حلول بديلة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون

يعد احتجاز ثاني أكسيد الكربون أمرًا بالغ الأهمية لعكس الضرر الذي قد يلحقه الانحباس الحراري العالمي بمناخنا قريبًا. ومع ذلك، هناك صراع بين ما تريد الحضارة الإنسانية تحقيقه بشكل مثالي والواقع على الأرض. يمثل اتفاق باريس التزاما عالميا بالحفاظ على الزيادة في متوسط ​​درجة الحرارة العالمية أقل بكثير من درجتين مئويتين فوق مستويات ما قبل الصناعة. 

وفي حين كانت هناك حاجة إلى بذل جهود مخلصة للحد من الزيادة إلى 1.5 درجة مئوية من خلال الابتعاد عن الوقود الأحفوري، فإن محطات الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز لا تزال تهيمن على قطاع الكهرباء العالمي، وفقا لتقارير الأمم المتحدة. الرابطة الدولية للطاقة (IEA). 

في الواقع، على الرغم من التوجه العالمي للتحرك بقوة أكبر نحو مصادر الطاقة المتجددة، فإن الطاقة المولدة من الوقود الأحفوري زادت بنسبة 70٪ منذ عام 2000. ويظل الفحم المصدر الأكبر للوقود لتوليد الطاقة بنسبة 38٪، يليه الغاز بنحو 20٪. . 

تحرص السياسات المطبقة عالميًا على معالجة مسألة الانبعاثات الصادرة عن محطات الطاقة الحالية التي تعمل بالفحم وتلك يجري بناؤها اليوم. ومع ذلك فإن انخفاض أو انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لا يضمن غياب الكربون الذي يحبس الحرارة. وتشير وكالة الطاقة الدولية إلى أنه حتى بعد انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الأسطول الحالي الذي يعمل بالفحم بنحو 2%، فإن الانبعاثات السنوية ستظل تصل إلى 2 جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا في عام 40.

وفي مثل هذا السيناريو، لن يكون من الممكن تحقيق أهدافنا المناخية من خلال خفض الانبعاثات فقط. وستكون هناك حاجة إلى حلول بديلة لالتقاط الكربون بحيث يمكن استخدامه وتخزينه على نطاق واسع. ولكن هذه الحلول يجب أن تكون قابلة للتطبيق بشكل كلي، وفعالة من حيث التكلفة، وقابلة للتطبيق على المدى الطويل. 

في الآونة الأخيرة ، في دراسة نشرت في الأول من مايو في مجلة ACS Energy Letters، كشف الباحثون في جامعة كاليفورنيا في بولدر والمتعاونون أن النهج الشائع الذي يستكشفه العديد من المهندسين لالتقاط الكربون قد يفشل. 

ومع ذلك، فإن فريق الباحثين، الذي يضم علماء يعملون في المختبر الوطني للطاقة المتجددة في جولدن، كولورادو، وجامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، لم يتوقف عند الإشارة إلى الخلل في النظام الحالي، بل أوصى أيضًا ببديل وأكثر استدامة. الحل ليس فقط لالتقاط الكربون ولكن أيضًا تحويله إلى وقود. 

في الأجزاء القادمة، سننظر في ما أوصى به الحل الأصلي، وما هي عيوبه، وكيف يمكن تصحيح تلك العيوب مع الحل البديل!

الحل الأصلي لالتقاط الكربون

بالحل الأصلي، نشير إلى أحد أساليب التقاط الهواء المباشر الأكثر استخدامًا والتي تتضمن موصلات الهواء، وهي عبارة عن مراوح ضخمة تسحب الهواء إلى حجرة مملوءة بسائل أساسي. وبما أن ثاني أكسيد الكربون حمضي بطبيعته الكيميائية، فإن السائل الأساسي يرتبط به ويتفاعل معه ليشكل كربونات أو بيكربونات.

مع احتجاز ثاني أكسيد الكربون في الكربونات أو البيكربونات، يمكن للمهندسين فصله عن السائل وتحويله إلى منتجات مثل البلاستيك والمشروبات الغازية وما إلى ذلك. وإذا مرت هذه الكربونات والبيكربونات بمزيد من المعالجة، فيمكنها أيضًا العمل كوقود لتشغيل المنازل و ربما الطائرات. ومن ناحية أخرى، يعود السائل الأساسي إلى الغرفة لالتقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون. 

