Bezpośrednie przechwytywanie powietrza - Direct air capture
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
2do 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
2z gazu. Na przykład powszechny rozpuszczalnik kaustyczny: wodorotlenek sodu reaguje z CO
2i wytrąca stabilny węglan sodu . Ten węglan jest podgrzewany w celu wytworzenia bardzo czystego gazowego CO
2strumień. Wodorotlenek sodu może być odzyskiwany z węglanu sodu w procesie kaustyzacji . Alternatywnie CO
2wiąże 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
2poziomach, 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
2można skutecznie oddzielić przy użyciu polimerowej żywicy anionowymiennej o nazwie Marathon MSA, która pochłania CO . z powietrza
2po 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
2polegać 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
2rok 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
2z 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
2do 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:
- zwiększony odzysk oleju ,
- produkcja paliw syntetycznych i tworzyw sztucznych neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla ,
- gazowanie napojów ,
- sekwestracja węgla ,
- poprawa wytrzymałości betonu,
- stworzenie alternatywy dla betonu neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla,
- zwiększenie produktywności hodowli alg,
- wzbogacanie powietrza w szklarniach
Te zastosowania wymagają różnych stężeń CO
2produkt powstały z wychwyconego gazu. Formy sekwestracji węgla, takie jak składowanie geologiczne, wymagają czystego CO
2produktów (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
2i powietrze. W badaniu z 2011 r. oszacowano, że instalacja zaprojektowana do wychwytywania 1 megatony CO
2rok 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
2REMOVED. Warto zauważyć, że badanie zostało wykonane przez firmę Carbon Engineering , która ma interes finansowy w komercjalizacji technologii DAC.
Od 2011 r. CO
2koszty 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
2koszty 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
2dzień. 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
2na paliwo syntetyczne , w tym benzynę, olej napędowy i paliwo do silników odrzutowych.
Firma stosuje roztwór wodorotlenku potasu . Reaguje z CO
2tworząc 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.
2na 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
2jest 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
2z 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
2dla 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
2z 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
2w 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