Прямое улавливание воздуха ( DAC ) — это использование химических или физических процессов для извлечения углекислого газа непосредственно из окружающего воздуха. [1] Если извлеченный CO2 затем изолируется в безопасном долгосрочном хранилище (так называемое прямое улавливание и секвестрация углерода в воздухе ( DACCS )), то весь процесс обеспечит удаление углекислого газа и станет «технологией с отрицательными выбросами» (NET).
Углекислый газ (CO2 ) улавливается непосредственно из окружающего воздуха; это контрастирует с улавливанием и хранением углерода (CCS) , которое улавливает CO2 из точечных источников , таких как цементный завод или биоэнергетическая установка. [2] После улавливания DAC генерирует концентрированный поток CO2 для секвестрации или использования . Удаление углекислого газа достигается, когда окружающий воздух вступает в контакт с химическими средами, как правило, водным щелочным растворителем [3] или сорбентами . [4] Эти химические среды впоследствии очищаются от CO2 посредством применения энергии (а именно тепла), в результате чего образуется поток CO2 , который может подвергаться дегидратации и сжатию, одновременно регенерируя химические среды для повторного использования.
В сочетании с долгосрочным хранением CO2 , DAC известен как прямое улавливание и хранение углерода в воздухе ( DACCS или DACS [5] ). DACCS может функционировать как механизм удаления углекислого газа или как технология с отрицательным выбросом углерода. По состоянию на 2023 год DACCS еще не был интегрирован в торговлю выбросами , поскольку, составляя более 1000 долларов США, [6] стоимость за тонну углекислого газа во много раз превышает цену углерода на этих рынках. [7] Для того чтобы сквозной процесс оставался чистым углеродно-отрицательным, машины DAC должны работать на возобновляемых источниках энергии , поскольку процесс может быть довольно энергозатратным. Будущие инновации могут снизить энергоемкость этого процесса.
DAC был предложен в 1999 году и все еще находится в стадии разработки. [8] [9] Несколько коммерческих установок планируются или уже работают в Европе и США. Крупномасштабное развертывание DAC может быть ускорено при подключении к экономическим приложениям или политическим стимулам.
В отличие от улавливания и хранения углерода (CCS), которое улавливает выбросы из точечного источника, такого как завод, DAC снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере в целом. Таким образом, DAC может использоваться для улавливания выбросов, которые возникли из нестационарных источников, таких как самолеты. [2]
Существует три стадии улавливания CO2 в DAC: стадия контактирования, стадия улавливания и стадия разделения. На стадии контактирования система DAC транспортирует атмосферный воздух, содержащий CO2, к оборудованию с помощью крупногабаритных вентиляторов. Затем, на стадии улавливания CO2 , CO2 быстро и эффективно связывается с жидкими растворителями в химических реакторах или твердыми сорбентами в фильтрах, которые должны обладать энергией связи, эквивалентной энергии связи CO2. Позже, на стадии отделения CO2 , внешние источники энергии облегчают отделение CO2 от растворителей или сорбентов, в результате чего получается чистый CO2 и регенерированные растворители или сорбенты. После завершения этих трех стадий отделенный чистый CO2 либо используется, либо хранится, в то время как восстановленные растворители или сорбенты перерабатываются для повторного использования в процессе улавливания CO2 . [ 11]
Низкотемпературный процесс DAC использует твердые сорбенты (S-DAC), а высокотемпературный процесс использует жидкие растворители (L-DAC), которые обладают различными свойствами с точки зрения кинетики и теплопередачи. [12] В настоящее время жидкий DAC (L-DAC) и твердый DAC (S-DAC) представляют собой две зрелые технологии для промышленного внедрения. Кроме того, несколько новых технологий DAC, включая электрокачающуюся адсорбцию (ESA), влагокачивающуюся адсорбцию (MSA) и мембранный DAC (m-DAC), находятся на разных стадиях разработки, тестирования или ограниченного практического применения. [11]
Совсем недавно ирландская компания Carbon Collect Limited [13] разработала MechanicalTree™, которая просто стоит на ветру, чтобы улавливать CO2 . Компания утверждает, что этот «пассивный захват» CO2 значительно снижает энергозатраты на прямой захват воздуха, и что его геометрия позволяет масштабировать его для улавливания гигатонн CO2 .
