Εναλλακτικές λύσεις για τη δέσμευση CO2

Η δέσμευση CO2 είναι ζωτικής σημασίας για την επιτυχή αντιστροφή της ζημιάς που θα μπορούσε να προκαλέσει σύντομα η υπερθέρμανση του πλανήτη στο κλίμα μας. Ωστόσο, υπάρχει μια σύγκρουση μεταξύ αυτού που ο ανθρώπινος πολιτισμός θέλει να επιτύχει ιδανικά και της πραγματικότητας στο έδαφος. Η Συμφωνία του Παρισιού σηματοδότησε μια παγκόσμια δέσμευση να διατηρήσει την αύξηση της μέσης παγκόσμιας θερμοκρασίας πολύ κάτω από τους 2°C πάνω από τα προβιομηχανικά επίπεδα. 

Ενώ απαιτήθηκαν ειλικρινείς προσπάθειες για να περιοριστεί η αύξηση στους 1.5 βαθμούς Κελσίου απομακρύνοντας τα ορυκτά καύσιμα, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που τροφοδοτούνται από άνθρακα και φυσικό αέριο συνεχίζουν να κυριαρχούν στον παγκόσμιο τομέα ηλεκτρικής ενέργειας, αναφέρει η Διεθνής Ένωση Ενέργειας (IEA). 

Στην πραγματικότητα, παρά την παγκόσμια προσπάθεια να προχωρήσουμε πιο δυναμικά προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η ενέργεια που παράγεται από ορυκτά καύσιμα έχει αυξηθεί κατά 70% από το 2000. Ο άνθρακας παραμένει η μεγαλύτερη πηγή καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με 38%, ακολουθούμενο από το αέριο με περίπου 20%. . 

Οι πολιτικές που εφαρμόζονται παγκοσμίως είναι πρόθυμες να αντιμετωπίσουν το ζήτημα των εκπομπών από υπάρχοντες σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα και που χτίζεται σήμερα. Ωστόσο, μια μείωση ή μείωση των εκπομπών CO2 δεν εγγυάται την απουσία άνθρακα που παγιδεύει τη θερμότητα. Ο ΙΕΑ προτείνει ότι ακόμη και μετά από μείωση των εκπομπών CO2 από τον υπάρχοντα στόλο με καύση άνθρακα κατά περίπου 40%, οι ετήσιες εκπομπές θα εξακολουθήσουν να ανέρχονται σε 6 GtCO2 ετησίως το 2040.

Σε ένα τέτοιο σενάριο, η επίτευξη των στόχων μας για το κλίμα δεν θα ήταν δυνατή μόνο με τη μείωση των εκπομπών. Θα απαιτούνται εναλλακτικές λύσεις για τη δέσμευση άνθρακα, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να αποθηκευτεί σε κλίμακα. Όμως, αυτές οι λύσεις θα πρέπει να είναι ολιστικά βιώσιμες, οικονομικά αποδοτικές και βιώσιμες μακροπρόθεσμα. 

Πρόσφατα, στο μια μελέτη που δημοσιεύθηκε Την 1η Μαΐου στο περιοδικό ACS Energy Letters, ερευνητές στο CU Boulder και συνεργάτες αποκάλυψαν ότι μια δημοφιλής προσέγγιση που διερευνούν πολλοί μηχανικοί για τη δέσμευση άνθρακα θα αποτύχει. 

Ωστόσο, η ομάδα των ερευνητών, που αποτελείται από επιστήμονες που εργάζονται στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Golden, στο Κολοράντο και στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία, δεν σταμάτησε να επισημαίνει το ελάττωμα στο υπάρχον σύστημα, αλλά συνέστησε επίσης μια εναλλακτική και πιο βιώσιμη λύση όχι μόνο δέσμευσης άνθρακα αλλά και μετατροπής του σε καύσιμο. 

Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε τι συνιστούσε η αρχική λύση, ποια ήταν τα ελαττώματα και πώς αυτά τα ελαττώματα θα μπορούσαν να διορθωθούν με εναλλακτική λύση!

