مغامرات جديدة لثاني أكسيد الكربون المراوغ

ترك جده وترك جدته ... لكنه لم يستطع الابتعاد عن حلول توشيبا التكنولوجية! [صوت موسيقى راقية من جناح G. Sviridov "الوقت ، إلى الأمام!"] ". نحن نتحدث عن ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، الذي يتكون نتيجة أي نشاط صناعي تقريبًا ، مما أدى إلى نهاية العالم المناخية التي تنبأ بها العلماء بسبب "تأثير الاحتباس الحراري". هذه المرة سنتحدث عن التقنيات التي لا تسمح فقط "بقبض" ثاني أكسيد الكربون عند الخروج ، ولكن أيضًا لتحويله إلى مادة قابلة لإعادة التدوير للزراعة والطاقة وحتى لإنقاذ مناخ الكوكب.

جمعت بطريقة ما رجل فرنسي وإنكليزي وسويدي

في عام 1824 ، قارن العالم الفرنسي جوزيف فورييه الأرض بصندوق بغطاء زجاجي: عندما تسقط أشعة الشمس عليه ، يسخن السطح الداخلي للصندوق لأن الحرارة لا يمكن أن تتركه. تحت "الغطاء" من الضروري فهم الغلاف الجوي ، وقد أثبت فورييه نظريًا أن المناخ على الكوكب يعتمد على هذا "الغطاء".



بعد 35 عامًا ، قام الفيزيائي الإنجليزي جون تيندال ، مستوحى من الاكتشافات الحديثة للعصور الجليدية ، بالتحقيق في تأثير الغازات على الإشعاع الحراري. في ذلك الوقت ، اعتقد الناس أن الغازات قابلة للنفاذ تمامًا لتسخين الإشعاع. قرر العالماختبر هذه الفرضية في المختبر واحدة تلو الأخرى على غازات الغلاف الجوي الرئيسية (الأكسجين والنيتروجين والهيدروجين) وتم تأكيدها. عندما كان على وشك المغادرة ، ركز بصره على أداة جديدة تمامًا في المختبر - موقد بنسن. كانت تعمل بغاز الفحم ، والذي كان يسمى أيضًا "غاز المصباح" لأنه كان يستخدم في الفوانيس.





تم تشغيل موقد بنسن على مجموعة متنوعة من مخاليط الغاز ، بما في ذلك الميثان وأول أكسيد الكربون والهيدروجين. المصدر: Daderot / Wikimedia Commons



بعد اختبار غاز الفحم للتوصيل الحراري ، وجد Tyndall أنه يمنع الإشعاع الحراري ، ثم اكتشف أن ثاني أكسيد الكربون ، مع بخار الماء ، يمنعه أيضًا.



على الرغم من أن موقد بنسن - أحد ثمار الثورة الصناعية - قد "ألمح" بشكل مباشر تقريبًا إلى تيندال حول العواقب المحتملة لهذه الثورة على المناخ ، إلا أنه بعد نصف قرن فقط تمكن العالم السويدي سفانتي أرينيوس من التوصل إلى استنتاجات معينة - في عام 1896 ، حسب أن انخفاض محتوى ثاني أكسيد الكربون بمقدار النصف يمكن أن يؤدي الغلاف الجوي إلى عصور جليدية ، وبالتالي فإن حرق الوقود الأحفوري على الكوكب يمكن أن يؤدي إلى نتائج عكسية.



صحيح ، في ذلك الوقت بدت افتراضات أرينيوس رائعة. عادت المشكلة فقط في منتصف القرن العشرين ، عندما تجاوزت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مستوى القرن التاسع عشر عدة مرات. في الستينيات ، تم تطوير نماذج لأول مرة تثبت أنه بالفعل في القرن الحادي والعشرين ، بسبب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، سترتفع درجة حرارة الكوكب عدة درجات.