Большинство коммерческих технологий используют жидкий растворитель — обычно на основе амина или каустика — для поглощения CO 2 из газа. [14] Например, обычный каустический растворитель: гидроксид натрия реагирует с CO 2 и осаждает стабильный карбонат натрия . Этот карбонат нагревают для получения высокочистого газообразного потока CO 2. [15] [16] Гидроксид натрия может быть переработан из карбоната натрия в процессе каустификации . [ 17] В качестве альтернативы, CO 2 связывается с твердым сорбентом в процессе хемосорбции . [14] Затем посредством тепла и вакуума CO 2 десорбируется из твердого вещества. [16] [18]
Среди конкретных химических процессов, которые изучаются, выделяются три: каустификация с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов, карбонизация [ 19] и органо-неорганические гибридные сорбенты, состоящие из аминов, нанесенных на пористые адсорбенты [8] .
Идея использования множества небольших рассеянных скрубберов DAC — аналогичных живым растениям — для создания экологически значимого снижения уровня CO2 принесла этой технологии в популярных СМИ название « искусственные деревья» . [20] [21] [22]
В циклическом процессе, разработанном в 2012 году профессором Клаусом Лакнером , директором Центра отрицательных выбросов углерода (CNCE), разбавленный CO2 может быть эффективно отделен с помощью анионообменной полимерной смолы под названием Marathon MSA, которая поглощает CO2 из воздуха в сухом виде и выделяет его при воздействии влаги. Большая часть энергии для процесса обеспечивается скрытой теплотой фазового перехода воды. [23] Технология требует дальнейших исследований для определения ее экономической эффективности. [24] [25] [26]
Другими веществами, которые можно использовать, являются металлоорганические каркасы (MOF). [27]
Мембранное разделение CO 2 основано на полупроницаемых мембранах. Этот метод требует мало воды и имеет меньший след. [14] Обычно полимерные мембраны, либо стекловидные, либо резиновые, используются для прямого захвата воздуха. Стекловидные мембраны обычно проявляют высокую селективность по отношению к диоксиду углерода; однако они также имеют низкую проницаемость. Мембранный захват диоксида углерода все еще находится в стадии разработки и требует дальнейших исследований, прежде чем его можно будет внедрить в более крупных масштабах. [28]
Сторонники DAC утверждают, что это важный компонент смягчения последствий изменения климата . [1] [18] [26] Исследователи утверждают, что DAC может помочь внести вклад в цели Парижского соглашения (а именно, ограничить рост глобальной средней температуры значительно ниже 2 °C выше доиндустриального уровня). Однако другие утверждают, что полагаться на эту технологию рискованно и может отложить сокращение выбросов под предлогом того, что можно будет решить проблему позже, [9] [29] и предполагают, что сокращение выбросов может быть лучшим решением. [15] [30]
DAC, основанный на абсорбции на основе амина, требует значительного ввода воды. Было подсчитано, что для захвата 3,3 гигатонн CO 2 в год потребуется 300 км 3 воды, или 4% от воды, используемой для орошения . С другой стороны, использование гидроксида натрия требует гораздо меньше воды, но само вещество является очень едким и опасным. [9]
DAC также требует гораздо больших затрат энергии по сравнению с традиционным улавливанием из точечных источников, таких как дымовой газ , из-за низкой концентрации CO2 . [ 15] [29] Теоретический минимум энергии, необходимый для извлечения CO2 из окружающего воздуха, составляет около 250 кВт·ч на тонну CO2 , в то время как улавливание из газовых и угольных электростанций требует, соответственно, около 100 и 65 кВт·ч на тонну CO2 . [ 15] [1] Из-за этого подразумеваемого спроса на энергию некоторые предлагают использовать « малые атомные электростанции », подключенные к установкам DAC. [9]
