Як працює уловлювання вуглецю?

Уловлювання вуглецю є передовим напрямком і стає дедалі важливішим у глобальній боротьбі зі зміною клімату.

Великі обсяги вуглекислого газу (CO₂), значного парникового газу, викидаються в атмосферу в результаті постійної сильної залежності світу від викопного палива для промислового виробництва та енергетики , що сприяє глобальному потеплінню.

Запобігаючи потраплянню цих забруднювачів у навколишнє середовище, уловлювання вуглецю забезпечує вирішення проблеми.

Зміст

Що таке вловлювання вуглецю?

Процес, який називається уловлюванням вуглецю, іноді його називають уловлюванням та зберіганням вуглецю (CCS) або уловлюванням, використанням та зберіганням вуглецю (CCUS), спрямований на уловлювання CO₂ у точці викидів, таких як електростанції, сталеливарні заводи, цементні заводи та хімічні переробні підприємства, перш ніж він потрапить в атмосферу.

Після вловлювання CO2 можна зберігати в глибоких геологічних формаціях або використовувати повторно в різних промислових процесах, включаючи збільшення видобутку нафти та синтетичне паливо. Метою є запобігання тому, щоб ці викиди спричиняли глобальне потепління.

Як працює вловлювання вуглецю?

Група технологій, відомих як уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS), призначена для зменшення викидів вуглекислого газу (CO₂) під час виробництва електроенергії та промислових процесів.

Не допускаючи потрапляння CO₂ у навколишнє середовище, CCUS допомагає пом'якшити зміну клімату. Три основні етапи процесу — уловлювання, транспортування та зберігання або використання — є важливими для ефективного управління CO2.

захоплення
Транспорт
Зберігання або використання

1. захоплення

Уловлювання CO₂ з джерел викидів, таких як сталеливарні заводи, цементні заводи та електростанції, є початковим етапом. Існує кілька способів виконання цього технічно складного етапу. Паливо перетворюється на газову суміш перед спалюванням у процесі попереднього уловлювання, яке здебільшого використовується в газифікації вугілля.

Цей процес дозволяє відокремити CO₂ від водню, який згодом спалюється для виробництва енергії. Поширене на традиційних електростанціях уловлювання після згоряння передбачає видалення CO₂ з димових газів після згоряння палива, зазвичай за допомогою хімічних розчинників, таких як аміни, що зв'язуються з CO₂.

Паливо спалюється в чистому кисні замість повітря під час киснево-паливного згоряння, в результаті чого утворюється димовий газ, який здебільшого складається з CO₂ та водяної пари, з яких CO₂ легко відділяється після конденсації води.

Хоча вартість, ефективність та застосовність кожної технології різняться, допалювання є найпопулярнішим, оскільки воно працює з уже існуючою інфраструктурою.

2. Транспорт

Для ефективного транспортування CO₂ після його вловлювання стискається до густої, рідиноподібної форми. Як і газопроводи, трубопроводи є найпоширенішою технологією, оскільки вони можуть транспортувати великі кількості на великі відстані.

CO₂ можна перевозити вантажівками або кораблями в районах без трубопровідної інфраструктури, але це трапляється рідше та дорожче. Щоб зупинити витоки та гарантувати, що CO₂ досягне місця призначення, безпечне та надійне транспортування є надзвичайно важливим.

3. Зберігання або використання

Доля захопленого CO₂ вирішується на останньому етапі. CO₂ зберігається (або секвеструється) шляхом його глибокого занурення, зазвичай на 1-2 км, у геологічні формації, такі як солоні водоносні горизонти, невидобувні вугільні пласти або виснажені нафтогазові родовища.

Ці місця були обрані через їхню непроникну покривну та пористу породу, яка постійно утримує CO2. Моніторинг забезпечує відсутність витоків. Як альтернатива, утилізація CO₂ повторно використовується для корисних цілей.

CO₂ закачують у нафтові родовища під час посилення нафтовіддачі (ПНП) для видобутку більшої кількості нафти, зберігаючи при цьому певну частину CO₂ під землею. Хоча ці способи використання часто мають обмежені можливості довгострокового зберігання, CO₂ також можна використовувати для виробництва полімерів, бетону, синтетичного палива та газованих напоїв.

Переваги уловлювання вуглецю

Переваги уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS) включають скорочення викидів, боротьбу зі зміною клімату, декарбонізацію промисловості та створення економічних можливостей. Завдяки цим перевагам це важливий інструмент для досягнення глобальних кліматичних цілей та сприяння екологічній та економічній стійкості.

Зменшення зміни клімату
Підтримує промислову декарбонізацію
Забезпечує негативні викиди
Економічні можливості

1. Пом'якшення наслідків зміни клімату

Видаляючи вуглекислий газ (CO₂) зі значних джерел, таких як електростанції та промислові об'єкти, до того, як він потрапить в атмосферу, CCUS безпосередньо знижує викиди парникових газів.

Запобігаючи впливу CO₂ на глобальне потепління, CCUS допомагає пом'якшити наслідки зміни клімату, такі як підвищення температури, екстремальні погодні умови та підвищення рівня моря. Це особливо корисно для галузей промисловості з високим рівнем викидів, де альтернативні низьковуглецеві варіанти обмежені, забезпечуючи сталий прогрес у досягненні амбіцій щодо нульового рівня викидів.

2. Підтримує промислову декарбонізацію

Такі галузі промисловості, як цементна, сталеливарна та хімічна, викидають значні викиди CO₂ через їхню залежність від високотемпературних операцій або хімічних реакцій, які неминуче виділяють CO₂. CCUS пропонує практичне рішення для скорочення викидів вуглецю в цих складних галузях промисловості без повної зміни технологічних процесів.

Наприклад, цементні печі та доменні печі для сталеплавильного випалювання можуть продовжувати виробляти паливо, дотримуючись кліматичних стандартів, шляхом уловлювання CO₂, зберігаючи свою економічну життєздатність у низьковуглецевому майбутньому.

3. Забезпечує негативні викиди

У поєднанні з BECCS або DAC, CCUS може досягти негативних викидів шляхом видалення CO₂ з атмосфери. BECCS вловлює CO₂ від спалювання біомаси, яка вже поглинає CO₂ під час росту, що призводить до чистого скорочення викидів, тоді як DAC витягує CO₂ безпосередньо з повітря для зберігання або використання.

Ці технології є важливими для компенсації залишкових викидів та досягнення амбітних кліматичних цілей, таких як ті, що визначені в Паризькій угоді.

CCUS заохочує інновації у виробництві продуктів на основі CO₂, таких як синтетичне паливо, бетон і пластмаси, створюючи нові ринки. Наприклад, використання CO₂ для збільшення видобутку нафти створює дохід, одночасно зберігаючи CO₂ під землею.

4. Економічні можливості

У районах з інфраструктурою CCUS ці ініціативи сприяють енергетичній безпеці та економічному процвітанню. Хоча такі питання, як вартість та масштабованість, вимагають постійних інновацій та політичної допомоги, CCUS є наріжним каменем сталого розвитку , знижуючи викиди, сприяючи промисловим змінам та створюючи економічні переваги.

Виклики та критика

Деякі проблеми та заперечення перешкоджають широкому впровадженню уловлювання, утилізації та зберігання вуглецю (CCUS).

Коштувати
Енергоємний
Ризики зберігання
Затримка переходу

1. Коштувати

Вартість є основною проблемою. Через високі капітальні витрати на обладнання та інфраструктуру для захоплення, таку як труби, встановлення та експлуатація системи CCUS є дороговартісними.

Без значних субсидій або ціноутворення на викиди вуглецю, модернізація існуючих заводів або будівництво нових об'єктів стає менш привабливим через збільшення фінансового тягаря.

2. Енергоємний

Крім того, цей процес використовує багато енергії. Енергія, необхідна для роботи хімічних розчинників або компресорів під час уловлювання CO2, особливо в системах допалювання, є високою, що знижує загальну ефективність електростанцій або промислових об'єктів.

Якщо їх отримувати з викопного палива, це зниження енергії може збільшити експлуатаційні витрати та частково протидіяти скороченню викидів, якого прагне досягти CCUS.

3. Ризики зберігання

Ризики зберігання викликають додаткові занепокоєння. Існує невелика ймовірність того, що CO₂, що вводиться в геологічні формації, зрештою витікає, забруднюючи ґрунтові води або викидаючи накопичений CO₂ назад в атмосферу. Для забезпечення довгострокової цілісності об'єкта необхідний ретельний моніторинг, що збільшує витрати та занепокоєння щодо громадської безпеки.

4. Затримка переходу

Зрештою, критики стверджують, що утримання вуглецю в атмосфері (CCUS) може відкласти перехід на відновлювані джерела енергії . Це може продовжити використання об'єктів, що працюють на викопному паливі, роблячи їх здаватися чистішими, відбираючи гроші з відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна чи вітрова.

Ці труднощі показують, що для гарантування підтримки CCUS ініціатив з декарбонізації, а не їхнього перешкоджання, необхідні суворі правила, технологічні розробки та всебічно продумана стратегія.

Де використовується уловлювання вуглецю?

Кілька країн перебувають на передовій глобального впровадження технології уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS), метою якої є зниження викидів CO₂ з промислових та електрогенеруючих джерел.

Сполучені Штати Америки
Норвегія
Канада
Близький Схід

1. США

Двома найбільшими проєктами CCUS у США є проєкт Illinois Industrial CCS, який зберігає CO₂ від виробництва етанолу під землею, та Petra Nova у Техасі, який вловлює CO₂ з вугільної електростанції для підвищення нафтовіддачі (EOR).

2. Норвегія

Норвегія є лідером у цій галузі; з 1996 року проекти Sleipner та Snøhvit використовували офшорні геологічні формації для зберігання понад 20 мільйонів тонн CO₂ під Північним морем.

3. Канада

Однією з перших вугільних електростанцій у Канаді, яка впровадила повномасштабне збирання CO₂, є проект дамби Boundary Dam у Саскачевані. Захоплений CO₂ або зберігається в глибоких солоних водоносних горизонтах, або використовується для підвищення нефтеємності.

4. середній Схід

Такі проекти, як комплекс Утманія в Саудівській Аравії, який повторно використовує CO₂ для збільшення видобутку нафти, зберігаючи її під землею, є прикладами того, як Близький Схід удосконалює технологію уловлювання та зберігання вуглецю (CCUS), особливо для підвищення нефтеємності під час нафтопереробки.

5. Інші регіони

Зумовлені цілями щодо зміни клімату та технологічним прогресом, інші регіони, такі як Китай, Австралія та Європейський Союз, також збільшують викиди вуглецю в атмосферу (CCUS) у таких секторах, як виробництво сталі, цементу та водню.

Новітні технології в уловлюванні вуглецю

У боротьбі зі зміною клімату новітні технології в галузі уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS) є важливими для зниження рівня CO₂ в атмосфері. Зосереджуючись на викидах з атмосфери та промислових джерел, ці креативні рішення забезпечують довгострокові способи уповільнення глобального потепління.

Нижче ми розглянемо три важливі нові технології: перетворення CO₂ на продукти, мінералізація та пряме уловлювання повітря (DAC).

Пряме захоплення повітря (DAC)
Мінералізація
CO₂-до-продуктів

1. Пряме захоплення повітря (DAC)

Пряме уловлювання повітря (DAC) – це революційний пристрій, який рекуперує CO₂ безпосередньо з навколишнього повітря, борючись з дифузними викидами, з якими не можуть боротися існуючі системи уловлювання. Системи DAC всмоктують повітря через тверді сорбенти (наприклад, матеріали з амінними функціоналізаторами) або хімічні розчини (наприклад, рідкі розчинники, такі як гідроксид калію) за допомогою великих вентиляторів.

Концентрований потік CO₂ для зберігання або використання утворюється, коли ці матеріали вибірково зв'язують CO₂, який згодом вивільняється шляхом нагрівання або інших процедур. Пілотні установки доводять життєздатність DAC, піонерами якого є такі фірми, як Climeworks та Carbon Engineering.

Високі енергетичні потреби та витрати на DAC, які зараз становлять від 500 до 600 доларів США за тонну видобутого CO2, створюють труднощі. За оцінками, до 100 року витрати сягатимуть 200–2030 доларів США за тонну, а інновації в ефективності матеріалів та впровадження відновлюваних джерел енергії знижують витрати.

2. Мінералізація

Перетворюючи CO₂ на тверді мінерали, такі як карбонат кальцію або магнію, мінералізація забезпечує довгострокове рішення для зберігання CO₂. У присутності води цей процес передбачає реакцію CO₂ з природними мінералами, такими як олівін, базальт або промислові побічні продукти, такі як сталевий шлак.

Реакцію можна прискорити промисловими методами за лічені години або спонтанно протягом поколінь. Серед успішних проектів – ісландська компанія Carbfix, яка впорскує CO₂ у базальтові формації та дозволяє їм мінералізуватися всього за два роки.

Мінералізація має величезний геологічний потенціал — глобальні запаси базальту можуть зберігати тисячолітні викиди, але водночас вони є екологічно безпечними та герметичними.

Вимога до відповідних водних та гірських утворень, а також витрати на електроенергію для прискорених операцій є перешкодами. Основними напрямками досліджень є оптимізація швидкостей реакцій та дослідження можливостей їх використання ex-situ, таких як мінералізація CO₂ у бетоні.

3. СО₂-до-продуктів

Технології перетворення CO₂ на продукцію створюють економічні стимули для уловлювання шляхом перетворення захопленого CO₂ на цінні товари. Вуглецево-негативний бетон, полімери, хімічні речовини та синтетичне паливо (таке як метанол та реактивне паливо) – все це можна виготовляти з CO₂.

Ці перетворення стають можливими завдяки біологічним методам (таким як використання водоростей), фотокаталізу або електрохімічним процесам.

Такі компанії, як CarbonCure, наприклад, вводять CO₂ у бетон, де він мінералізує та зміцнює матеріал, постійно утримуючи CO₂. Додаткові способи використання включають виробництво споживчих товарів, пластмас та вуглецево-нейтрального авіаційного палива.

Хоча багато процесів перетворення CO₂ на продукти є масштабованими, вони є енергоємними, а ринки збуту для деяких продуктів (наприклад, спеціальних хімікатів) обмежені. Досягнення в каталізі та відновлюваній енергії підвищують прибутковість, і, за прогнозами, світовий ринок товарів, отриманих з CO₂, досягне 1 трильйона доларів до 2030 року.

Майбутнє уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS) виглядає багатообіцяючим як наріжний камінь глобальних кліматичних ініціатив, спрямованих на досягнення нульових викидів до 2050 року. Технологічні розробки, такі як мінералізація, перетворення CO₂ на продукти та пряме уловлювання повітря, підвищують продуктивність та скорочують витрати.

Впровадження стимулюється зростанням інвестицій, такими сприятливими законами, як податкова пільга США 45Q, та ціноутворенням на викиди вуглецю. За даними Міжнародного енергетичного агентства , до 2050 року CCUS може поглинати 7.6 Гт CO₂ на рік.

Однак для масштабування необхідні громадська схвалення, розширена інфраструктура та сталий розвиток енергетики за розумними цінами. УГВЗ матиме важливе значення для декарбонізації промисловості та зменшення зміни клімату завдяки міжнародній співпраці.

Висновок

Зрештою, уловлювання вуглецю є важливим компонентом ширшого підходу, який також включає енергоефективність, відновлювану енергетику та зміну поведінки; це не панацея. Воно пропонує можливість досягти нульових викидів, зменшуючи негативні наслідки зміни клімату та обмежуючи підвищення світової температури.

Крім того, незважаючи на потенціал CCUS як інструменту декарбонізації для галузей промисловості, викиди яких важко скоротити, все ще існують такі проблеми, як висока вартість, енергоємність та громадська сприйняття місць зберігання.

Його впровадження стимулюється технологічним прогресом та регуляторною допомогою, а проекти по всьому світу демонструють його здатність скорочувати викиди.

Як працює вловлювання вуглецю?

Що таке вловлювання вуглецю?