إن الارتفاع في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون هو نتيجة مباشرة للتصنيع في البلدان المتقدمة ، ثم في الاتحاد السوفيتي والصين. المصدر: CAIT Climate Data Explorer ، World Resources Institute (WRI)



في غضون ذلك ، أجرى العلماء دراسات شاملة حول ما إذا كان ثاني أكسيد الكربون الخارج عن السيطرة سيقتل المناخ الذي اعتدنا عليه وكيف سيفعل ذلك بالضبط ، توصل رجال النفط إلى CCS - وهي تقنية لالتقاط الكربون وتخزينه. في الخمسينيات من القرن الماضي ، بدأ استخدام ثاني أكسيد الكربون في الحقول التي يصعب فيها فصل النفط عن الشوائب المختلفة: على عكس الغازات الأخرى ، يذوب ثاني أكسيد الكربون جيدًا في الزيت ومياه التكوين ، مما يؤدي إلى زيادة حجمها وطرد بقايا النفط المتنقل. في السبعينيات ، بدأ العلماء يفكرونبشأن استخدام ثاني أكسيد الكربون الذي يتكون أثناء احتراق الغاز المصاحب في مشاعل. هكذا ولدت تقنية الالتقاط بعد الاحتراق. في الوقت الحاضر ، يتم استخدامه بشكل متزايد لأسباب بيئية ، وليس فقط في إنتاج النفط. كيف؟ سنخبرك بمثال مشاريع Toshiba في اليابان والولايات المتحدة الأمريكية.

استوعبه

لا يتبع الجميع مثال عمال النفط ويستخدمون ثاني أكسيد الكربون المنتج الثانوي. على سبيل المثال ، محطات الطاقة الحرارية ببساطة لا تحتاج إليها ، مثل العديد من الصناعات الأخرى ، لذلك يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. وفقًا لوكالة الطاقة الدولية ، في عام 2019 ، بلغ إجمالي كتلة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بإنتاج الطاقة 33 مليار طن.





بينما في البلدان المتقدمة ، كانت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الطاقة راكدة (بعض الخطوط تحت الخط الأبيض) ، إلا أنها زادت في البلدان النامية (فوق الخط الأبيض). المصدر: وكالة الطاقة الدولية (IEA)



لتقليل الانبعاثات المهدرة وإعطاء ثاني أكسيد الكربون حياة ثانية ، نستخدمهاالتكنولوجيا الثانوية لاحتجاز الكربون وتخزينه. يعتمد على الامتصاص الكيميائي. نظرًا لأن الانبعاثات تتكون من خليط غازي ، فمن أجل التقاط ثاني أكسيد الكربون بالضبط ، نقوم بتشغيل محلول مائي من الأمينات في جهاز الامتصاص باستخدام "عادم" محطة الطاقة الحرارية. إنه قادر على التقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي عند درجة حرارة معينة ، وعلى العكس من ذلك ، "إطلاقه" عند درجة حرارة مختلفة في أداة التعرية.





بهذه الطريقة ، يمكنك "التقاط" ثاني أكسيد الكربون في أنواع مختلفة من المحطات: الفحم والنفط والغاز. المصدر: أنظمة وحلول الطاقة من Toshiba



في سبتمبر 2009 ، قامت شركة Toshiba ببناءمحطة تجريبية لفصل غاز ثاني أكسيد الكربون واحتجازه في محطة طاقة ميكاوا بقدرة 50 ميجاوات الواقعة في مدينة أوموتا ، محافظة فوكوكا ، اليابان. هنا تم التقاط 10 أطنان من ثاني أكسيد الكربون يوميًا. بالنسبة لشركة Toshiba ، كان هذا مشروعًا تجريبيًا لضبط التكنولوجيا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون على نطاق صناعي.