Η αρχική λύση για τη σύλληψη άνθρακα

Ως αρχική λύση, αναφερόμαστε σε μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες προσεγγίσεις άμεσης σύλληψης αέρα που περιλαμβάνει επαφέες αέρα, οι οποίοι είναι τεράστιοι ανεμιστήρες που τραβούν αέρα σε ένα θάλαμο γεμάτο με ένα βασικό υγρό. Δεδομένου ότι το CO2 είναι όξινο στη χημική του φύση, το βασικό υγρό συνδέεται με αυτό και αντιδρά μαζί του για να σχηματίσει ένα ανθρακικό ή διττανθρακικό.

Με το CO2 παγιδευμένο στο ανθρακικό ή το διττανθρακικό, οι μηχανικοί μπορούν να το διαχωρίσουν από το υγρό και να το μετατρέψουν σε προϊόντα όπως πλαστικά, ανθρακούχα ποτά κ.λπ. δυνητικά, αεροπλάνα. Από την άλλη πλευρά, το βασικό υγρό επιστρέφει στον θάλαμο για να δεσμεύσει περισσότερο CO2. 

Ενώ η λύση φαίνεται να είναι μια τέλεια διάταξη για τη σύλληψη άνθρακα και την ανακύκλωσή του για περαιτέρω χρήση, υπάρχει ένα πρόβλημα.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς η διαχείριση του μεθανίου μπορεί να είναι το κλειδί για την επίτευξη των παγκόσμιων κλιματικών στόχων.

Το πρόβλημα με την αρχική λύση

Το πρόβλημα έγκειται στο πώς το ανθρακικό ή διττανθρακικό διαχωρίζεται από το υγρό. Η απελευθέρωση του παγιδευμένου CO2 απαιτεί από τις εταιρείες να θερμάνουν το διάλυμα ανθρακικού και διττανθρακικού σε τουλάχιστον 900˚C (1,652 ° F). Αυτός ο διαλογισμός στα είναι μια θερμοκρασία που δεν μπορούν να επιτύχουν οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή και ο άνεμος. Και επομένως, η επίτευξη αυτής της θερμοκρασίας απαιτεί την καύση ορυκτών καυσίμων όπως το φυσικό αέριο ή το καθαρό μεθάνιο.

Μιλώντας για αυτό το αλιεύμα κρυμμένο στο σύστημα, Ουίλσον Σμιθ, καθηγητής στο Τμήμα Χημικών και Βιολογικών Μηχανικών και υπότροφος του το Ινστιτούτο Ανανεώσιμων Πηγών και Αειφόρου Ενέργειας στο CU Boulder, είχε να πει τα εξής, τα οποία ουσιαστικά συνοψίζουν το πρόβλημα:

«Αν πρέπει να απελευθερώσουμε CO2 για να συλλάβουμε CO2, αυτό ακυρώνει τον σκοπό της δέσμευσης άνθρακα».

 Το καλό είναι ότι οι ερευνητές ξεπέρασαν και ξεπέρασαν το καθήκον τους. Εκτός από την επισήμανση των ελαττωμάτων του συστήματος, πρότειναν μια εναλλακτική που θα μπορούσε να θεραπεύσει τη διαφορά. 

Η εναλλακτική θεραπεία για την αρχική λύση

Οι ερευνητές πρότειναν την ανάπτυξη της διαδικασίας αντιδραστικής καταγραφής για την επίλυση του προβλήματος. Ωστόσο, συνέστησαν την τροποποίηση του συμβατικού πεδίου της διαδικασίας αντιδραστικής καταγραφής. 

Η αντιδραστική σύλληψη, στην παραδοσιακή της μορφή, αναφέρεται σε μια διαδικασία κατά την οποία εφαρμόζεται ηλεκτρισμός στα ανθρακικά και διττανθρακικά διαλύματα, απομακρύνοντας το CO2 και το βασικό υγρό στο θάλαμο. Ονομάζεται επίσης σύστημα κλειστού βρόχου που μπορεί να δεσμεύσει περισσότερο CO2 στην ανακυκλωμένη υγρή του μορφή. 

Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές παρατήρησαν ένα μειονέκτημα. Είδε ότι σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον, η ηλεκτρική ενέργεια δεν θα μπορούσε να αναγεννήσει το βασικό υγρό για να επανασυλλάβει περισσότερο CO2 από τον αέρα. Θα ήταν μια τόσο αναποτελεσματική διαδικασία στην αρχική της μορφή που μετά από πέντε κύκλους δέσμευσης και αναγέννησης άνθρακα, το βασικό υγρό δύσκολα θα μπορούσε να τραβήξει CO2 από τον αέρα. 

