الطرائق الكيميائية لضبط ثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات الصناعية

استعراض عام لتكنولوجيات التقاط المواد الكيميائية

(ب) تشير عملية احتجاز الكربون الكيميائي إلى عمليات تستخدم ردود الفعل الكيميائية في مجرى ثاني أكسيد الكربون المنفصل قبل أن تصل إلى الغلاف الجوي، وتستغل هذه الأساليب مدى كفاءة بعض المركبات في ثاني أكسيد الكربون، وتشكل أنواعاً كيميائية متوسطة يمكن عكسها أو تحويلها إلى منتجات مستقرة، وفي حين توجد تقنيات فصل مادي مثل التحلل المبرد، فإن الأساليب الكيميائية تحقق درجة انتقائية وكفاءة أكبر، لا سيما عندما يتعلق الأمر بتركيز ثاني أكسيد الكربون في الغازات المتوسطة().

تقنيات القدرات الكيميائية الرئيسية

الامتصاص باستخدام السائل المذيب

أما طريقة الضبط الكيميائي الأكثر نضوجاً وانتشاراً على نطاق واسع فهي الاستيعاب باستخدام المذيبات السائلة، ولا سيما الحلول القائمة على الأمين، وفي نظام نموذجي لاستخلاص الغاز المفلط من ثاني أكسيد الكربون، يتم نقله من عمود ممتص حيث يتصل بمذيبات كئيبة، وأكثرها احتكاراً، ويتفاعل جزيئات الأمين مع ثاني أكسيد الكربون بشكل فعال مع تركيب الصبغة التراكمي وثاني أكسيد الكربون.

وقد ثبت أن الرش في الماء المبرد على نطاق واسع - وهو مرفق سد باوندي - كليبرتون في ساسكاتشوان، كندا، قد استخدم هذه العملية منذ عام 2014 لاستخلاص - 1 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً من محطة توليد الطاقة العاملة بالفحم، غير أن أوجه القصور تشمل استهلاكاً عالياً من الطاقة لتوليد الطاقة (العمليات المخفضة من 2.5 إلى 4 جي جي جي إله من ثاني أكسيد الكربون)

الامتصاص باستخدام السوائل الصلبة

وتوفّر السوائل بديلا للمذيبات السائلة عن طريق سد ثاني أكسيد الكربون عن طريق النسيج الفيزيائي أو الاختياط الكيميائي على سطح مخروط، وتشمل المواد الرئيسية الزيلات والأطر العضوية المعدنية، والسوائل المحتوية على حرارة عالية، والكربون المنشط، وتستخدم هذه العملية عادة الإمتصاص المتأرجح لدرجات الحرارة (150 درجة مئوية) أو ضغطاً مخففاً.

وتمنح المواد الصلبة ذات الحزم الصلبة عدة مزايا على الأمينات السائلة: فهي تتجنب السائل والتآكل، ومسائل تدهور الأمين؛ ويمكن تصميمها على مستوى الجزيئي من أجل انتقائية عالية وقدرة عالية؛ وقد تعمل على مدى درجات حرارة أوسع، فمثلاً، تظهر المغذيات مثل ميغاغرام-2 (الطنان) ارتفاعاً استثنائياً في كمية ثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي منخفض ويمكن تجديدها بجيل حراري.

Chemical Looping Combustion

إن حرق المواد الكيميائية، وثاني أكسيد الكربون، وناقلات ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون المحتوي على مادة متجانسة.

وتقضي اتفاقية مكافحة التصحر على الحاجة إلى خطوة فصلية كثيفة الطاقة لأن ثاني أكسيد الكربون معزولة في جوهرها في مفاعل الوقود، كما أنها تتجنب تكوين مفاعلات النيتروجين لأن مفاعل الوقود يعمل بدون النيتروجين، وقد ثبت وجود محطات تجريبية تصل إلى عدة ميغاوات (مثلاً، محطة ثلاثية ميغاواط في الجامعة التقنية لدارمستاد، ووحدة حرارة واحدة في فيينا).