Когда DAC сочетается с системой улавливания и хранения углерода (CCS) , это может создать установку с отрицательными выбросами, но для этого потребуется источник электроэнергии, не содержащий углерода . Использование любой электроэнергии , вырабатываемой с помощью ископаемого топлива , в конечном итоге приведет к выбросу в атмосферу большего количества CO2, чем будет уловлено. [29] Более того, использование DAC для повышения нефтеотдачи сведет на нет любые предполагаемые преимущества смягчения последствий изменения климата. [9] [16]
Практические применения ЦАП включают в себя:
Эти приложения требуют различных концентраций продукта CO 2 , образующегося из захваченного 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, который обрабатывается через DAC, изначально содержит 0,04% CO 2 (или 400 ppm), создание чистого продукта требует больше энергии, чем разбавленного продукта, и поэтому обычно обходится дороже. [23] [32]
DAC не является альтернативой традиционному точечному улавливанию и хранению углерода (CCS), а скорее является дополнительной технологией, которая может быть использована для управления выбросами углерода из распределенных источников, неконтролируемыми выбросами из сети CCS и утечками из геологических формаций. [1] [30] [15] Поскольку DAC может быть развернут вдали от источника загрязнения, синтетическое топливо, произведенное с помощью этого метода, может использовать уже существующую инфраструктуру транспортировки топлива. [31]
Одним из самых больших препятствий для внедрения DAC является стоимость разделения CO2 и воздуха. [32] [33][обновлять] По оценкам, к 2023 году общая стоимость системы составит более 1000 долларов за тонну CO2 . [6] Масштабное внедрение DAC может быть ускорено политическими стимулами. [34]
Согласно Закону о двухпартийной инфраструктуре, Министерство энергетики США инвестирует 3,5 млрд долларов в четыре центра прямого улавливания воздуха. По данным агентства, центры имеют потенциал улавливать не менее 1 млн метрических тонн углекислого газа (CO2) в год из атмосферы. После улавливания CO2 будет постоянно храниться в геологической формации. [35]
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]она управляет пилотной установкой в Британской Колумбии, Канада, которая используется с 2015 года [18] и способна извлекать около тонны CO2 в день. [9] [30] Экономическое исследование ее пилотной установки, проведенное с 2015 по 2018 год, оценило стоимость в 94–232 доллара за тонну удаленного атмосферного CO2. [ 18] [3]
В партнерстве с калифорнийской энергетической компанией Greyrock компания Carbon Engineering преобразует часть концентрированного CO2 в синтетическое топливо , включая бензин, дизельное топливо и авиатопливо. [18] [30]
Компания использует раствор гидроксида калия . Он реагирует с CO2, образуя карбонат калия , который удаляет определенное количество CO2 из воздуха. [31]
Первая промышленная установка DAC компании Climeworks, которая начала работу в мае 2017 года в Хинвиле , в кантоне Цюрих, Швейцария, может улавливать 900 тонн CO 2 в год. Для снижения потребности в энергии установка использует тепло с местного мусоросжигательного завода . CO 2 используется для увеличения урожайности овощей в близлежащей теплице. [36]
Компания заявила, что улавливание одной тонны CO2 из воздуха обходится примерно в 600 долларов . [ 37] [14] [ нужна цитата для проверки ]
Climeworks сотрудничала с Reykjavik Energy в Carbfix , проекте, запущенном в 2007 году. В 2017 году был начат проект CarbFix2 [38] , который получил финансирование от исследовательской программы Европейского союза Horizon 2020. Пилотный проект завода CarbFix2 реализуется параллельно с геотермальной электростанцией в Хеллисхейди, Исландия . При таком подходе CO2 закачивается на глубину 700 метров под землю и минерализуется в базальтовой породе, образуя карбонатные минералы. Завод DAC использует низкосортное отходящее тепло завода, эффективно устраняя больше CO2, чем они оба производят. [9] [39]
