Как работает улавливание углерода?

Улавливание углерода — это передовая технология, приобретающая все большее значение в глобальной борьбе с изменением климата.

В результате сохраняющейся в мире сильной зависимости от ископаемого топлива в промышленном производстве и энергетике в атмосферу выбрасываются большие объемы углекислого газа (CO₂), являющегося значительным парниковым газом, что способствует глобальному потеплению.

Улавливание углерода является решением, позволяющим предотвратить попадание этих загрязняющих веществ в окружающую среду.

Что такое Улавливание углерода?

Процесс, называемый улавливанием углерода, иногда называемый улавливанием и хранением углерода (CCS) или улавливанием, использованием и хранением углерода (CCUS), направлен на улавливание CO₂ в точке выброса, например, на электростанциях, сталелитейных заводах, цементных заводах и предприятиях химической переработки, до того, как он будет выброшен в атмосферу.

После захвата CO2 может быть сохранен в глубоких геологических формациях или повторно использован в различных промышленных процессах, включая увеличение нефтеотдачи и синтетическое топливо. Цель заключается в том, чтобы не допустить, чтобы эти выбросы стали причиной глобального потепления.

Как работает улавливание углерода?

Группа технологий, известная как улавливание, использование и хранение углерода (CCUS), предназначена для снижения выбросов углекислого газа (CO₂) при производстве электроэнергии и промышленных процессах.

Удерживая CO₂ вне окружающей среды, CCUS помогает смягчить изменение климата. Три основных этапа процесса — улавливание, транспортировка и хранение или использование — имеют важное значение для эффективного управления CO2.

• захват
• Транспорт
• Хранение или использование

1. Захватить

Улавливание CO₂ из источников выбросов, таких как сталелитейные заводы, цементные заводы и электростанции, является начальной стадией. Существует множество способов выполнить эту технически сложную фазу. Топливо преобразуется в газовую смесь перед сжиганием в процессе улавливания перед сжиганием, который в основном используется при газификации угля.

Этот процесс позволяет отделить CO₂ от водорода, который затем сжигается для получения энергии. Распространенный на традиционных электростанциях, захват после сжигания подразумевает удаление CO₂ из дымовых газов после сгорания топлива, обычно с использованием химических растворителей, таких как амины, которые связываются с CO₂.

При кислородно-топливном сжигании топливо сжигается в чистом кислороде, а не в воздухе, в результате чего дымовой газ в основном состоит из CO₂ и водяного пара, из которого CO₂ легко отделяется после конденсации воды.

Хотя стоимость, эффективность и применимость каждой технологии различаются, дожигание является наиболее популярным, поскольку оно работает с уже существующей инфраструктурой.

2. Транспорт

Для эффективной транспортировки CO₂ сжимается в густую, жидкую форму после его улавливания. Как и газопроводы, трубопроводы являются наиболее широко используемой технологией, поскольку они могут транспортировать большие объемы на большие расстояния.

CO₂ может транспортироваться грузовиками или судами в районах без трубопроводной инфраструктуры, но это происходит реже и дороже. Чтобы остановить утечки и гарантировать, что CO₂ попадет в пункт назначения, необходима безопасная и надежная транспортировка.

3. Хранение или использование

Судьба уловленного CO₂ решается на последнем этапе. CO₂ хранится (или секвестрируется) путем закачки его глубоко, обычно на глубину 1-2 км, в геологические формации, такие как соленые водоносные горизонты, неразрабатываемые угольные пласты или истощенные нефтегазовые месторождения.

Эти места были выбраны из-за их непроницаемой покрышки и пористой породы, которые постоянно удерживают CO2. Мониторинг гарантирует отсутствие утечек. В качестве альтернативы, утилизация повторно использует CO₂ для полезных целей.

CO₂ впрыскивается в нефтяные месторождения во время повышения нефтеотдачи (EOR) для извлечения большего количества нефти и хранения некоторого количества CO₂ под землей. Хотя эти применения часто имеют ограниченные возможности долгосрочного хранения, CO₂ также может использоваться для производства полимеров, бетона, синтетического топлива и газированных напитков.