تقع مدينة ساغا على بعد 35 كيلومترًا فقط من محطة ميكاوا لتوليد الطاقة ، والتي اتخذت منذ عام 2013 دورة لتقليل انبعاثات المواد الضارة في الغلاف الجوي. بعد التعرف على تقنيات التقاط الكربون في مصنع Omut التجريبي ، جاء مسؤولو Saga شخصيًا للحصول على التفاصيل. وقد أعجبوا بما رأوه ، وأرادوا استخدام مثل هذا التركيب في محطة حرق النفايات في مدينتهم.



للقيام بذلك ، كان لابد من تكييف التكنولوجيا ، وقد قامت Toshiba بتركيب نظام تجريبي صغير لالتقاط 10 إلى 20 كجم من ثاني أكسيد الكربون يوميًا من غاز النفايات من حرق النفايات. على مدار 8000 ساعة من التشغيل ، تم استكشاف التكنولوجيا وكذلك الاستخدام التجاري لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. المادة الماصة المستخدمة هي الأمينات القلوية ، وهي مناسبة تمامًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في خليط غاز الاحتراق ، حيث يكون ثاني أكسيد الكربون 8-14٪ فقط. كان أداء هذا النظام التجريبي الصغير جيدًا ، وفي أغسطس 2016 ، دخلت منشأة كبيرة لاحتجاز الكربون بنتها توشيبا حيز التشغيل التجاري.





تجمع محرقة Saga 10 أطنان من ثاني أكسيد الكربون كل يوم. ثم يتم إرسال ثاني أكسيد الكربون عالي النقاء إلى مزرعة الطحالب. يعمل ثاني أكسيد الكربون مع الضوء كسماد ، ويزيد الغلة بمقدار 2-3 مرات. المصدر: أنظمة وحلول الطاقة من توشيبا



بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون في صناعة المواد الغذائية (مادة حافظة E290) ، وإنتاج طفايات الحريق ، بالإضافة إلى مادة التبريد في المجمدات ، وما إلى ذلك ، وبالتالي ، ظهر أول معمل حرق في العالم في ساجا ، انبعاثات ضارة التي تمكنت من تسويقها. لكننا لم نتوقف عند هذا الحد ، فقررنا إحياء مفهوم بيئي لا يزال يعتبر رائعًا.

الطاقة الحيوية بالمعنى الجيد للكلمة

هناك مفهوم لتنظيف الغلاف الجوي من ثاني أكسيد الكربون ، وهو ما يسمى "الطاقة الحيوية مع احتجاز الكربون وتخزينه" (بالإنجليزية Bio-Energy with Carbon Capture and Storage، BECCS). لا تتسرع في الاستيلاء على المسدس: الإدراك خارج الحواس والحقل الحيوي ليس لهما علاقة به - نحن نتحدث فقط عن اختلاف غريب في UHY.



يُفترض أنه من الممكن تقليل كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من خلال العمل ضد هذا الغاز على جبهتين: من ناحية ، زراعة نباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي ، ومن ناحية أخرى ، لحرق هذه النباتات ، ويتم دفن ثاني أكسيد الكربون الناتج في الطبقات العميقة من قشرة الأرض ، أو تحويل إلى شيء مفيد. على سبيل المثال ، سماد لمجموعة جديدة من النباتات. ربما يكون الجدل حول هذه النظرية أكثر شراسة مما هو حول الاحتباس الحراري نفسه ، لذلك لن نتطرق إلى جوهرها ، ولكن نتحدث فقط عن مشروعنا التجريبي في هذه الطاقة الحيوية "الصحيحة".



بالتزامن مع العمل في ساغا ، تم تجديد محطة الطاقة الحرارية في أوموت. في عام 2017 ، تم تحويله من الفحم إلى الوقود الحيوي. بدأ إرسال مئات الآلاف من الأطنان من القذائف الإندونيسية من حبات نخيل الزيت المستخدمة للحصول على زيت النخيل إلى فرن هذه المحطة. ستكون محطة Omut للوقود الحيوي أول محطة طاقة في العالم تستخدم تقنيات BECCS - وستكون قادرة على التقاط أكثر من 500 طن من ثاني أكسيد الكربون يوميًا ، أي أكثر من نصف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المحطة.

