Bezpośrednie przechwytywanie powietrza - Direct air capture

Schemat przepływu bezpośredniego procesu wychwytywania powietrza z wykorzystaniem wodorotlenku sodu jako absorbentu z regeneracją rozpuszczalnika.
Schemat przepływu bezpośredniego procesu wychwytywania powietrza z wykorzystaniem wodorotlenku sodu jako absorbentu z regeneracją rozpuszczalnika.

Bezpośrednie wychwytywanie powietrza ( DAC ) to proces wychwytywania dwutlenku węgla ( CO
2
)
bezpośrednio z otaczającego powietrza (w przeciwieństwie do przechwytywania ze źródeł punktowych , takich jak cementownia czy elektrownia na biomasę ) i generująca skoncentrowany strumień CO
2
do sekwestracji lub wykorzystania lub produkcji neutralnych pod względem emisji CO2 paliw i gazów wiatrowych . Usuwanie dwutlenku węgla osiąga się, gdy otaczające powietrze styka się z mediami chemicznymi, zazwyczaj wodnym rozpuszczalnikiem alkalicznym lub sorbentami z grupami funkcyjnymi. Te media chemiczne są następnie usuwane z CO 2 poprzez zastosowanie energii (mianowicie ciepła), w wyniku czego strumień CO 2 może podlegać odwodnieniu i kompresji, jednocześnie regenerując media chemiczne do ponownego użycia.

DAC został zaproponowany w 1999 roku i wciąż jest w fazie rozwoju, chociaż w Europie i Stanach Zjednoczonych działa lub planuje kilka zakładów komercyjnych. Wdrażanie DAC na dużą skalę może zostać przyspieszone w połączeniu z ekonomicznymi przypadkami użycia lub zachętami politycznymi.

DAC nie jest alternatywą dla tradycyjnego, punktowego wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) , ale może być wykorzystywany do zarządzania emisjami ze źródeł rozproszonych, takich jak spaliny z samochodów. W połączeniu z długotrwałym przechowywaniem CO
2
, DAC może działać jako narzędzie do usuwania dwutlenku węgla , chociaż od 2021 roku nie jest to opłacalne, ponieważ koszt tony dwutlenku węgla jest kilkakrotnie wyższy niż cena węgla .

Metody chwytania

Techniki komercyjne wymagają dużych wentylatorów do przepychania powietrza z otoczenia przez filtr. Tam, ciekły rozpuszczalnik -usually aminy -na lub sody kaustycznej - absorbuje CO
2
z gazu. Na przykład powszechny rozpuszczalnik kaustyczny: wodorotlenek sodu reaguje z CO
2
i wytrąca stabilny węglan sodu . Ten węglan jest podgrzewany w celu wytworzenia bardzo czystego gazowego CO
2
strumień. Wodorotlenek sodu może być odzyskiwany z węglanu sodu w procesie kaustyzacji . Alternatywnie CO
2
wiąże się z sorbentem stałym w procesie chemisorpcji . Poprzez ciepło i próżnię CO
2
jest następnie desorbowany z ciała stałego.

Wśród badanych specyficznych procesów chemicznych wyróżniają się trzy: kaustyzacja wodorotlenkami metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych, karbonatyzacja oraz organiczno-nieorganiczne sorbenty hybrydowe składające się z amin osadzonych w porowatych adsorbentach .

Inne zbadane metody

Pomysł wykorzystania wielu małych rozproszonych płuczek DAC — analogicznych do żywych roślin — w celu uzyskania istotnej dla środowiska redukcji CO
2
poziomach, technologia zyskała miano sztucznych drzew w popularnych mediach.