Преимущества улавливания углерода

Преимущества улавливания, использования и хранения углерода (CCUS) включают сокращение выбросов, решение проблемы изменения климата, декарбонизацию промышленности и создание экономических возможностей. Благодаря этим преимуществам это важный инструмент для достижения глобальных климатических целей и содействия экологической и экономической устойчивости.

• Смягчение последствий изменения климата
• Поддерживает промышленную декарбонизацию
• Обеспечивает отрицательные выбросы
• Экономические возможности

1. Смягчение последствий изменения климата

Удаляя углекислый газ (CO₂) из крупных источников, таких как электростанции и промышленные объекты, до того, как он попадет в атмосферу, технология улавливания и хранения углерода (CCUS) напрямую снижает выбросы парниковых газов.

Предотвращая влияние CO₂ на глобальное потепление, CCUS помогает смягчить последствия изменения климата, такие как повышение температуры, экстремальные погодные условия и повышение уровня моря. Это особенно полезно для отраслей с высоким уровнем выбросов, где альтернативные варианты с низким уровнем выбросов ограничены, гарантируя устойчивый прогресс в достижении амбиций по достижению нулевых выбросов.

2. Поддерживает промышленную декарбонизацию

Такие отрасли промышленности, как производство цемента, стали и химикатов, выбрасывают значительные объемы CO₂ из-за своей зависимости от высокотемпературных операций или химических реакций, которые по своей сути высвобождают CO₂. CCUS предлагает работоспособное решение для сокращения выбросов углерода в этих сложных отраслях без необходимости полного изменения технологических процессов.

Например, цементные печи и сталелитейные доменные печи могут продолжать работать, соблюдая климатические стандарты за счет улавливания CO₂, сохраняя свою экономическую жизнеспособность в низкоуглеродном будущем.

3. Обеспечивает отрицательные выбросы

В сочетании с BECCS или DAC, CCUS может достичь отрицательных выбросов путем удаления CO₂ из атмосферы. BECCS улавливает CO₂ из сжигаемой биомассы, которая уже поглощает CO₂ во время роста, что приводит к чистому сокращению, в то время как DAC извлекает CO₂ непосредственно из воздуха для хранения или использования.

Эти технологии необходимы для компенсации остаточных выбросов и достижения амбициозных климатических целей, подобных тем, которые изложены в Парижском соглашении.

CCUS поощряет инновации в продуктах на основе CO₂, таких как синтетическое топливо, бетон и пластик, создавая новые рынки. Например, использование CO₂ в улучшенной нефтеотдаче создает доход при хранении CO₂ под землей.

4. Экономические возможности

В регионах с развитой инфраструктурой улавливания и хранения углерода (CCUS) эти инициативы способствуют энергетической безопасности и экономическому процветанию. Хотя такие вопросы, как стоимость и масштабируемость, требуют постоянных инноваций и государственной поддержки, CCUS является краеугольным камнем устойчивого развития, поскольку снижает выбросы, способствует промышленным преобразованиям и создает экономические преимущества.

Проблемы и критика

Некоторые проблемы и возражения препятствуют широкому внедрению улавливания, использования и хранения углерода (CCUS).

• Стоимость
• Энергоемкий
• Риски хранения
• Задержка перехода

1. Стоимость

Стоимость — главная проблема. С высокими капитальными затратами на оборудование для улавливания и инфраструктуру, такую ​​как трубы, установка и эксплуатация системы CCUS обходятся дорого.

Без существенных субсидий или цен на выбросы углерода модернизация существующих предприятий или строительство новых объектов становится менее привлекательной из-за возросшего финансового бремени.

2. Энергия Интенсивная

Кроме того, этот процесс потребляет много энергии. Энергия, необходимая для работы химических растворителей или компрессоров во время улавливания CO2, особенно в системах дожигания, высока, что снижает общую эффективность электростанций или промышленных предприятий.

Если использовать ископаемое топливо, то этот энергетический штраф может привести к увеличению эксплуатационных расходов и частично нейтрализовать сокращение выбросов, к которому стремится CCUS.