إما سائل أو رؤية

يمكن أن يصبح ثاني أكسيد الكربون المعاد تدويره بحد ذاته مصدرًا للطاقة ، علاوة على أنه صديق للبيئة. للقيام بذلك ، يجب إحضارها إلى حالة فوق حرجة ، أي إلى الشكل الكلي لمادة ، حيث تحتوي على خصائص كل من الغاز والسائل. من السهل نسبيًا تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى هذه الحالة - فهو يتطلب درجة حرارة تبلغ 31 درجة مئوية عند ضغط حوالي 7.4 ميجا باسكال (73 ضغط جوي).



على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج يبدو وكأنه سائل في المظهر ، إلا أنه يسمى بشكل صحيح السائل فوق الحرج (SCF). المصدر: قناة YouTube Flachzange1337



في عام 2018 ، نجحت شركة Toshiba بالتعاون مع شركة NET Power الأمريكية ، في اختبار غرفة احتراق على نطاق تجاري في محطة طاقة بقدرة 50 ميجاوات في La Porte ، تكساس ، الولايات المتحدة الأمريكية ، مصممة لتأكيد تشغيل نظام توليد طاقة CO2 فوق الحرج. ... تعمل توشيبا على تطوير التوربين وغرفة الاحتراق منذ عام 2012.



يستخدم نظام توليد الطاقة فوق الحرج CO2 الغاز الطبيعي وهو أكثر كفاءة من أنظمة الغاز الطبيعي الأخرى ، ويلتقط ثاني أكسيد الكربون عالي الضغط مع التخلص من أكاسيد النيتروجين والملوثات الأخرى.



وهي تعمل على النحو التالي: يتم إدخال غاز ثاني أكسيد الكربون والغاز الطبيعي والأكسجين في غرفة الاحتراق. عن طريق حرق هذا الخليط ، تولد الغرفة سائل عمل غازي ، يتكون أساسًا من ثاني أكسيد الكربون والبخار. يتم نقله تحت ضغط مرتفع ودرجة حرارة عالية إلى توربين حيث يقوم بتدوير العمود وتوليد الكهرباء.



يتم بعد ذلك تبريد غاز العادم في التوربين وتقسيمه إلى قسمين - الماء وثاني أكسيد الكربون. يتم ضغط الأخير مرة أخرى وإعادته إلى غرفة الاحتراق ، ليبدأ الدورة من جديد. يمكن دفن فائض ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض أو نقله إلى مستهلك خارجي ، ويمكن التخلص من المياه النظيفة.





مخطط التركيب باستخدام السائل فوق الحرج CO2. المصدر: شركة توشيبا لأنظمة وحلول الطاقة

لا تدخن هنا!

لذلك ، اكتشفنا أن ثاني أكسيد الكربون قابل لإعادة التدوير ، وبعد ذلك يمكن توجيهه لاحتياجات الزراعة والصناعة والطاقة. وفقًا لذلك ، من خلال منعه من دخول الغلاف الجوي ، فإننا لا نحد من تأثير الاحتباس الحراري فحسب ، بل نحقق أيضًا ربحًا. ببساطة ، يعد ثاني أكسيد الكربون مصدر دخل محتمل.



أين يتم إنتاج الكثير من هذا الغاز؟ على سبيل المثال ، في روسيا: وفقًا لشركة النفط BP ، احتلت روسيا في عام 2018 المرتبة الرابعة عالميًا من حيث انبعاثات غازات الاحتباس الحراري (1.55 مليار طن سنويًا) ، بعد الصين والولايات المتحدة والهند فقط في هذا المؤشر وقبل اليابان بخط واحد. ... أليس هذا سببًا لبدء "التقاط" ثاني أكسيد الكربون على نطاق صناعي ، عندما يسجل سعر النفط أرقامًا قياسية سلبية؟