Οι ερευνητές συνέστησαν την προσθήκη της ηλεκτροδιάλυσης στη διαδικασία ως λύση. Αυτή η μέθοδος προσφέρει πολλαπλά οφέλη. Κυρίως, μπορεί να λειτουργεί με ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Επιπλέον, μπορεί να διασπάσει περισσότερο νερό σε όξινα και βασικά ιόντα, διατηρώντας την ικανότητα του βασικού υγρού να απορροφά περισσότερο CO2. Ο Wilson Smith χαρακτήρισε το επίτευγμα αυτής της ομάδας ως «επίλυση πολλαπλών προβλημάτων με μία τεχνολογία» και δικαίως!

Ενώ είναι καθήκον των ερευνητών να καινοτομούν νέες λύσεις και να τελειοποιούν τις υπάρχουσες για να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα, οι εταιρείες και οι επιχειρήσεις έχουν επίσης ευθύνη και πολλές εταιρείες εκπληρώνουν πολύ καλά αυτήν την ευθύνη. Στα παρακάτω τμήματα, θα εξετάσουμε μερικές τέτοιες εταιρείες που έχουν βρει καινοτόμες, αποτελεσματικές λύσεις σε αυτόν τον τομέα. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε εάν η παγίδευση άνθρακα στους ωκεανούς είναι μια βιώσιμη λύση.

# 1. Γραφίτης

Η Graphyte αυτοπροσδιορίζεται ως η πρώτη και μοναδική λύση απομάκρυνσης διοξειδίου του άνθρακα στον κόσμο που είναι ανθεκτική, οικονομικά προσιτή και άμεσα κλιμακούμενη. Όσον αφορά την ανθεκτικότητα, η Graphyte ισχυρίζεται ότι οι λύσεις της είναι ικανές να απομακρύνουν το διοξείδιο του άνθρακα για περισσότερα από χίλια χρόνια.

Όσον αφορά την οικονομική προσιτότητα, η εταιρεία διαθέτει τις λύσεις της με ισοπεδωμένο κόστος παραγωγής μικρότερο από 100$/τόνο όσον αφορά την επεκτασιμότητα, η εταιρεία ισχυρίζεται ότι μπορεί να κλιμακωθεί σε ένα επίπεδο όπου η αφαίρεση δισεκατομμυρίων τόνων άνθρακα είναι μια εφικτή δυνατότητα. 

Η συγκεκριμένη μέθοδος του γραφίτη ακολουθεί την προσέγγιση του Carbon Casting, η οποία αξιοποιεί άμεσα διαθέσιμη βιομάζα, όπως υπολείμματα από ξυλεία και γεωργικές εργασίες. Ο γραφίτης στεγνώνει και συμπιέζει αυτή τη βιομάζα για να τη μετατρέψει σε πυκνά μπλοκ άνθρακα. Αυτά τα μπλοκ διαθέτουν ένα περιβαλλοντικά ασφαλές αδιαπέραστο φράγμα που διασφαλίζει την ασφαλή αποθήκευση σε υπόγειους χώρους τελευταίας τεχνολογίας. 

Μιλώντας για τη μέθοδο της Graphyte, ο Barclay Rogers, ιδρυτής και διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας, είπε τα εξής:

«Η χύτευση άνθρακα επιτρέπει στη φύση να κάνει αποτελεσματικά τη δουλειά της δέσμευσης CO2 και στη συνέχεια αξιοποιεί τεχνικές μηχανικής για να το αποθηκεύσει για χρονικά πλαίσια που σχετίζονται με το κλίμα. Είναι μια λύση που μπορεί να εφαρμοστεί οπουδήποτε, που θα αλλάξει την αγορά και, το πιο σημαντικό, που θα βοηθήσει στη διάσωση του πλανήτη.» 

Η χύτευση άνθρακα μπορεί να διατηρήσει σχεδόν όλο τον άνθρακα που δεσμεύεται στη βιομάζα και καταναλώνει πολύ λίγη ενέργεια. Είναι μια χαμηλού κόστους αλλά ανθεκτική διαδικασία αφαίρεσης άνθρακα που συνδυάζει τη φωτοσύνθεση με την πρακτική μηχανική. 

Το δυναμικό της Graphyte την έχει βοηθήσει να κερδίσει την εμπιστοσύνη και την αξιοπιστία της επενδυτικής κοινότητας. Ολοκλήρωσε την Γύρος χρηματοδότησης της σειράς Α με συνολικό ποσό 30 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ. Ο γύρος διεξήχθη από κοινού από την Prelude Ventures και την Carbon Direct Capital και περιλάμβανε επίσης συνεισφορές από τρέχοντες επενδυτές όπως η Breathable Energy Ventures και η Overture. 

Ενώ καινοτόμες επιχειρήσεις που χρηματοδοτούνται από μετοχές, όπως η Graphyte, έχουν αναδυθεί με τις νέες τους λύσεις, υπάρχουν εδραιωμένες δημόσιες εταιρείες όπως η Linde που έχουν αποτολμήσει στη δέσμευση άνθρακα με βάση την προσρόφηση και την ανάκτηση διοξειδίου του άνθρακα. 

# 2. Linde

The Διάλυμα δέσμευσης άνθρακα με βάση την προσρόφηση HISORP® CC, η τελευταία προσθήκη στο χαρτοφυλάκιο δέσμευσης άνθρακα της Linde, συμπληρώνει τις δοκιμασμένες τεχνολογίες προσρόφησης με εναλλαγή πίεσης (PSA) και μεμβρανών. 

Το διάλυμα HISORP CC διαχωρίζει το CO2 από τα αέρια διεργασίας σε ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων τροφοδοσίας CO2. Αξιοποιεί πολλαπλές τεχνολογίες Linde, συμπεριλαμβανομένης της προσρόφησης αιώρησης πίεσης (PSA), του κρυογονικού διαχωρισμού και της συμπίεσης, για να επιτύχει ποσοστό σύλληψης μεγαλύτερο από 99%, 99.7% για την ακρίβεια. 

Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα αυτής της λύσης είναι ότι λειτουργεί με ενέργεια που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές. Η διαδικασία αναγέννησης δεν απαιτεί ατμό, εξασφαλίζοντας ελάχιστο αποτύπωμα άνθρακα. 

Επιπλέον, το HISORP CC είναι μια τεχνολογία low-CAPEX και low-OPEX με ελάχιστο ειδικό ρυθμό κατανάλωσης ενέργειας και διατίθεται σχεδόν χωρίς επιπλέον κόστος για διαχείριση διαλυτών, μακιγιάζ, Χειρισμός, ή Αντιμετώπιση. 

Η Linde έχει διασφαλίσει ότι η τεχνολογία παραμένει ευρέως συμβατή και περιεκτική, ώστε να μπορεί να συνδυαστεί με το πλήρες φάσμα των λύσεων Linde, συμπεριλαμβανομένης της αναμόρφωσης μεθανίου ατμού (SMR), της αυτόματης θερμικής αναμόρφωσης (ATR), της μερικής οξείδωσης (POX) ή της αεριοποίησης. Ευνοεί την ενσωμάτωση σε υπάρχουσες και νέες εγκαταστάσεις για SMR, POX και ATR, ακόμη και με αυξημένη παραγωγή υδρογόνου.

Το 2023, η Linde, ως κορυφαία παγκόσμια εταιρεία βιομηχανικών αερίων και μηχανικής, εγγράφηκε πωλήσεις 33 δισεκατομμυρίων δολαρίων. 

Ενώ οι εταιρείες είναι αφοσιωμένες στους στόχους τους, η μάθηση και η ανταλλαγή μεταξύ εταιρειών και ερευνητικών ιδρυμάτων είναι αμοιβαία. Στο τελικό τμήμα, εξετάζουμε την τεχνολογική έρευνα σε αυτόν τον χώρο που μπορεί να μεταμορφώσει το μέλλον της δέσμευσης άνθρακα καθιστώντας την πιο αποτελεσματική και αποδοτική. 

The Future of Carbon Capture: Ένα εργαλείο με μετασχηματιστικό δυναμικό

Τον Ιούλιο του 2024, μια ομάδα ερευνητών πρότεινε μια ολιστική πλατφόρμα για επιταχυνόμενη δέσμευση άνθρακα με βάση το ροφητή. Ονόμασαν την πλατφόρμα PrISMa, που σημαίνει Σχεδιασμός Προσαρμοσμένων Υλικών Προσροφητικών Υλικών με Πληροφόρηση Διαδικασιών. 

