بقيمة 33 مليار دولار أمريكي. 

بينما تلتزم الشركات بأهدافها، فإن التعلم والتبادل بين الشركات والمؤسسات البحثية متبادل. في الفقرة الختامية، نستعرض البحث التكنولوجي في هذا المجال الذي يمكن أن يحول مستقبل التقاط الكربون بجعله أكثر فاعلية وكفاءة. 

مستقبل التقاط الكربون: أداة ذات إمكانات تحويلية

في يوليو 2024، اقترح مجموعة من الباحثين منصة شاملة لـ تسريع التقاط الكربون القائم على الماصة. أسموا المنصة PrISMa، والتي تعني التصميم المستنير بالعملية للمواد الماصة المصممة خصيصًا. 

سعت المنصة إلى جعل نشر تقنيات التقاط الكربون على نطاق واسع أكثر كفاءة في الكربون. وأكدت على جمع المكونات المتفرقة وأولئك الذين ينفذونها تحت مظلة واحدة. 

بينما كان الكيميائيون يركزون سابقًا على تصميم المواد والمهندسون على تحسين العمليات، دمجت منصة PrISMa المواد، وتصميم العملية، والاقتصاد التقني، وتقييم دورة الحياة. وقارنت أكثر من 60 دراسة حالة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من مصادر مختلفة في 5 مناطق عالمية باستخدام تقنيات مختلفة. 

ثم أطلع في الوقت نفسه مختلف أصحاب المصلحة على جدوى التكلفة للتقنيات، وتكوينات العملية، والمواقع. كما كشف عن الخصائص الجزيئية للمواد الماصة ذات الأداء العالي وقدم رؤى قابلة للتنفيذ حول الأثر البيئي، والفوائد المشتركة، والمقايضات. هدف الناتج النهائي إلى توحيد أصحاب المصلحة في مرحلة البحث المبكرة، مما يسرّع تطوير تقنية التقاط الكربون في السباق نحو عالم صافي انبعاثات صفرية.

العلماء المسؤولون عن تطوير PrISMa، بيرند سميت في EPFL وسوزانا غارسيا في جامعة هيريوت‑وات، متفائلون للغاية بشأن قابلية استخدام الطريقة في الواقع. وفقًا للبروفيسور بيرند سميت: According to Professor Berend Smit:

“هذا النهج المبتكر يسرّع اكتشاف المواد ذات الأداء العالي لالتقاط الكربون، متجاوزًا طرق التجربة والخطأ التقليدية.”

تحمل PrISMa إمكانات كبيرة للمستقبل. من خلال استخدام البيانات التجريبية والمحاكاة الجزيئية، يمكنها التنبؤ بخصائص الامتصاص للمواد الماصة المحتملة. 

سيتؤدي ذلك في النهاية إلى تمكين مجتمع المطورين من اتخاذ قرارات مستنيرة. تجعل خصائص طبقة العملية في PrISMa من الممكن قياس وتحديد معايير أداء حلول التقاط الكربون من خلال مساعدة العلماء على حساب معايير أداء العملية، مثل النقاء، والاسترداد، ومتطلبات الطاقة.

أحد المعايير الحاسمة التي تحدد نجاح أو فشل أي حل علمي أو تقني هو جدواه الاقتصادية. يمكن لـ Prisma تقييم الجدوى الاقتصادية والتقنية لمصنع التقاط الكربون. أخيرًا، يمكنها تقييم الأثر البيئي على مدار دورة حياة المصنع بالكامل، مما يضمن استدامة شاملة.

بشكل عام، لا تُعد PrISMa أقل من كونها ثورية أو تحويلية. 

بدأنا مناقشتنا بحل واسع الانتشار تم اكتشافه غير كافٍ ومُعادي للذات. الآن، مع توفر PrISMa لدى المجتمع العلمي، سيكون من الممكن وضع حلول تكون بيئيًا فعّالة، قابلة للتوسع، وذات تكلفة فعّالة من اليوم الأول.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم التقاط الكربون للاستثمار فيها.