Прямой захват воздуха ( DAC ) — это использование химических или физических процессов для извлечения углекислого газа непосредственно из окружающего воздуха. [1] Если извлеченный CO 2 затем изолируется в безопасном долгосрочном хранилище (так называемое прямое улавливание и секвестрация углерода в воздухе ( DACCS )), весь процесс обеспечит удаление углекислого газа и станет «технологией отрицательных выбросов» (NET).
Углекислый газ (CO 2 ) улавливается непосредственно из окружающего воздуха; это контрастирует с технологией улавливания и хранения углерода (CCS) , которая улавливает CO 2 из точечных источников , таких как цементный завод или биоэнергетический завод. После улавливания DAC генерирует концентрированный поток CO 2 для секвестрации или утилизации или производства углеродно-нейтрального топлива . Удаление углекислого газа достигается при контакте окружающего воздуха с химическими средами, обычно водно-щелочным растворителем [ 2] или сорбентами . [3] Эти химические среды впоследствии очищаются от CO 2 за счет применения энергии (а именно тепла), в результате чего образуется поток CO 2 , который может подвергаться обезвоживанию и сжатию, одновременно регенерируя химические среды для повторного использования.
В сочетании с долгосрочным хранением CO 2 DAC известен как прямое улавливание и хранение углерода в воздухе ( DACCS или DACS [4] ). Для его питания потребуется устойчивая энергия , поскольку на моль улавливаемого CO 2 требуется около 400 кДж энергии . DACCS может выступать в качестве механизма удаления углекислого газа (или технологии с отрицательным выбросом углерода), хотя по состоянию на 2023 год [обновлять]его еще предстоит интегрировать в торговлю выбросами , поскольку при цене более 1000 долларов США [5] стоимость тонны углекислого газа во много раз превышает стоимость тонны углекислого газа. цена на углерод на этих рынках. [6]
DAC был предложен в 1999 году и все еще находится в разработке. [7] [8] Несколько коммерческих заводов запланированы или эксплуатируются в Европе и США. Крупномасштабное развертывание DAC может быть ускорено, если оно связано с экономическими приложениями или политическими стимулами.
В отличие от технологии улавливания и хранения углерода (CCS), которая улавливает выбросы из точечного источника, например завода, DAC снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере в целом. [9] Обычно CCS рекомендуется для крупных и стационарных источников CO 2 , а не для распределенных и передвижных источников. Напротив, у DAC нет ограничений по источникам. [10]
Большинство коммерческих технологий требуют больших вентиляторов, проталкивающих окружающий воздух через фильтр. Совсем недавно ирландская компания Carbon Collect Limited [12] разработала MechanicalTree™, которое просто стоит на ветру и улавливает CO 2 . Компания утверждает, что этот «пассивный захват» CO 2 значительно снижает затраты энергии при прямом улавливании воздуха, а его геометрия позволяет масштабировать его для улавливания гигатонн CO 2 .
В большинстве коммерческих технологий используется жидкий растворитель — обычно на основе амина или каустик — для поглощения CO 2 из газа. [13] Например, обычный каустический растворитель: гидроксид натрия реагирует с CO 2 и выпадает в осадок стабильный карбонат натрия . Этот карбонат нагревают для получения потока газообразного CO 2 высокой чистоты . [14] [15] Гидроксид натрия можно переработать из карбоната натрия в процессе каустизации . [16] Альтернативно, CO 2 связывается с твердым сорбентом в процессе хемосорбции . [13] С помощью тепла и вакуума CO 2 затем десорбируется из твердого вещества. [15] [17]
Среди конкретных изучаемых химических процессов выделяются три: каустификация щелочными и щелочноземельными гидроксидами, карбонизация [18] и органо-неорганические гибридные сорбенты , состоящие из аминов, нанесенных на пористые адсорбенты . [7]
Идея использования множества небольших рассредоточенных скрубберов DAC — аналогичных живым растениям — для достижения экологически значимого снижения уровня CO 2 принесла этой технологии название искусственных деревьев в популярных средствах массовой информации. [19] [20] [21]
В циклическом процессе, разработанном в 2012 году профессором Клаусом Лакнером , директором Центра отрицательных выбросов углерода (CNCE), разбавленный CO 2 можно эффективно отделить с помощью анионообменной полимерной смолы под названием Marathon MSA, которая поглощает CO 2 из воздуха при высыхании. и выделяет его при воздействии влаги. Большая часть энергии для процесса поступает за счет скрытой теплоты фазового перехода воды. [22] Технология требует дальнейших исследований для определения ее экономической эффективности. [23] [24] [25]