الكربون واللامركزية

(ب) إن عمليات الكربون تحول ثاني أكسيد الكربون إلى كربونات صلبة مستقرة من خلال تفاعلها مع أكاسيد المعادن أو السيليكات المعدنية، ويمكن القيام بذلك على أرض الواقع، أو على المعادن الرطبة مثل البوليفين (Mg2SiO4) أو نفايات السائل المغنطيسي (Mg3Si2O5(OH)4) أو على إعادة تفاعلها مع ثاني أكسيد الكربون تحت درجة حرارة عالية والضغط على شكل ذبابات كربونية بديلة.

وفي حين أن التعدين يتفادى تحديات الحقن التي ينطوي عليها التخزين الجيولوجي ويمكن إدماجه في مواد البناء )مثل الخرسانة المحتوية على الكربون( فإن معدلات التفاعل بطيئة، والطاقة المطلوبة للطحن والتدفئة عالية، وتهدف البحوث الحالية إلى تسريع الكربون باستخدام مضافات حافزة، أو مفاعلات عالية الكساد، أو طرق الكربون غير المباشرة)٢(.

ألف - مزايا وقيود أساليب التعبئة الكيميائية

وتوفر أساليب الضبط الكيميائية مجتمعة كفاءة عالية في إزالة ثاني أكسيد الكربون (التي غالباً ما تكون 90 في المائة) من المجاري الصناعية، حتى عندما تكون تركيزات ثاني أكسيد الكربون منخفضة، ويمكن إعادة استخدامها في محطات توليد الطاقة الموجودة، وأفران الأسمنت، والمصافي، ومطاحن الصلب، مما يوفر جسراً لعمليات خفض انبعاثات الكربون، بينما يرتفع حجم الطاقة المتجددة، ويمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون المأخوذة كمواد وسيطة للمواد الكيميائية (يورين، الميثانول).

بيد أن كل تقنية تنطوي على قيود، إذ أن التنظيف الجوي للأمين يعاني من توليد كبير لعقوبة الطاقة، ويستهلك عادة ما يتراوح بين ٢٠ و٣٠ في المائة من ناتج البخار المستخدم في المصنع، ويقلل من الناتج الصافي للكهرباء بنسبة ١٥-٣٠ في المائة، ولا تزال المواد الصلبة تواجه تحديات كبيرة من حيث استقرار التقلبات الدورية وإدارة حرارة الأسر، وتحتاج الحلقات الكيميائية إلى تصميمات جديدة تماماً، كما أنها تنطوي على تكاليف رأسمالية عالية)٢(.

اعتبارات عقوبة الطاقة والتكاليف

وعقوبة الطاقة هي أكثر الحواجز الاقتصادية أهمية بالنسبة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون الكيميائي: ففي حالة الحرق بعد الاحتراق، تؤدي البخار المطلوب لإعادة التجديد إلى تخفيض صافي كفاءة محطة توليد الطاقة بحوالي ٨-١٢ نقطة مئوية )من ٤٠ في المائة إلى ٢٨-٣٢ في المائة من الغاز المائي(، مما يترجم إلى زيادة استهلاك الوقود لكل ساعة من ساعات العمل المتوسطة، وارتفاع تكاليف محطات توليد الطاقة الكهربائية)٢(.

وتهدف التكنولوجيات الصلبة إلى توليد طاقة أقل تجديداً (1.5 إلى 3 جي جي جي جي/تون) باستخدام حرارة النفايات أو البخار المنخفض الحرارة، مما قد يقلل التكاليف إلى 30 إلى 50 دولاراً للطن الواحد.() ويمكن أن يحقق الاحتراق الكيميائي نظرياً صافي الكفاءة الكهربائية مقارنة بالاحتراق التقليدي بينما يتحمل ثاني أكسيد الكربون بالتكلفة الإضافية الهامشية ([تشير البحوث المتعلقة بمركبات الكربون الكلورية فلورية: 0]).

