Улавливание и утилизация углерода - Carbon capture and utilization

Сравнение секвестрации и утилизации уловленного диоксида углерода

Улавливание и утилизация углерода (CCU) - это процесс захвата углекислый газ (CО2) для переработки для дальнейшего использования.[1] Улавливание и использование углерода может стать ответом на глобальную проблему значительного сокращения парниковый газ выбросы от основных стационарных (промышленных) источников.[2] CCU отличается от Улавливание и хранение углерода (CCS) в том смысле, что CCU не ставит своей целью и не приводит к постоянному геологическое хранилище диоксида углерода. Вместо этого CCU стремится преобразовать уловленный диоксид углерода в более ценные вещества или продукты; такие как пластмассы, бетон или биотопливо; при сохранении углеродная нейтральность производственных процессов.

Захваченный CO2 может быть преобразован в несколько продуктов: одна группа углеводороды, например, метанол, для использования в качестве биотоплива и других альтернативные и возобновляемые источники энергии. Другие коммерческие продукты включают пластмассы, бетон и реагенты для различного химического синтеза.[3]

Хотя CCU не приводит к чистому выбросу углерода в атмосферу, необходимо принять во внимание несколько важных соображений. Потребность в энергии для дополнительной обработки новых продуктов не должна превышать количество энергии, высвобождаемой при сжигании топлива, поскольку для процесса потребуется больше топлива.[требуется разъяснение ] Потому что CO2 термодинамически стабильная форма углерод изготовление изделий из него энергоемко.[4] Кроме того, опасения по поводу масштабов CCU являются серьезным аргументом против инвестирования в CCU.[требуется разъяснение ] Перед инвестированием в CCU также следует учитывать доступность другого сырья для создания продукта.

Учитывая различные потенциальные варианты улавливания и использования, исследования показывают, что те, которые связаны с химическими веществами, топливом и микроводорослями, имеют ограниченный потенциал для CO
2 удаление, в то время как те, которые связаны со строительными материалами и сельскохозяйственным использованием, могут быть более эффективными.[5]

Прибыльность CCU частично зависит от цена углерода CO2 выпускается в атмосферу. Использование захваченного CO2 создание полезных коммерческих продуктов может сделать улавливание углерода финансово жизнеспособным.[6]

Источники углерода

CO2 обычно захватывается из фиксированных источников, таких как электростанции и фабрики.[4] CO2 улавливаемый из этих выхлопных газов сам поток различается по концентрации. Типичная угольная электростанция будет иметь 10-12% CO.2 концентрация в своем дымовые газы выхлопной поток.[7] Завод по переработке биотоплива производит CO высокой чистоты (99%).2 с небольшим количеством примесей, таких как вода и этанол.[7] Сам процесс разделения может выполняться с помощью таких процессов разделения, как поглощение, адсорбция, или же мембраны.[нужна цитата ]

Другой возможный источник улавливания в процессе CCU связан с использованием плантаций. Идея возникла из наблюдения в Кривая Килинга что СО2 уровень в атмосфере ежегодно колеблется примерно на 5 частей на миллион (частей на миллион ), что объясняется сезонной сменой растительности и разницей в площади суши между северным и южным полушариями.[8][9] Однако СО2 секвестрированные растениями будут возвращены в атмосферу, когда растения погибнут. Таким образом, предлагается сажать культуры с C4 фотосинтез, учитывая его быстрый рост и высокую скорость улавливания углерода, а затем для обработки биомассы для таких приложений, как biochar которые будут постоянно храниться в почве.[10]

Примеры технологии и применения

Часть серии о
Устойчивая энергия
Ветряные турбины возле Вендсисселя, Дания (2004 г.)
Обзор
Энергосбережение
Возобновляемая энергия
Экологичный транспорт
  • Ветряная турбина-icon.svg Портал возобновляемой энергии
  • Aegopodium podagraria1 ies.jpg Портал окружающей среды

CO2 электролиз

CO2 может быть захвачен и преобразован в углеродно-нейтральное топливо в водной катализ процесс.[11][12][13] Можно конвертировать CO2 таким образом прямо в этиловый спирт, который затем можно обновить до бензин и реактивное топливо -[14]

Углеродно-нейтральное топливо

Основная статья: Углеродно-нейтральное топливо

Углеродно-нейтральное топливо можно синтезировать, используя захваченный CO2 из атмосферы как основного источника углеводородов. Затем топливо сгорает и CO2, как побочный продукт процесса сгорания, выбрасывается обратно в воздух. В этом процессе нет чистого углекислого газа, выделяемого или удаляемого из атмосферы, отсюда и название углеродно-нейтрального топлива.[нужна цитата ] Пример технологии включает биотопливо из микроводорослей, как описано ниже.