3. Риски хранения

Риски, связанные с хранением, вызывают дополнительные опасения. Существует небольшая вероятность того, что CO₂, закачиваемый в геологические формации, со временем может вытечь, загрязняя грунтовые воды или высвобождая накопленный CO₂ обратно в атмосферу. Для обеспечения долгосрочной целостности площадки необходим тщательный мониторинг, что влечет за собой дополнительные расходы и создает проблемы для общественной безопасности.

4. Задержка перехода

Наконец, критики утверждают, что технология улавливания и хранения углерода (CCUS) может отсрочить переход к возобновляемым источникам энергии . Она может продлить использование объектов, работающих на ископаемом топливе, создавая видимость их экологичности и отвлекая средства от возобновляемых источников энергии, таких как солнечная или ветровая энергия.

Эти трудности показывают, что для того, чтобы гарантировать, что CCUS поддерживает инициативы по декарбонизации, а не препятствует им, необходимы жесткие правила, развитие технологий и продуманная стратегия.

Где используется улавливание углерода?

Несколько стран находятся на переднем крае глобального внедрения технологий улавливания, использования и хранения углерода (CCUS), направленных на снижение выбросов CO₂ промышленными и электрогенерирующими источниками.

• США
• Норвегия
• Канада
• Ближний Восток

1. США

Два крупнейших проекта CCUS в США — это проект Illinois Industrial CCS, в рамках которого под землей хранится CO₂, образующийся при производстве этанола, и Petra Nova в Техасе, в рамках которого CO₂ улавливается на угольной электростанции для повышения нефтеотдачи пластов (ПНП).

2. Норвегия

Норвегия является лидером в этой области: с 1996 года в рамках проектов Sleipner и Snøhvit были использованы морские геологические формации для хранения более 20 миллионов тонн CO₂ под Северным морем.

3. Канада

Одной из первых угольных электростанций в Канаде, включивших полномасштабный сбор CO₂, является проект Boundary Dam в Саскачеване. Уловленный CO₂ либо хранится в глубоких соленых водоносных горизонтах, либо используется для повышения нефтеотдачи.

4. Ближний Восток

Такие проекты, как комплекс «Утмания» в Саудовской Аравии, где CO₂ повторно используется для увеличения добычи нефти при ее хранении под землей, являются примерами того, как Ближний Восток совершенствует CCUS, особенно в области повышения нефтеотдачи пластов.

5. Другие регионы

Стремясь к достижению климатических целей и технологическому прогрессу, другие регионы, такие как Китай, Австралия и Европейский союз, также увеличивают CCUS в таких секторах, как производство стали, цемента и водорода.

Новые технологии улавливания углерода

В борьбе с изменением климата новые технологии улавливания, использования и хранения углерода (CCUS) важны для снижения уровня CO₂ в атмосфере. Сосредоточившись на выбросах из атмосферы и промышленных источников, эти креативные решения обеспечивают долгосрочные способы замедления глобального потепления.

Ниже мы рассмотрим три важные новые технологии: переработка CO₂ в продукты, минерализация и прямое улавливание воздуха (DAC).

• Прямой захват воздуха (DAC)
• минерализация
• CO₂-к-продуктам

1. Прямой захват воздуха (DAC)

Прямой захват воздуха — это революционное устройство, которое извлекает CO₂ непосредственно из окружающего воздуха, справляясь с диффузными выбросами, с которыми не могут справиться существующие системы захвата. Системы DAC всасывают воздух через твердые сорбенты (например, аминофункционализированные материалы) или химические растворы (например, жидкие растворители, такие как гидроксид калия) с помощью больших вентиляторов.

Концентрированный поток CO₂ для хранения или использования производится, когда эти материалы селективно связывают CO₂, который впоследствии высвобождается посредством нагревания или других процедур. Пилотные установки доказывают жизнеспособность DAC, пионерами которого являются такие компании, как Climeworks и Carbon Engineering.

Однако высокие энергетические требования и расходы DAC, которые сейчас составляют от 500 до 600 долларов за тонну извлеченного CO2, представляют трудности. По оценкам, к 100 году эти расходы составят 200–2030 долларов за тонну, а инновации в области эффективности материалов и внедрение возобновляемых источников энергии снижают затраты.