Sorbent przeciwwilgociowy

W cyklicznym procesie zaprojektowanym w 2012 roku przez prof. Klausa Lacknera , dyrektora Centrum Ujemnych Emisji Węgla (CNCE), rozcieńczyć CO
2
można skutecznie oddzielić przy użyciu polimerowej żywicy anionowymiennej o nazwie Marathon MSA, która pochłania CO . z powietrza
2
po wyschnięciu i uwalnia go po wystawieniu na działanie wilgoci. Duża część energii do procesu jest dostarczana przez utajone ciepło przemiany fazowej wody. Technologia wymaga dalszych badań w celu określenia jej opłacalności.

Podbudowy metalowo-organiczne

Inne substancje, które mogą być użyte to szkielety metaloorganiczne (lub MOF).

Membrany

Separacja membranowa CO
2
polegać na półprzepuszczalnych membranach. Ta metoda wymaga niewielkiej ilości wody i zajmuje mniej miejsca.

Wpływ środowiska

Zwolennicy DAC twierdzą, że jest to zasadniczy element łagodzenia zmiany klimatu . Naukowcy zakładają, że DAC może przyczynić się do realizacji celów paryskiego porozumienia klimatycznego (mianowicie ograniczenia wzrostu średniej temperatury na świecie do znacznie poniżej 2 °C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej). Inni twierdzą jednak, że poleganie na tej technologii jest ryzykowne i może opóźnić redukcję emisji, ponieważ jest to możliwe w późniejszym czasie i sugerują, że redukcja emisji może być lepszym rozwiązaniem.

DAC opierający się na absorpcji opartej na aminach wymaga znacznego wkładu wody. Oszacowano, że wychwytywanie 3,3 gigaton CO
2
rok wymagałby 300 km 3 wody, czyli 4% wody używanej do nawadniania . Z drugiej strony, użycie wodorotlenku sodu wymaga znacznie mniej wody, ale sama substancja jest silnie żrąca i niebezpieczna.

DAC wymaga również znacznie większego nakładu energii w porównaniu z tradycyjnym wychwytywaniem ze źródeł punktowych, takich jak gazy spalinowe , ze względu na niskie stężenie CO
2
. Teoretyczna minimalna energia wymagana do wydobycia CO
2
z otaczającego powietrza wynosi około 250 kWh na tonę CO
2
, natomiast wychwytywanie z elektrowni gazowych i węglowych wymaga odpowiednio około 100 i 65 kWh na tonę CO
2
. Ze względu na to implikowane zapotrzebowanie na energię, niektórzy promotorzy geoinżynierii zaproponowali wykorzystanie „małych elektrowni jądrowych” połączonych z instalacjami DAC.

Kiedy DAC jest połączony z systemem wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) , może wytworzyć elektrownię o ujemnej emisji, ale wymagałoby to źródła energii elektrycznej bez emisji dwutlenku węgla . Wykorzystanie jakiejkolwiek energii elektrycznej z paliw kopalnych doprowadziłoby do uwolnienia większej ilości CO
2
do atmosfery, niż by to uchwyciło. Co więcej, wykorzystanie DAC do zwiększonego odzyskiwania ropy zlikwidowałoby wszelkie rzekome korzyści w zakresie łagodzenia zmiany klimatu.

Aplikacje

Praktyczne zastosowania DAC obejmują:

Te zastosowania wymagają różnych stężeń CO
2
produkt powstały z wychwyconego gazu. Formy sekwestracji węgla, takie jak składowanie geologiczne, wymagają czystego CO
2
produktów (stężenie > 99%), podczas gdy inne zastosowania, takie jak rolnictwo, mogą działać z bardziej rozcieńczonymi produktami (~5%). Ponieważ powietrze przetwarzane przez DAC pierwotnie zawiera 0,04% CO
2
(lub 400 ppm), tworzenie czystego produktu wymaga więcej energii niż produkt rozcieńczony, a zatem jest zazwyczaj droższe.