8 мая 2024 года Climeworks активировала крупнейшую в мире планету DAC под названием Mammoth в Исландии. По данным Climeworks, она сможет извлекать из атмосферы 36 000 тонн углерода в год на полной мощности, что эквивалентно удалению с дорог примерно 7 800 автомобилей, работающих на газе, на год. [40]
Global Thermostat — частная компания, основанная в 2010 году, расположенная в Манхэттене , Нью-Йорк, с заводом в Хантсвилле, Алабама . [31] Global Thermostat использует сорбенты на основе аминов, связанные с углеродными губками, для удаления CO2 из атмосферы. У компании есть проекты объемом от 40 до 50 000 тонн в год. [41] [ требуется проверка ] [ требуется сторонний источник ]
Компания утверждает, что на своем предприятии в Хантсвилле она удаляет CO2 за 120 долларов за тонну. [31] [ сомнительно – обсудить ]
Компания Global Thermostat заключила сделки с Coca-Cola (которая намерена использовать DAC в качестве источника CO2 для своих газированных напитков) и ExxonMobil , которая намерена начать бизнес по производству DAC-топлива с использованием технологии Global Thermostat. [31]
Soletair Power — это стартап, основанный в 2016 году, расположенный в Лаппеенранте , Финляндия, работающий в областях прямого захвата воздуха и преобразования энергии в X. Стартап в первую очередь поддерживается финской технологической группой Wärtsilä . По данным Soletair Power, его технология является первой, объединяющей прямой захват воздуха с системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зданий. Технология улавливает CO2 из воздуха, проходящего через существующие вентиляционные установки здания внутри зданий, для удаления атмосферного CO2 и одновременного сокращения чистых выбросов здания. Уловленный CO2 минерализуется в бетон, хранится или используется для создания синтетических продуктов, таких как продукты питания, текстиль или возобновляемое топливо . В 2020 году Wärtsilä совместно с Soletair Power и Q Power создали свою первую демонстрационную установку Power-to-X [42] для выставки Dubai Expo 2020 , которая может производить синтетический метан из уловленного CO2 из зданий.
Это стартап-компания из Санта-Крус , которая была запущена из Y Combinator в 2019 году для удаления CO2 из воздуха и превращения его в бензин и реактивное топливо с нулевым чистым выбросом углерода. [ 43] [44] Компания использует технологию DAC, адсорбируя CO2 из воздуха непосредственно в технологические электролиты, где он преобразуется в спирты путем электрокатализа . Затем спирты отделяются от электролитов с помощью мембран из углеродных нанотрубок и модернизируются до бензина и реактивного топлива. Поскольку в процессе используется только электричество из возобновляемых источников, топливо является углеродно-нейтральным при использовании, не выбрасывая чистый CO2 в атмосферу.
Первый завод Heirloom по прямому улавливанию воздуха открылся в Трейси , Калифорния, в ноябре 2023 года. Завод может удалять до 1000 тонн CO2 в год, который затем смешивается с бетоном с использованием технологий CarbonCure. Heirloom также имеет контракт с Microsoft , по которому последняя закупит 315 000 метрических тонн CO2 . [ 45]
В области исследований разработка группой ETH Zurich фотокислотного раствора для прямого улавливания воздуха знаменует собой значительную инновацию. Эта технология, все еще находящаяся в стадии доработки, выделяется минимальными энергетическими затратами и новым химическим процессом, который обеспечивает эффективное улавливание и высвобождение CO2. Потенциал масштабируемости этого метода и его экологические преимущества ставят его в один ряд с текущими усилиями других компаний, перечисленных в этом разделе, способствуя глобальному поиску эффективных и устойчивых решений по улавливанию углерода. [50]