Другими веществами, которые можно использовать, являются металлоорганические каркасы (или MOF). [26]
Мембранное отделение CO 2 основано на полупроницаемых мембранах. Этот метод требует мало воды и занимает меньше места. [13] Обычно для прямого улавливания воздуха используются полимерные мембраны, стеклянные или резиновые. Стеклообразные мембраны обычно обладают высокой селективностью по отношению к диоксиду углерода; однако они также имеют низкую проницаемость. Мембранный улавливание углекислого газа все еще находится в стадии разработки и требует дальнейших исследований, прежде чем его можно будет реализовать в более широком масштабе. [27]
Сторонники DAC утверждают, что это важный компонент смягчения последствий изменения климата . [28] [17] [25] Исследователи утверждают, что DAC может способствовать достижению целей Парижского соглашения (а именно, ограничение повышения глобальной средней температуры значительно ниже 2 ° C по сравнению с доиндустриальным уровнем). Однако другие утверждают, что полагаться на эту технологию рискованно и может отложить сокращение выбросов, полагая, что проблему можно будет решить позже, [8] [29] и предполагают, что сокращение выбросов может быть лучшим решением. [14] [30]
DAC, основанный на абсорбции на основе аминов, требует значительного количества воды. Было подсчитано, что для улавливания 3,3 гигатонн CO 2 в год потребуется 300 км 3 воды, или 4% воды, используемой для орошения . С другой стороны, для использования гидроксида натрия требуется гораздо меньше воды, но само вещество очень едкое и опасное. [8]
DAC также требует гораздо больших затрат энергии по сравнению с традиционным улавливанием из точечных источников, таких как дымовые газы , из-за низкой концентрации CO 2 . [14] [29] Теоретическая минимальная энергия, необходимая для извлечения CO 2 из окружающего воздуха, составляет около 250 кВтч на тонну CO 2 , тогда как улавливание на электростанциях, работающих на природном газе и угле, требует, соответственно, около 100 и 65 кВтч на тонну CO. 2 . [28] Из-за этого подразумеваемого спроса на энергию некоторые предлагают использовать « малые атомные электростанции », подключенные к установкам DAC. [8]
Когда DAC сочетается с системой улавливания и хранения углерода (CCS) , он может создать установку с отрицательными выбросами, но для этого потребуется безуглеродный источник электроэнергии . Использование любой электроэнергии , вырабатываемой из ископаемого топлива , в конечном итоге приведет к выбросу в атмосферу большего количества CO 2 , чем можно улавливать. [29] Более того, использование DAC для увеличения добычи нефти отменит любые предполагаемые преимущества по смягчению последствий изменения климата. [8] [15]
Практическое применение DAC включает в себя:
Эти применения требуют различных концентраций продукта CO 2 , образующегося из уловленного газа. Формы связывания углерода, такие как геологическое хранение, требуют чистых продуктов CO 2 (концентрация > 99%), в то время как другие приложения, такие как сельское хозяйство, могут работать с более разбавленными продуктами (~ 5%). Поскольку воздух, обрабатываемый через DAC, изначально содержит 0,04% CO 2 (или 400 ppm), для создания чистого продукта требуется больше энергии, чем для разбавленного продукта, и поэтому он обычно дороже. [22] [32]
DAC не является альтернативой традиционному точечному улавливанию и хранению углерода (CCS), скорее, это дополнительная технология, которую можно использовать для управления выбросами углерода из распределенных источников, неорганизованными выбросами из сети CCS и утечками из геологических формаций. [28] [30] [14] Поскольку DAC может быть развернут вдали от источника загрязнения, синтетическое топливо, производимое этим методом, может использовать уже существующую инфраструктуру транспортировки топлива. [31]
Одним из самых больших препятствий на пути внедрения DAC является стоимость разделения CO 2 и воздуха. [32] [33] По оценкам, по состоянию на 2023 год [обновлять]общая стоимость системы превысит 1000 долларов США за тонну CO 2. [5] Крупномасштабное развертывание DAC можно ускорить за счет политических стимулов. [34]
Carbon Engineering — коммерческая компания DAC, основанная в 2009 году и поддерживаемая, среди прочего, Биллом Гейтсом и Мюрреем Эдвардсом . [31] [30] По состоянию на 2018 год [обновлять]у компании имеется пилотная установка в Британской Колумбии, Канада, которая используется с 2015 года [17] и способна извлекать около тонны CO 2 в день. [8] [30] Экономическое исследование пилотной установки, проведенное с 2015 по 2018 год, оценило стоимость в 94–232 доллара США за тонну удаленного из атмосферы CO 2 . [17] [2]