DAC nie jest alternatywą dla tradycyjnych, punktowych wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS), jest raczej technologią uzupełniającą, którą można wykorzystać do zarządzania emisjami dwutlenku węgla ze źródeł rozproszonych, emisjami niezorganizowanymi z sieci CCS i wyciekami z formacji geologicznych. Ponieważ DAC można stosować z dala od źródła zanieczyszczeń, paliwo syntetyczne produkowane tą metodą może wykorzystywać istniejącą już infrastrukturę transportu paliw.

Koszt

Jedną z największych przeszkód we wdrażaniu DAC jest koszt wymagany do oddzielenia CO
2
i powietrze. W badaniu z 2011 r. oszacowano, że instalacja zaprojektowana do wychwytywania 1 megatony CO
2
rok kosztowałby 2,2  miliarda dolarów. Inne badania z tego samego okresu oceniają koszt DAC na 200–1000 USD za tonę CO
2
i 600 USD za tonę.

W badaniu ekonomicznym pilotażowej instalacji w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie , przeprowadzonym w latach 2015-2018, oszacowano koszt na 94-232 USD za tonę atmosferycznego CO
2
REMOVED. Warto zauważyć, że badanie zostało wykonane przez firmę Carbon Engineering , która ma interes finansowy w komercjalizacji technologii DAC.

Od 2011 r. CO
2
koszty wychwytywania rozpuszczalników na bazie wodorotlenków zazwyczaj kosztują 150 USD za tonę CO
2
. Obecna separacja oparta na ciekłych aminach wynosi 10–35 USD za tonę CO
2
. CO na bazie adsorpcji
2
koszty wychwytywania wynoszą od 30 do 200 USD za tonę CO
2
. Trudno jest znaleźć konkretny koszt dla DAC, ponieważ każda metoda ma duże zróżnicowanie w regeneracji sorbentu i kosztach kapitałowych.

Wdrożenie DAC na dużą skalę można przyspieszyć dzięki zachętom politycznym, takim jak 45Q lub kalifornijski standard paliw niskoemisyjnych .

Rozwój

Inżynieria węgla

To komercyjna firma DAC założona w 2009 roku i wspierana m.in. przez Billa Gatesa i Murraya Edwardsa . Od 2018 roku prowadzą pilotażową fabrykę w Kolumbii Brytyjskiej w Kanadzie, która działa od 2015 roku i jest w stanie wydobyć około tony CO
2
dzień. W badaniu ekonomicznym ich pilotażowej instalacji przeprowadzonym w latach 2015-2018 oszacowano koszt na 94-232 USD za tonę atmosferycznego CO
2
REMOVED.

Współpracując z kalifornijską firmą energetyczną Greyrock, konwertują część skoncentrowanego CO
2
na paliwo syntetyczne , w tym benzynę, olej napędowy i paliwo do silników odrzutowych.

Firma stosuje roztwór wodorotlenku potasu . Reaguje z CO
2
tworząc węglan potasu , który usuwa pewną ilość CO
2
z powietrza.

Climeworks

Ich pierwsza instalacja DAC na skalę przemysłową, która rozpoczęła działalność w maju 2017 r. w Hinwil w kantonie Zurych w Szwajcarii, jest w stanie wychwycić 900 ton CO2.
2
na rok. Aby obniżyć zapotrzebowanie na energię, zakład wykorzystuje ciepło z lokalnej spalarni odpadów . CO
2
służy do zwiększenia plonów warzyw w pobliskiej szklarni.

Firma stwierdziła, że ​​wychwytywanie jednej tony CO . kosztuje około 600 USD
2
z powietrza.

Climeworks współpracował z Reykjavik Energy w projekcie CarbFix uruchomionym w 2007 r. W 2017 r. rozpoczęto realizację projektu CarbFix2, który otrzymał dofinansowanie z programu badawczego Unii  Europejskiej Horyzont  2020 . Projekt pilotażowej instalacji CarbFix2 przebiega obok elektrowni geotermalnej w Hellisheidi na Islandii . W tym podejściu CO
2
jest wstrzykiwany 700 metrów pod ziemię i mineralizuje się w bazaltowej skale, tworząc minerały węglanowe. Instalacja DAC wykorzystuje niskogatunkowe ciepło odpadowe z instalacji, skutecznie eliminując więcej CO
2
niż obaj produkują.

Globalny termostat

Jest to prywatna firma założona w 2010 roku, zlokalizowana na Manhattanie w stanie Nowy Jork , z fabryką w Huntsville w stanie Alabama . Global Thermostat wykorzystuje sorbenty aminowe połączone z gąbkami węglowymi w celu usuwania CO
2
z atmosfery. Firma realizuje projekty w zakresie od 40 do 50 000 ton/rok.

Firma twierdzi, że usuwa CO
2
za 120 USD za tonę w zakładzie w Huntsville.

Global Thermostat sfinalizował umowy z Coca-Colą (która ma na celu wykorzystanie DAC do pozyskiwania CO
2
dla swoich napojów gazowanych) oraz ExxonMobil, który zamierza być pionierem w branży DAC-to-fuel z wykorzystaniem technologii Global Thermostat.

Soletair Moc

Jest to startup założony w 2016 roku, znajduje się w Lappeenranta , Finlandia , działających w dziedzinie DAC i moc-X . Startup jest wspierany przede wszystkim przez fińską grupę technologiczną Wärtsilä . Według Soletair Power ich technologia jest pierwszą na świecie, która łączy przetwornik cyfrowo-analogowy z integracją budynku. Pochłania CO
2
z urządzeń wentylacyjnych wewnątrz budynków i wychwytuje je w celu poprawy jakości powietrza. Zamiast ograniczać emisję dwutlenku węgla, skupiają się na fakcie, że DAC może poprawić funkcje poznawcze pracowników o 20% na 400 ppm
CO w pomieszczeniach
2
usunięte, według badania przeprowadzonego przez Harvard.

Firma wykorzystuje wychwycony CO
2
w tworzeniu syntetycznego paliwa odnawialnego oraz jako surowca do zastosowań przemysłowych. W 2020 roku firma Wärtsilä wraz z Soletair Power i Q Power stworzyła swoją pierwszą demonstracyjną jednostkę Power-to-X na targi Dubai Expo 2020 , która może wytwarzać syntetyczny metan z wychwyconego CO
2
z budynków.

Paliwa Prometeusza

To firma typu start-up z siedzibą w Santa Cruz, która uruchomiła Y Combinator w 2019 roku w celu usunięcia CO 2 z powietrza i przekształcenia go w benzynę o zerowej emisji dwutlenku węgla i paliwo do silników odrzutowych. Firma wykorzystuje technologię DAC, adsorpcji CO 2 z powietrza bezpośrednio do elektrolitów procesowych, gdzie za pomocą elektrokatalizy przekształcany jest w alkohole . Alkohole są następnie oddzielane od elektrolitów za pomocą membran z nanorurek węglowych i przekształcane w benzynę i paliwa do silników odrzutowych. Ponieważ w procesie wykorzystuje się wyłącznie energię elektryczną ze źródeł odnawialnych , stosowane paliwa są neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla i nie emitują CO 2 netto do atmosfery.

Inne firmy

  • Infinitree – wcześniej znany jako Kilimanjaro Energy and Global Research Technology. Część amerykańskiego zlewu węglowego. Zademonstrował wstępny prototyp opłacalnej ekonomicznie technologii DAC w 2007 r.
  • Skytree – firma z Holandii
  • Brytyjskie Centrum Badań nad Wychwytywaniem i Składowaniem Dwutlenku Węgla
  • Centrum Ujemnej Emisji Węgla Uniwersytetu Stanowego Arizony
  • Carbyon - start-up w Eindhoven w Holandii
  • TerraFixing - Startup w Ottawie, Kanada
  • CarbFix - spółka zależna Reykjavik Energy , Islandia

Zobacz też

Bibliografia