2. Минерализация

Превращая CO₂ в твердые минералы, такие как карбонат кальция или магния, минерализация обеспечивает долгосрочное решение для хранения CO₂. В присутствии воды этот процесс влечет за собой реакцию CO₂ с природными минералами, такими как оливин, базальт, или промышленными побочными продуктами, такими как стальной шлак.

Реакцию можно увеличить в промышленных масштабах за считанные часы или спонтанно в течение поколений. Среди успешных проектов — исландский Carbfix, который впрыскивает CO₂ в базальтовые образования и позволяет им минерализоваться всего за два года.

Минерализация имеет огромный геологический потенциал — мировые запасы базальта могут хранить выбросы, накопленные за тысячелетия, при этом они экологически безопасны и герметичны.

Препятствиями являются потребность в соответствующей воде и горных породах, а также расходы на электроэнергию для ускоренных операций. Оптимизация скоростей реакции и исследование использования ex-situ, например, минерализация CO₂ в бетоне, являются основными направлениями исследований.

3. СО₂-к-продуктам

Технологии CO₂-to-Products создают экономические стимулы для улавливания, превращая улавливаемый CO₂ в ценные товары. Углерод-отрицательный бетон, полимеры, химикаты и синтетическое топливо (например, метанол и реактивное топливо) могут быть получены из CO₂.

Эти преобразования возможны благодаря биологическим методам (например, использованию водорослей), фотокатализу или электрохимическим процессам.

Например, такие компании, как CarbonCure, впрыскивают CO₂ в бетон, где он минерализует и укрепляет материал, постоянно удерживая CO₂. Дополнительные области применения включают производство потребительских товаров, пластмасс и углеродно-нейтрального авиационного топлива.

Несмотря на масштабируемость, многие процессы CO₂-to-products являются энергоемкими, а рынки для некоторых продуктов (например, специальных химикатов) ограничены. Достижения в области катализа и возобновляемой энергии повышают прибыльность, и прогнозируется, что глобальный рынок товаров, полученных из CO₂, достигнет 1 триллиона долларов к 2030 году.

Будущее улавливания, использования и хранения углерода (CCUS) выглядит многообещающим как краеугольный камень глобальных климатических инициатив, направленных на достижение нулевых выбросов к 2050 году. Такие технологические разработки, как минерализация, преобразование CO₂ в продукты и прямое улавливание воздуха, повышают производительность и сокращают расходы.

Внедрение технологий улавливания и хранения углерода стимулируется ростом инвестиций, такими благоприятными законами, как налоговый кредит 45Q в США, и ценообразованием на углеродные выбросы. По данным Международного энергетического агентства , к 2050 году технологии улавливания и хранения углерода могут улавливать 7.6 Гт CO₂ в год.

Однако для масштабирования необходимы общественное признание, развитая инфраструктура и разумно оцененная устойчивая энергия. CCUS будет иметь важное значение для декарбонизации промышленности и сокращения изменения климата при международном сотрудничестве.

Заключение

В конце концов, улавливание углерода является важнейшим компонентом более масштабного подхода, который также включает энергоэффективность, возобновляемую энергию и изменение поведения; это не панацея. Это дает возможность достичь нулевых выбросов, сокращая негативные последствия изменения климата и ограничивая рост мировых температур.

Более того, несмотря на потенциал CCUS как инструмента декарбонизации для отраслей, где трудно снизить выбросы, по-прежнему существуют такие проблемы, как высокие затраты, энергоемкость и общественное недовольство местами хранения.

Его принятию способствуют технологические достижения и помощь со стороны регулирующих органов, а проекты по всему миру демонстрируют его способность сокращать выбросы.

СОВЕТЫ

• 12 идей проекта «Углеродный след» для школ и групп
  .
• 10 типов секвестрации углерода
  .
• Причины важности поглотителей углерода
  .
• Что такое искусственные угольные поглотители и как они изготавливаются?
  .
• 3 Воздействие угарного газа на окружающую среду