في حين أن الحل يبدو وكأنه ترتيب مثالي لالتقاط الكربون وإعادة تدويره لاستخدامه مرة أخرى، إلا أن هناك مشكلة موجودة.

انقر هنا لمعرفة كيف يمكن أن تكون إدارة غاز الميثان هي المفتاح لتحقيق أهداف المناخ العالمية.

المشكلة مع الحل الأصلي

المشكلة تكمن في كيفية عمل الكربونات أو البيكربونات تم فصله من السائل. يتطلب إطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز من الشركات تسخين محلول الكربونات والبيكربونات إلى درجة حرارة لا تقل عن 2 درجة مئوية (900 درجة فهرنهايت). هذه هي درجة الحرارة التي لا تستطيع مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح تحقيقها. وبالتالي، فإن الوصول إلى درجة الحرارة هذه يتطلب حرق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الميثان النقي.

أثناء الحديث عن هذا الصيد مخبأة في النظام، ويلسون سميث، أستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية وزميل معهد الطاقة المتجددة والمستدامة في CU Boulder، كان لديه ما يلي ليقوله، وهو ما يلخص المشكلة بشكل أساسي:

"إذا كان علينا إطلاق ثاني أكسيد الكربون لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون، فإن ذلك يتعارض مع الغرض الكامل من احتجاز الكربون."

 والشيء الجيد هو أن الباحثين ذهبوا إلى أبعد من المهمة المطروحة. وبصرف النظر عن الإشارة إلى عيوب النظام، فقد اقترحوا بديلاً يمكن أن يعالج هذا التناقض. 

العلاج البديل للحل الأصلي

اقترح الباحثون استخدام عملية الالتقاط التفاعلي لحل المشكلة. ومع ذلك، أوصوا بتعديل نطاقها التقليدي. 

يشير الالتقاط التفاعلي، في شكله التقليدي، إلى عملية يتم فيها تطبيق الكهرباء على محاليل الكربونات والبيكربونات، مما يؤدي إلى فصل ثاني أكسيد الكربون والسائل الأساسي عن بعضهما البعض في الغرفة. ويسمى أيضًا نظام الحلقة المغلقة الذي يمكنه التقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون في شكله السائل المعاد تدويره. 

ومع ذلك، في هذه الحالة، لاحظ الباحثون وجود عيب. ورأت أنه في البيئة الصناعية، لن تتمكن الكهرباء من تجديد السائل الأساسي لإعادة احتجاز المزيد من ثاني أكسيد الكربون من الهواء. وستكون هذه عملية غير فعالة في شكلها الأصلي، حيث أنه بعد خمس دورات من احتجاز الكربون وتجديده، لن يتمكن السائل الأساسي من سحب أي ثاني أكسيد الكربون من الهواء. 

أوصى الباحثون بإضافة التحليل الكهربائي إلى العملية كمحلول. تُقدم هذه الطريقة فوائد متعددة. أولًا، يُمكنها العمل بالكهرباء المتجددة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكنها تقسيم المزيد من الماء إلى أيونات حمضية وقاعدية، مما يُحافظ على قدرة السائل القاعدي على امتصاص المزيد من ثاني أكسيد الكربون. وصف ويلسون سميث إنجاز هذا الفريق بأنه "حلّ مشاكل متعددة بتقنية واحدة"، وهو مُحقّ في ذلك!

في حين أن مهمة الباحثين هي ابتكار حلول جديدة وضبط الحلول الحالية لزيادة الكفاءة، فإن الشركات والشركات تتحمل أيضًا مسؤولية، والعديد من الشركات تقوم بعمل رائع في الوفاء بهذه المسؤولية. في الأقسام أدناه، سوف ننظر اثنان من هذه الشركات التي توصلت إلى حلول مبتكرة وفعالة في هذا المجال. 

انقر هنا لمعرفة ما إذا كان احتجاز الكربون في المحيطات حلاً قابلاً للتطبيق.

# 1. الجرافيت

تُعتبر "جرافيت" الحل الأول والوحيد عالميًا لإزالة ثاني أكسيد الكربون، فهو متين، وبأسعار معقولة، وقابل للتطوير الفوري. وتؤكد "جرافيت" أن حلولها قادرة على إزالة ثاني أكسيد الكربون لأكثر من ألف عام.