Сотрудничая с калифорнийской энергетической компанией Greyrock, Carbon Engineering преобразует часть концентрированного CO 2 в синтетическое топливо , включая бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей. [17] [30]
Компания использует раствор гидроксида калия . Он реагирует с CO 2 с образованием карбоната калия , который удаляет из воздуха некоторое количество CO 2 . [31]
Первая установка DAC промышленного масштаба компании Climeworks, которая начала работу в мае 2017 года в Хинвиле , в кантоне Цюрих, Швейцария, может улавливать 900 тонн CO 2 в год. Чтобы снизить потребность в энергии, завод использует тепло местного мусоросжигательного завода . CO 2 используется для увеличения урожайности овощей в соседней теплице. [35]
Компания заявила, что улавливание одной тонны CO 2 из воздуха стоит около 600 долларов. [36] [13] [ для проверки нужна расценка ]
Climeworks стала партнером Reykjavik Energy в проекте Carbfix , запущенном в 2007 году. В 2017 году был запущен проект CarbFix2 [37] и получил финансирование в рамках исследовательской программы Европейского Союза Horizon 2020 . Проект пилотной установки CarbFix2 работает рядом с геотермальной электростанцией в Хеллишейди, Исландия . При таком подходе CO 2 закачивается на глубину 700 метров под землю и минерализуется в базальтовых породах , образуя карбонатные минералы. Завод DAC использует низкопотенциальное отходящее тепло завода, эффективно удаляя больше CO 2 , чем они оба производят. [8] [38]
Global Thermostat — частная компания, основанная в 2010 году, расположенная в Манхэттене , штат Нью-Йорк, с заводом в Хантсвилле, штат Алабама . [31] Global Thermostat использует сорбенты на основе аминов, связанные с углеродными губками, для удаления CO 2 из атмосферы. У компании есть проекты мощностью от 40 до 50 000 тонн в год. [39] [ необходима проверка ] [ необходим сторонний источник ]
Компания утверждает, что на своем предприятии в Хантсвилле она удаляет CO 2 по цене 120 долларов за тонну. [31] [ сомнительно ]
Global Thermostat заключила сделки с Coca-Cola (которая намерена использовать DAC для получения CO 2 для своих газированных напитков) и ExxonMobil , которая намерена начать бизнес по производству DAC-топлива с использованием технологии Global Thermostat. [31]
Soletair Power — стартап, основанный в 2016 году, расположенный в Лаппеенранте , Финляндия, работающий в области DAC и Power-to-X . Стартап в первую очередь поддерживается финской технологической группой Wärtsilä . По данным Soletair Power, ее технология является первой, сочетающей ЦАП с интеграцией в здание. Он поглощает CO 2 из вентиляционных установок внутри зданий и улавливает его для улучшения качества воздуха. Согласно одному исследованию, Soletair акцентирует внимание на том факте, что DAC может улучшить когнитивные функции сотрудников на 20% за удаление 400 ppm CO 2 в помещении. [40]
Компания использует уловленный CO 2 для создания синтетического возобновляемого топлива и в качестве сырья для промышленного применения. В 2020 году компания Wärtsilä совместно с Soletair Power и Q Power создала свою первую демонстрационную установку Power-to-X [41] для Dubai Expo 2020 , которая может производить синтетический метан из улавливаемого CO 2 из зданий.
Это начинающая компания, базирующаяся в Санта-Крузе , которая запустила Y Combinator в 2019 году для удаления CO 2 из воздуха и превращения его в бензин с нулевым выбросом углерода и авиационное топливо. [42] [43] Компания использует технологию DAC, адсорбируя CO 2 из воздуха непосредственно в технологические электролиты, где он преобразуется в спирты посредством электрокатализа . Затем спирты отделяются от электролитов с помощью мембран из углеродных нанотрубок и перерабатываются в бензин и авиационное топливо. Поскольку в этом процессе используется только электроэнергия из возобновляемых источников, топливо при использовании является углеродно-нейтральным и не выделяет чистого CO 2 в атмосферу.
Первая установка прямого улавливания воздуха Heirloom открылась в Трейси , штат Калифорния, в ноябре 2023 года. Установка может удалять до 1000 тонн США CO 2 в год, который затем смешивается с бетоном с использованием технологий CarbonCure. У Heirloom также есть контракт с Microsoft , по которому последняя закупит 315 000 метрических тонн средств удаления CO 2 . [44]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )