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. [2] После улавливания DAC генерирует концентрированный поток CO 2 для секвестрации или утилизации . Удаление углекислого газа достигается при контакте окружающего воздуха с химическими средами, обычно водно- щелочным растворителем [3] или сорбентами . [4] 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 [5] ). DACCS может действовать как механизм удаления углекислого газа (или углеродно-отрицательная технология), хотя по состоянию на 2023 год [обновлять]его еще предстоит интегрировать в торговлю выбросами , поскольку при цене более 1000 долларов США [6] стоимость тонны углекислого газа во много раз превышает цена на углерод на этих рынках. [7] Чтобы сквозной процесс оставался чистым выбросом углерода, машины DAC должны питаться от возобновляемых источников энергии, поскольку этот процесс может быть весьма энергоемким. Будущие инновации могут снизить энергоемкость этого процесса.
DAC был предложен в 1999 году и все еще находится в разработке. [8] [9] Несколько коммерческих заводов запланированы или уже работают в Европе и США. Крупномасштабное развертывание DAC может быть ускорено, если оно связано с экономическими приложениями или политическими стимулами.
В отличие от улавливания и хранения углерода (CCS), который улавливает выбросы из точечного источника, например завода, DAC снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере в целом. Таким образом, DAC можно использовать для улавливания выбросов, возникающих из нестационарных источников, таких как самолеты. [2]
Большинство коммерческих технологий требуют больших вентиляторов, проталкивающих окружающий воздух через фильтр. Совсем недавно ирландская компания Carbon Collect Limited [11] разработала MechanicalTree™, которое просто стоит на ветру и улавливает CO 2 . Компания утверждает, что этот «пассивный улавливание» 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. [12] 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 . [13] [14] Гидроксид натрия можно переработать из карбоната натрия в процессе каустизации . [15] Альтернативно, CO 2 связывается с твердым сорбентом в процессе хемосорбции . [12] Под действием тепла и вакуума CO 2 затем десорбируется из твердого вещества. [14] [16]
Среди конкретных изучаемых химических процессов выделяются три: каустизация щелочными и щелочноземельными гидроксидами, карбонизация [ 17] и органо-неорганические гибридные сорбенты, состоящие из аминов, нанесенных на пористые адсорбенты . [8]
Идея использования множества небольших рассредоточенных скрубберов DAC — аналогичных живым растениям — для создания экологически значимого снижения уровня CO 2 принесла этой технологии название искусственных деревьев в популярных средствах массовой информации. [18] [19] [20]
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. [21] Технология требует дальнейших исследований для определения ее экономической эффективности. [22] [23] [24]
Другими веществами, которые можно использовать, являются металлоорганические каркасы (МОФ). [25]
Мембранное отделение CO 2 основано на полупроницаемых мембранах. Этот метод требует мало воды и занимает меньше места. [12] Обычно для прямого улавливания воздуха используются полимерные мембраны, стеклянные или эластичные. 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 разработке и требует дальнейших исследований, прежде чем его можно будет реализовать в более широком масштабе. [26]
Сторонники DAC утверждают, что это важный компонент смягчения последствий изменения климата . [1] [16] [24] 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, [9] [27] и предполагают, что сокращение выбросов может быть лучшим решением. [13] [28]
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. [9]
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 . [13] [27] 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 . [13] [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) , 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. [27] Более того, использование DAC для увеличения добычи нефти отменит любые предполагаемые преимущества по смягчению последствий изменения климата. [9] [14]
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. [21] [30]
DAC не является альтернативой традиционному точечному улавливанию и хранению углерода (CCS), а скорее дополнительной технологией, которую можно использовать для управления выбросами углерода из распределенных источников, неорганизованными выбросами из сети CCS и утечками из геологических формаций. [1] [28] [13] Поскольку DAC может быть развернут вдали от источника загрязнения, синтетическое топливо, производимое этим методом, может использовать уже существующую инфраструктуру транспортировки топлива. [29]
Одним из самых больших препятствий на пути внедрения DAC является стоимость разделения CO 2 и воздуха. [30] [31][обновлять] По оценкам, к 2023 году общая стоимость системы превысит 1000 долларов США за тонну CO 2. [6] Крупномасштабное развертывание DAC можно ускорить за счет политических стимулов. [32]
Carbon Engineering — коммерческая компания DAC, основанная в 2009 году и поддерживаемая, среди прочего, Биллом Гейтсом и Мюрреем Эдвардсом . [29] [28] По состоянию на 2018 год [обновлять]у компании имеется пилотная установка в Британской Колумбии, Канада, которая используется с 2015 года [16] и способна извлекать около тонны CO 2 в день. [9] [28] Экономическое исследование пилотной установки, проведенное с 2015 по 2018 год, оценило стоимость в 94–232 доллара США за тонну удаленного из атмосферы CO 2 . [16] [3]
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. [16] [28]
Компания использует раствор гидроксида калия . Он реагирует с CO 2 с образованием карбоната калия , который удаляет из воздуха некоторое количество CO 2 . [29]
Первая установка DAC промышленного масштаба 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. [33]
Компания заявила, что улавливание одной тонны CO 2 из воздуха стоит около 600 долларов. [34] [12] [ для проверки необходима расценка ]
Climeworks стала партнером Reykjavik Energy в проекте Carbfix , запущенном в 2007 году. В 2017 году был запущен проект CarbFix2 [35] 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. [9] [36]
8 мая 2024 года компания Climeworks активировала крупнейшую в мире планету DAC под названием Мамонт в Исландии. По данным Climeworks, он сможет извлекать из атмосферы 36 000 тонн углерода в год на полную мощность, что эквивалентно тому, чтобы за год убрать с дорог около 7 800 автомобилей, работающих на бензине. [37]
Global Thermostat — частная компания, основанная в 2010 году, расположенная в Манхэттене , штат Нью-Йорк, с заводом в Хантсвилле, штат Алабама . [29] 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. [38] [ необходима проверка ] [ необходим сторонний источник ]
Компания утверждает, что на своем предприятии в Хантсвилле она удаляет CO 2 по цене 120 долларов за тонну. [29] [ сомнительно – обсудить ]
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. [29]
Soletair Power — стартап, основанный в 2016 году, расположенный в Лаппеенранте , Финляндия, работающий в области прямого захвата воздуха и Power-to-X . Стартап в первую очередь поддерживается финской технологической группой Wärtsilä . По данным компании Soletair Power, ее технология является первой, сочетающей прямой захват воздуха с системами HVAC зданий. Эта технология улавливает CO 2 из воздуха, проходящего через существующие вентиляционные установки внутри зданий, для удаления CO 2 из атмосферы и одновременного снижения чистых выбросов здания. Уловленный CO 2 минерализуется в бетон, хранится или используется для создания синтетических продуктов, таких как продукты питания, текстиль или возобновляемое топливо . В 2020 году компания Wärtsilä совместно с Soletair Power и Q Power создала свою первую демонстрационную установку Power-to-X [39] 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. [40] [41] 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 . [42]
В области исследований разработка командой ETH Zurich раствора фотокислоты для прямого улавливания воздуха представляет собой значительную инновацию. Эта технология, которая все еще находится в стадии доработки, отличается минимальными энергозатратами и новым химическим процессом, который обеспечивает эффективный улавливание и выброс CO2. Потенциал масштабируемости этого метода и его экологические преимущества соответствуют текущим усилиям других компаний, перечисленных в этом разделе, способствуя глобальному поиску эффективных и устойчивых решений по улавливанию углерода. [51]