Топливо метанол

Проверенный процесс производства углеводорода - это сделать метанол. Метанол легко синтезируется из CO
2 и H2. Исходя из этого факта, идея создания метанольная экономика родился.

Метанол, или метиловый спирт, является простейшим членом семейства спиртовых органических соединений с химической формулой CЧАС3ОЧАС. Топливо метанол могут производиться с использованием уловленного диоксида углерода при производстве с использованием возобновляемых источников энергии. Следовательно, метанольное топливо рассматривается как альтернатива ископаемому топливу в производстве электроэнергии для достижения экологической устойчивости с нулевым выбросом углерода.[15][16] Carbon Recycling International, компания с производственной базой в г. Гриндавик, Исландия, продает такое возобновляемое высокооктановое метанольное топливо для преобразования выбросов в жидкость с текущей производственной мощностью 4 000 метрических тонн в год.[17]

Химический синтез

Также известен как химическое сырье, CO2 захваченные ранее будут использоваться для преобразования в широкий спектр продуктов. Некоторые из этих продуктов включают: поликарбонаты (через цинк на основе катализатор ) или другие органические продукты, такие как уксусная кислота,[18] мочевина,[18] и ПВХ.[19] В отчете за март 2011 г. говорится, что для коммерциализации этой технологии требуется 1–5 лет.[нужна цитата ] Химический синтез - это не постоянное хранение / использование CO.2, так как алифатический (с прямой цепью) соединения могут разлагаться и выделять CO2 вернуться в атмосферу уже через 6 месяцев.[19]

Новомер химическая компания, работающая над катализатором на основе цинка для производства полиэтилен карбонат (ПЭК) и карбонат полипропилена (КПП) сырье. В отчете Global CCS Institute за март 2011 г. прогнозируется годовой производственный потенциал в 22,5 млн т CO2.2/ год.[нуждается в обновлении ] Они получили финансирование из нескольких источников, таких как Департамент энергетики (DOE) (2,6 миллиона долларов) и NSF (400 000 долларов США) для коммерциализации, а также преобразования производственного процесса из периодического в непрерывный процесс.[19]

Повышение нефтеотдачи (EOR)

Основная статья: Повышение нефтеотдачи

В EOR захваченный CO2 закачивается в истощенные нефтяные месторождения с целью увеличения количества нефти, добываемой скважинами. Доказано, что этот метод увеличивает добычу нефти на 5-40%.[19] Шкала CO2 использование с помощью этих технологий колеблется от 30-300 МтCO2/ год. Это постоянная и зрелая технология в CCU. Самый большой рыночный драйвер для увеличения нефтеотдачи - это сильная зависимость от нефти. В Соединенных Штатах некоторые из дополнительных рыночных факторов включают: налоговые поступления от иностранной нефти, а также наличие налоговых льгот на выбросы углерода.[нужна цитата ]

Минерализация углерода

Основная статья: Минерализация (почвоведение)

Углекислый газ из таких источников, как дымовой газ, реагирует с минералами, такими как оксид магния и оксид кальция образовывать устойчивое твердое тело карбонаты. Источники минералов включают рассол и отходы промышленных минералов. Карбонаты затем могут быть использованы для строительства, потребительских товаров и в качестве альтернативы для улавливание и связывание углерода (CCS). Масштаб этой технологии может достигать более 300 Мт CO.2 снимается в год.[нужна цитата ] 0,5 тонны CO2 удаляется из воздуха на каждую тонну произведенного минерального карбоната.[нужна цитата ] Однако для коммерциализации требуется 1–5 лет, поскольку технология еще не созрела.[нужна цитата ]

Компания Calera предложила способ минерализации CO.2 через процесс CMAP. Этот процесс включает осаждение карбонатной суспензии из смеси воды, твердых минералов и дымовых газов. Это концентрированная перекачиваемая карбонатная суспензия, пресная вода и CO.2-без дымовых газов.

Преимущества этого процесса включают производство пресной воды и то, что CO2 б / у не требует разделения или сжатия. Однако препятствием для этой технологии является конкуренция с существующими цемент отрасли.

Биотопливо из микроводорослей

Основная статья: Топливо из водорослей
Топливо можно производить из водорослей.

Исследование показало, что микроводоросли можно использовать в качестве альтернативного источника энергии.[20] Пруд с микроводорослями питается источником углекислого газа, таким как дымовой газ, и микроводоросли затем размножаются. Затем собирают водоросли, а полученную биомассу затем превращают в биотопливо. 1,8 тонны CO2 удаляется из воздуха на 1 метрическую тонну произведенной сухой биомассы водорослей.[нужна цитата ] Это число фактически варьируется в зависимости от вида. Масштаб этой технологии может достигать более 300 млн т CO.2 снимается в год.[нужна цитата ] Сотрудничество2 уловленные будут храниться непостоянно, поскольку произведенное биотопливо будет сжигаться, а CO2 будет выпущен обратно в воздух. Однако СО2 выпущенное сначала было захвачено из атмосферы, и выпуск его обратно в воздух делает топливо углеродно-нейтральное топливо. Эта технология еще не сформировалась.[нужна цитата ][21]

Мертвые водоросли могут опускаться на дно озера и превращаться в постоянное хранилище. Однако водорослям требуется большая площадь пруда и солнечный свет круглый год для удаления CO.2 круглый год. Кроме того, необходимо контролировать среду пруда, поскольку водоросли должны жить в определенных условиях. Есть опасения по поводу того, как наполненный водорослями пруд может повлиять на окружающую среду и экосистему вокруг него.[нужна цитата ]

сельское хозяйство

Основная статья: Biochar

Подход, который также предлагается в качестве меры по смягчению последствий изменения климата, заключается в улавливании углерода на основе растений.[22] Полученную биомассу затем можно использовать для топливо, а побочный продукт биочага затем используется в сельском хозяйстве в качестве усилителя почвы. Прохладная планета частная компания с научно-исследовательским центром в г. Камарилло, Калифорния, выполнили разработку biochar для сельскохозяйственных приложений и заявили, что их продукт может повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 12,3% и трехкратную окупаемость инвестиций за счет улучшения здоровье почвы и удержание питательных веществ.[23] Тем не менее, утверждения об эффективности улавливания углерода растениями для смягчения последствий изменения климата вызвали изрядный скептицизм.[24]

Воздействие на окружающую среду

Участки проектов по улавливанию и утилизации углерода, согласно отчету Global CCS Institute за 2011 год.[25]

Было проведено 16 анализов воздействия на окружающую среду жизненного цикла для оценки воздействия четырех основных технологий CCU на традиционные CCS: химический синтез, минерализация углерода, производство биодизеля, а также Повышение нефтеотдачи (EOR). Эти технологии оценивались на основе 10 баллов. Оценка жизненного цикла (LCA) воздействия, такие как: потенциал подкисления, потенциал эвтрофикации, потенциал глобального потепления и потенциал разрушения озонового слоя. Вывод из 16 различных моделей заключался в том, что химический синтез имеет самый высокий потенциал глобального потепления (в 216 раз больше, чем CCS), в то время как увеличение нефтеотдачи имеет наименьший потенциал глобального потепления (в 1,8 раза больше, чем CCS).[1]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Cuéllar-Franca, Rosa M .; Азапагич, Адиса (01.03.2015). «Технологии улавливания, хранения и использования углерода: критический анализ и сравнение их воздействия на окружающую среду в течение жизненного цикла». Журнал утилизации CO2. 9: 82–102. Дои:10.1016 / j.jcou.2014.12.001. ISSN  2212-9820.
  2. ^ «Улавливание углерода». Центр климатических и энергетических решений. Получено 2020-04-22.
  3. ^ Дибенедетто, Анджела; Анджелини, Антонелла; Стуфано, Паоло (01.03.2014). «Использование диоксида углерода в качестве сырья для химикатов и топлива: гомогенный и гетерогенный катализ». Журнал химической технологии и биотехнологии. 89 (3): 334–353. Дои:10.1002 / jctb.4229. ISSN  1097-4660.
  4. ^ а б Смит, Беренд; Реймер, Джеффри А; Ольденбург, Кертис М; Бург, Ян К. (18.06.2013). Введение в улавливание и связывание углерода. Лекции в Беркли по энергетике. Imperial College Press. Дои:10.1142 / p911. ISBN  9781783263271.
  5. ^ Хепберн, Кэмерон; Адлен, Элла; Беддингтон, Джон; Картер, Эмили А .; Суета, Сабина; Мак Доуэлл, Найл; Minx, Jan C .; Смит, Пит; Уильямс, Шарлотта К. (6 ноября 2019 г.). «Технологические и экономические перспективы утилизации и удаления СО2». Природа. 575 (7781): 87–97. Дои:10.1038 / s41586-019-1681-6. PMID  31695213.
  6. ^ Биниек, Криста; Дэвис, Райан; Хендерсон, Кимберли. «Почему коммерческое использование может стать будущим улавливания углерода | McKinsey». mckinsey.com. Получено 12 января 2018.
  7. ^ а б Сюй, Исян; Изом, Лорен; Ханна, Милфорд А. (01.05.2010). «Повышение ценности диоксида углерода от ферментации этанола». Биоресурсные технологии. 101 (10): 3311–3319. Дои:10.1016 / j.biortech.2010.01.006. ISSN  0960-8524. PMID  20110166.
  8. ^ Килинг, Чарльз (июнь 1960). «Концентрация и изотопное содержание диоксида углерода в атмосфере» (PDF). Скажи нам. 12 (2): 200–203. Дои:10.3402 / tellusa.v12i2.9366.
  9. ^ Килинг, Чарльз; и другие. (1976). «Вариации содержания двуокиси углерода в атмосфере в обсерватории Мауна-Лоа, Гавайи». Скажи нам. 28 (6): 538–551. Дои:10.3402 / tellusa.v28i6.11322.
  10. ^ Х, фабрика лунных бомб, Мы решаем для X: Майк Чейки о жидком топливе с отрицательным углеродом, получено 2018-12-08
  11. ^ «Катализаторы с наноспайками превращают диоксид углерода непосредственно в этанол | ORNL». www.ornl.gov. Получено 2020-01-23.
  12. ^ "Медный катализатор дает высокоэффективное преобразование CO2 в топливо | Исследования Калифорнийского университета в Беркли". vcresearch.berkeley.edu. Получено 2020-01-23.
  13. ^ Диммер, Оливия. «Превращение CO₂ в этанол: исследователи открывают путь к устойчивому производству энергии». news.iit.edu. Получено 2020-01-23.
  14. ^ "Журнал производителей этанола - Последние новости и данные о производстве этанола". www.ethanolproducer.com. Получено 2020-01-23.
  15. ^ Олах, Джордж А. (29 апреля 2005 г.). «Помимо нефти и газа: экономика метанола». Angewandte Chemie International Edition. 44 (18): 2636–2639. Дои:10.1002 / anie.200462121. ISSN  1521-3773. PMID  15800867.
  16. ^ Хаген, Дэвид (27 декабря 1978 г.). «МЕТАНОЛ: ЕГО СИНТЕЗ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА, ЭКОНОМИКА И ОПАСНОСТИ». Управление энергетических исследований и разработок. Получено 7 декабря 2018.
  17. ^ «Вулканол». CRI - Carbon Recycling International. Получено 2018-12-08.
  18. ^ а б Совет национальных исследований (27.06.2001). Управление углеродом: последствия для НИОКР в области химических наук и технологий (отчет семинара для круглого стола по химическим наукам). Дои:10.17226/10153. ISBN  9780309075732. PMID  20669488.
  19. ^ а б c d «Ускорение внедрения CCS: промышленное использование уловленного диоксида углерода» (PDF). globalccsinstitute.com. Глобальный институт CCS. Март 2011 г.. Получено 3 октября 2020.
  20. ^ Oncel, Suphi S. (01.10.2013). «Микроводоросли для макроэнергетического мира». Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 26: 241–264. Дои:10.1016 / j.rser.2013.05.059. ISSN  1364-0321.
  21. ^ https://www.chemengonline.com/mechanical-co2-sequestration-improves-algae-production/
  22. ^ Матович, Дарко (01.04.2011). «Biochar как жизнеспособный вариант связывания углерода: глобальная и канадская перспектива». Энергия. 36 (4): 2011–2016. Дои:10.1016 / j.energy.2010.09.031. ISSN  0360-5442.
  23. ^ «Cool Planet завершила сотое независимое испытание Cool Terra®» (PDF). Прохладная планета. 19 марта 2018.
  24. ^ Поппер, Бен (2014-04-14). «Изобретатель всего». Грани. Получено 2018-12-08.
  25. ^ «Демонстрационные проекты | Global CCS Institute». hub.globalccsinstitute.com. Получено 2018-12-07.

дальнейшее чтение