Η πλατφόρμα προσπάθησε να κάνει τη μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη τεχνολογιών δέσμευσης άνθρακα πιο αποτελεσματική όσον αφορά τον άνθρακα. Τόνισε ότι τα κατακερματισμένα στοιχεία και όσοι τα εφαρμόζουν κάτω από μια ομπρέλα. 

Ενώ οι χημικοί προηγουμένως επικεντρώνονταν στον σχεδιασμό υλικών και οι μηχανικοί στη βελτιστοποίηση των διαδικασιών, η πλατφόρμα Prisma ενσωμάτωσε υλικά, σχεδιασμό διεργασιών, τεχνοοικονομική και αξιολόγηση κύκλου ζωής. Συνέκρινε περισσότερες από 60 περιπτωσιολογικές μελέτες δέσμευσης CO2 από διάφορες πηγές σε 5 παγκόσμιες περιοχές χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνολογίες. 

Στη συνέχεια ενημέρωσε ταυτόχρονα διάφορους ενδιαφερόμενους σχετικά με τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας των τεχνολογιών, τις διαμορφώσεις διεργασιών και τις τοποθεσίες. Αποκάλυψε επίσης τα μοριακά χαρακτηριστικά των ροφητών κορυφαίας απόδοσης και πρόσφερε αξιόπιστες γνώσεις σχετικά με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, τα συν-οφέλη και τους συμβιβασμούς. Το τελικό αποτέλεσμα είχε ως στόχο να ενώσει τους ενδιαφερόμενους σε ένα πρώιμο ερευνητικό στάδιο, επιταχύνοντας την ανάπτυξη της τεχνολογίας δέσμευσης άνθρακα στον αγώνα προς έναν κόσμο καθαρού μηδέν.

Επιστήμονες υπεύθυνοι για την ανάπτυξη του Prisma, ο Berend Smit στο EPFL και η Susana Garcia στο Πανεπιστήμιο Heriot-Watt, είναι ιδιαίτερα αισιόδοξοι για την χρηστικότητα της μεθόδου στην πραγματική ζωή. Σύμφωνα με τον καθηγητή Berend Smit:

«Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση επιταχύνει την ανακάλυψη υλικών κορυφαίας απόδοσης για δέσμευση άνθρακα, ξεπερνώντας τις παραδοσιακές μεθόδους δοκιμής και λάθους».

Το Prisma έχει σημαντικές δυνατότητες για το μέλλον. Χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα και μοριακές προσομοιώσεις, μπορεί να προβλέψει τις ιδιότητες προσρόφησης πιθανών ροφητών υλικών. 

Αυτό τελικά θα οδηγούσε στην ικανότητα της κοινότητας των προγραμματιστών να κάνει ενημερωμένες επιλογές. Οι ιδιότητες του επιπέδου διεργασίας του PrISMa καθιστούν δυνατή τη μέτρηση και τη συγκριτική αξιολόγηση της απόδοσης των λύσεων δέσμευσης άνθρακα, βοηθώντας τους επιστήμονες να υπολογίσουν τις παραμέτρους απόδοσης της διεργασίας, όπως η καθαρότητα, η ανάκτηση και οι ενεργειακές απαιτήσεις.

Μία κρίσιμη παράμετρος που καθορίζει ή αποτυγχάνει οποιαδήποτε επιστημονική ή τεχνολογική λύση είναι η οικονομική της βιωσιμότητα. Το Prisma μπορεί να αξιολογήσει την οικονομική και τεχνική βιωσιμότητα μιας μονάδας δέσμευσης άνθρακα. Τέλος, μπορεί να αξιολογήσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής της μονάδας, διασφαλίζοντας ολοκληρωμένη βιωσιμότητα.

Συνολικά, το Prisma δεν είναι τίποτα λιγότερο από επαναστατικό ή μεταμορφωτικό. 

Ξεκινήσαμε τη συζήτησή μας με μια ευρέως υιοθετημένη λύση που Βρέθηκε να είναι ανεπαρκής και αυτοαναιρούμενη. Τώρα, με το PrISMa στη διάθεση της επιστημονικής κοινότητας, θα ήταν δυνατό να επινοηθούν λύσεις που θα ήταν περιβαλλοντικά αποδοτικές, κλιμακώσιμες και οικονομικά αποδοτικές από την αρχή.

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τα κορυφαία αποθέματα δέσμευσης άνθρακα για να επενδύσετε.