مشاريع النشر الحالية والتشغيل الكبير

وفي عام 2024، كان أكثر من 40 مرفقاً من مرافق احتجاز الكربون على نطاق واسع تعمل أو قيد التشييد على الصعيد العالمي، حيث تضم حوالي 50 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً - جزء ضئيل من الانبعاثات العالمية (37 بليون طن) وتستخدم معظمها امتصاص المواد الكيميائية مع الأمينات، وتشمل المشاريع الرئيسية ما يلي:

• Boundary Dam (Canada):] Coal-fired power plant, amine scrubbing, ~1 Mt CO2/year, operational since 2014.
• Petra Nova (USA): ] Coal-fired plant (now mothballed due to economics), amine scrubbing, ~1.6 Mt CO2/year for enhanced oil recovery.
• Sleipner (النرويج): ] Natural gas processing, amine scrubbing, ~1 Mt CO2/year injected into saline layer, operational since 1996.
• Gorgon (أستراليا): ] Natural gas processing, amine srubbing, up to 4 Mt CO2/year; has faced injection challenges.
• Fortum Oslo Varme (Norway): ] Waste‐to-energy plant, amine scrubbing, ~0.4 Mt CO2/year (project under development for full scale).

Emerging projects using novel solvents or solid sorbents include the Pilotscale Advanced CO2 Capture (PACC)) facility in Alabama, testing multiple technologies, and the ]Carbon Clean[FlorT:3] modular wash system deployed at a cement plant in India4.

الابتكارات والاتجاهات المستقبلية

الـمـوسـل الـجديد و الـسـواد

وتتسارع البحوث بشأن المذيبات ذات الحرارة المنخفضة التجدد، وارتفاع الاستقرار الأوكسجيني، وانخفاض الأثر البيئي، إذ أن المذيبات المتطورة (مثلاً، النظم البدائية التي تشكل طبقة سائلة متطورة من ثاني أكسيد الكربون أو غير قابلة للاشتعال) يمكن أن تقلل من الحمولة الحرارية المعقولة عن طريق اشتراط أن يكون جزء فقط من المذيبات مسخونة، مع استخدام أُطر ثنائية كربونية مصممة لتسريع.

التقاط الكهرومائية

ويستخدم نهج مختلف اختلافا جذرياً التيار الكهربائي لدفع عملية الفصل بين ثاني أكسيد الكربون، إما عن طريق تعديل الهيدروجيني في خلية كهربائية (مثل عملية المضغوط) أو عن طريق التقاط ثاني أكسيد الكربون بالكهرباء الكهرومغناطيسي أو باستخدام أجهزة الكهرومغناطيسية ذات قاعدة خمسية، ويمكن أن يعمل التقاط الكهروم الكيميائي في درجة حرارة وضغط يمكن أن يقلل من عقوبة الطاقة الحرارية ويمكِّن من التشغيل المستمر لنقطة الخريفي.

التكامل مع الاستخدام

وبدلاً من فصل ثاني أكسيد الكربون عن التخزين وحده، فإن العديد من النباتات المقبلة ستتعرض مباشرة للتحول إلى منتجات قيمة، أما أساليب الضبط الكيميائية التي تنتج تدفقاً عالياً من ثاني أكسيد الكربون فهي مناسبة للاستخدام في غازات الدفيئة، أو في المشروبات الكربونية، أو كمواد وسيطة للوقود التركيبي عن طريق الهيدروجين، غير أن حجم الاستخدام أصغر بكثير من حجم ثاني أكسيد الكربون الذي يجب إزالتها لتلبية احتياجات ثاني أكسيد الكربون الأساسية.

خاتمة

إن الأساليب الكيميائية لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات الصناعية تمثل مجموعة أدوات ناضجة وإن كانت متطورة لا غنى عنها في إزالة الكربون من أعماقه، ومن الاختراق الواسع النطاق للأمين إلى العمليات الكهروكيميائية الناشئة، فإن كل تقنية توازن بين الكفاءة، والتكلفة، والتعقيد التشغيلي، وفي حين أن أي طريقة واحدة هي فرض عقوبات فضية على الطاقة، فإن القدرة على تحمل المواد، وتكاليف التوسع لا تزال هائلة - حيث أن حافظة البحوث الأقل تكلفة توفر مساراً واضحاً.