فيما يتعلق بالقدرة على تحمل التكاليف، توفر الشركة حلولها بتكلفة إنتاج مستوية تقل عن 100 دولار أمريكي/طن و فيما يتعلق بقابلية التوسع، تدعي الشركة أنها قادرة على التوسع إلى مستوى يمكن فيه تحقيق إزالة مليارات الأطنان من الكربون. 

طريقة الجرافيت المحددة يتبع نهج صب الكربون، الذي يستفيد من الكتلة الحيوية المتاحة بسهولة، مثل بقايا الأخشاب والعمليات الزراعية. يجفف الجرافيت ويضغط هذه الكتلة الحيوية لتحويلها إلى كتل كربونية كثيفة. تأتي هذه الكتل مع حاجز غير منفذ آمن بيئيًا يضمن تخزينًا آمنًا في مواقع حديثة تحت الأرض. 

وفي حديثه عن أسلوب شركة Graphyte، قال باركلي روجرز، مؤسس الشركة والرئيس التنفيذي لها، ما يلي:

يُمكّن صب الكربون الطبيعة من التقاط ثاني أكسيد الكربون بكفاءة، ثم يُوظّف تقنيات هندسية لتخزينه لفترات زمنية مناسبة للمناخ. إنه حلٌّ يُمكن تطبيقه في أي مكان، وسيُغيّر السوق، والأهم من ذلك، سيُساعد في إنقاذ الكوكب. 

يمكن أن يحافظ صب الكربون على كل الكربون المحتجز في الكتلة الحيوية تقريبًا ويستهلك القليل جدًا من الطاقة. إنها عملية منخفضة التكلفة لكنها متينة لإزالة الكربون، وتجمع بين عملية التمثيل الضوئي والهندسة العملية. 

ساعدت إمكانات شركة Graphyte في كسب ثقة ومصداقية مجتمع المستثمرين. وقد أكملت سلسلة تمويل جولة بإجمالي 30 مليون دولار أمريكي. تمت قيادة الجولة بشكل مشترك من قبل Prelude Ventures وCarbon Direct Capital وتضمنت أيضًا مساهمات من المستثمرين الحاليين مثل Breathal Energy Ventures وOverture. 

وفي حين ظهرت المشاريع المبتكرة الممولة بالأسهم مثل جرافيت مع حلول العصر الجديد، هناك شركات عامة راسخة مثل ليند التي غامرت في احتجاز الكربون على أساس الامتزاز واستخلاص ثاني أكسيد الكربون. 

# 2. خشب الزيزفون

استخدم حل احتجاز الكربون القائم على الامتزاز HISORP® CC، وهي الإضافة الأحدث إلى محفظة ليندي لالتقاط الكربون، تكمل تقنيات الامتصاص بالضغط المتأرجح (PSA) والأغشية المجربة والمختبرة. 

يقوم محلول HISORP CC بفصل ثاني أكسيد الكربون عن غازات المعالجة عبر نطاق واسع من تركيزات تغذية ثاني أكسيد الكربون. إنه يستفيد من تقنيات Linde المتعددة، بما في ذلك امتصاص الضغط المتأرجح (PSA)، والفصل المبرد، والضغط، لتحقيق معدل التقاط يزيد عن 99%، 99.7% على وجه الدقة. 

واحدة من أعظم مزايا هذا الحل هو أنه يعمل بالطاقة المستمدة من مصادر متجددة. ولا تتطلب عملية التجديد البخار، مما يضمن الحد الأدنى من البصمة الكربونية. 

علاوة على ذلك، فإن HISORP CC عبارة عن تقنية منخفضة النفقات الرأسمالية ومنخفضة النفقات التشغيلية مع الحد الأدنى من معدل استهلاك الطاقة المحدد وهي متاحة بدون أي تكلفة إضافية تقريبًا لإدارة المذيبات والمكياج و معالجة. 

لقد ضمنت شركة Linde أن تظل التكنولوجيا متوافقة وشاملة على نطاق واسع بحيث يمكن دمجها مع مجموعة كاملة من حلول Linde، بما في ذلك إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار (SMR)، أو الإصلاح الحراري التلقائي (ATR)، أو الأكسدة الجزئية (POX)، أو التغويز. إنه يفضي إلى التكامل في المصانع الحالية والجديدة لـ SMR، وPOX، وATR، حتى مع زيادة إنتاج الهيدروجين.

في عام 2023، تم تسجيل شركة Linde، باعتبارها شركة عالمية رائدة في مجال الغازات الصناعية والهندسة مبيعات بقيمة 33 مليار دولار. 

وفي حين تلتزم الشركات بأهدافها، فإن التعلم والتبادل بين الشركات والمؤسسات البحثية يكون متبادلاً. في الجزء الختامي، سننظر في الأبحاث التكنولوجية في هذا المجال والتي يمكن أن تغير مستقبل احتجاز الكربون من خلال جعله أكثر فعالية وكفاءة. 

مستقبل احتجاز الكربون: أداة ذات إمكانات تحويلية

في يوليو 2024، اقترحت مجموعة من الباحثين منصة شاملة ل تسريع احتجاز الكربون القائم على المواد الماصة. أطلقوا على المنصة اسم PrISMa، والتي تعني التصميم القائم على العمليات للمواد الماصة المصممة خصيصًا. 

حاولت المنصة جعل النشر على نطاق واسع لتقنيات احتجاز الكربون أكثر كفاءة في استخدام الكربون. وشدد على جمع المكونات المجزأة والقائمين على تنفيذها تحت مظلة واحدة. 

بينما ركز الكيميائيون سابقًا على تصميم المواد والمهندسين على تحسين العمليات، قامت منصة PrISMa بدمج المواد وتصميم العمليات والاقتصاد التقني وتقييم دورة الحياة. وقد قارنت أكثر من 60 دراسة حالة حول احتجاز ثاني أكسيد الكربون من مصادر مختلفة في 2 مناطق عالمية باستخدام تقنيات مختلفة. 

ثم أبلغت في الوقت نفسه مختلف أصحاب المصلحة حول فعالية تكلفة التقنيات وتكوينات العمليات والمواقع. كما كشفت أيضًا عن الخصائص الجزيئية للمواد الماصة عالية الأداء وقدمت رؤى قابلة للتنفيذ حول التأثيرات البيئية والفوائد المشتركة والمقايضات. وكان الناتج النهائي يهدف إلى توحيد أصحاب المصلحة في مرحلة بحثية مبكرة، وتسريع تطوير تكنولوجيا احتجاز الكربون في السباق نحو عالم خال من الكربون.

العلماء المسؤولون عن تطوير PrISMaويشعر بيرند سميت من EPFL وسوزانا جارسيا من جامعة هيريوت وات بتفاؤل كبير بشأن قابلية استخدام هذه الطريقة في الحياة الواقعية. وفقا للبروفيسور بيريند سميت:

"يعمل هذا النهج المبتكر على تسريع اكتشاف المواد عالية الأداء لالتقاط الكربون، متجاوزًا طرق التجربة والخطأ التقليدية."

يحمل PriISMa إمكانات كبيرة للمستقبل. وباستخدام البيانات التجريبية والمحاكاة الجزيئية، يمكن التنبؤ بخصائص الامتزاز للمواد الماصة المحتملة. 

سيؤدي ذلك في نهاية المطاف إلى تمكين مجتمع المطورين من اتخاذ قرارات مدروسة. تتيح خصائص طبقة عملية PrISMa قياس ومعايرة أداء حلول احتجاز الكربون من خلال مساعدة العلماء على حساب معايير أداء العملية، مثل النقاء، والاستعادة، ومتطلبات الطاقة.

أحد المعايير الأساسية التي تُحدد نجاح أو فشل أي حل علمي أو تكنولوجي هو جدواه الاقتصادية. تستطيع بريزما تقييم الجدوى الاقتصادية والفنية لمحطة احتجاز الكربون. وأخيرًا، يمكنها تقييم الآثار البيئية على مدار دورة حياة المحطة بأكملها، مما يضمن استدامة شاملة.

في المجمل، PrISMa ليس أقل من كونه ثوريًا أو تحويليًا. 

لقد بدأنا مناقشتنا مع الحل المعتمد على نطاق واسع وجد الآن، ومع توفر PrISMa في متناول المجتمع العلمي، سيتسنى ابتكار حلول فعّالة بيئيًا، وقابلة للتطوير، وفعالة من حيث التكلفة، منذ البداية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم مخزونات احتجاز الكربون للاستثمار فيها.