تحدي عقوبة الطاقة في كابينة الكربون

(أ) إن احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه معترف به على نطاق واسع كأداة حاسمة لتخفيف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع الصناعة والطاقة(2) )() ومع ذلك، فإن انتشار التكنولوجيا على نطاق أوسع قد أعاق بسبب وجود حاجز تقني ثابت: عقوبة الطاقة، وهذه العقوبة تشير إلى زيادة الطاقة الحرارية والكهربائية والمتطلبة من كل من الناتج التقليدي([F3]).

ولا يقتصر التقليل من عبء الطاقة هذا على مجرد تحسين تدريجي؛ بل هو شرط أساسي لجعل احتجاز الكربون قابلاً للتطبيق اقتصادياً على نطاق واسع، وبدون إجراء تخفيضات كبيرة في العقوبات المفروضة على الطاقة، فإن تكلفة استخدام ثاني أكسيد الكربون (2) لا تزال مرتفعة جداً بالنسبة للعديد من الصناعات لتبرير التبني، ولا سيما في المناطق التي يكون فيها تسعير الكربون منخفضاً أو غير متوافر.

النهج الابتكارية لخفض العقوبات على الطاقة

ولا يوجد حل وحيد للقضاء على عقوبات الطاقة في جميع سيناريوهات التقاط النفايات، ويعتمد النهج الأمثل على مصدر ثاني أكسيد الكربون (2) ] (مثل غاز المداخن من محطة للدراجات المشتركة الغاز الطبيعي مقابل العادم الأسمنت)، ومعدل الإمساك المرغوب فيه، وتوافر حرارة النفايات أو الكهرباء المنخفضة الكربون، وتبرز الفروع التالية مجالات الابتكار الرئيسية.

المواد الخام المتقدمة

وكانت المذيبات التقليدية القائمة على الأميين، مثل الأوغنتانولمين، هي مجموعة العمل التي تم الاستيلاء عليها بعد الاحتراق منذ عقود، غير أن حرارتها العالية من التجديد - التي تراوحت بين ٣ و٤,٠ جي جي لكل طن من ثاني أكسيد الكربون)٠()٢( ]و( - كانت تُحد من احتياجات الطاقة المتزايدة أو المذيبة.

Metal-organic frameworks (MOFs) represent one of the most active research boundaries. These plasticline, porous materials can be fine-tuned at the molecular level to exhibit high CO2 selectivity and moderate binding energies, enabling desorption at lower temperatures. A 2023 study published in

وهناك درجة واعدة أخرى هي امتصاصات للتغيرات التدريجية، وهذه المواد تنتقل من السائل إلى الصلب (أو من خليط متجانس إلى خليط متجانس) على مركب ثاني أكسيد الكربون ()(2) ، مما يتيح فصلاً فعالاً من الطاقة، ويمكن إعادة تجديد المرحلة الصلبة الغنية بدرجات حرارة أقل، وإعادة تدوير المرحلة السائلة.

عملية تكامل النفايات واستعادة مياهها

وحتى مع أفضل المواسير، لا يمكن تجنب بعض مدخلات الطاقة من أجل التجديد، ويركز التكامل على تلبية الطلب باستخدام الحرارة التي ستهدر من غير ذلك بدلا من الاستناد إلى دورة البخار الرئيسية للمصنع، وفي محطة توليد الطاقة العادية، لا يزال الغاز المفلونج الذي يترك المكون عند 150 إلى 200 درجة مئوية؛ ويمكن أن يتجاوز العادم من توربين الغاز 500 درجة مئوية عن طريق استعادة هذه الثغرة الحرارية المنخفضة إلى متوسطة.

وقد أثبتت تشكيلات متقدمة من العمليات مثل ضغط البخار الليفي، وتعرية المصفوفة، والمتعريات المتعددة الضغط، أنها استخدمت لتقليل واجب إعادة التدوير، وقد أثبت مختبر تكنولوجيا الطاقة الوطني التابع لوزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن الجمع بين تحسين المذيبات والتكامل الحراري يمكن أن يقلل من عقوبة الطاقة من 30 في المائة إلى 15 في المائة في بعض السيناريوهات، وهذه الأساليب أيضاً تقلل من الطلب على المياه المبردة.

Membrane-Based Separation

Membrane technology offers an alternative to thermal regeneration by relying on a partial pressure gradient to separate CO2. because no phase change is involved, the theoretical energy requirement can be lower than for solvent-based systems. However, real-world performance is limited by membrane selectivity and permeox trade-offshanes recent developments in polymer chem

Membrane-based capture is especially attractive for natural gas processing and hydrogen production, where the CO2] is at high pressure. For post-combustion flue gas at at at at atmospheric pressure, a vacuum or sweep gas is needed on the permeate side, which adds ancillary energy consumption. Nevertheless, the

Cryogenic and Low-Temperature Capture

Cryogenic carbon capture exploits the different freeze points of CO2] and other flue gas components. by cooling the gas stream to around −100°C to −135°C, CO]2 can be desublimed into a solid or condensed into a liquid main solveor chemical advantage.

(ب) إن التكوينات المسببة للسرطان، مثل عملية احتجاز الكربون المبرد التي طورتها حلول الطاقة المستدامة (بشكل ) عملية أمريكية في إطار عملية تجريبية )، قد تسترد البرد من الغاز النظيف الذي كان قائماً إلى أن تُعَد الغاز المُقابل، مما يقلل من استهلاك الكهرباء الصافي. وتشير اختبارات النطاق إلى فرض عقوبة على الطاقة تتراوح بين 10 و15 في المائة بالنسبة للعقبات التي تُجُزروعة.

Solvent Innovations and Electrochemical Methods

وبالإضافة إلى المذيبات الجديدة، لا تزال التحسينات التدريجية للمذيبات الموجودة تحقق وفورات في الطاقة، كما أن المذيبات ذات العيون المائية - الجرعات التي تمت صياغتها بتركيز عال من الأمين والحد الأدنى من الماء - مما يؤدي إلى تخفيف عبء الطاقة لأن هناك حاجة إلى توليد أقل من بخار المياه أثناء التجديد، كما أن هذه المذيبات تظهر أيضاً قدرة حرارية أقل وتحسن في رد الفعل، وقد تم اختبار عدة تركيبات لسائل المياه على نطاق تجريبي، مما يبين تجديد الطاقة.

E-FL.[FL.]

النُهج المركبة والمختلطة للمركبات

ومن المحتمل أن تؤدي النظم الهجينة التي تجمع بين تكنولوجياتين أو أكثر إلى فرض عقوبات على الطاقة أقل من كل تكنولوجيا بمفردها، ويقترن مفهوم هجين مشترك بين مرتكز مدمج وخطوة للنشر المذيب، ويثري غاز المداخن بنسبة تتراوح بين 40 و60 في المائة من ثاني أكسيد الكربون و2]، مما يقلل من معدل التدفق الذي يدخل إلى مذيب المزود بالتكلفة.

(ب) استراتيجية هجينة أخرى تدمج احتجاز الكربون في دورة حرارة محطة توليد الطاقة بطريقة أعمق، مثلاً في محطة لتجميع الغاز الطبيعي (NGCC) يمكن دمج وحدة التقاط الغاز مع مولد البخار الحراري (HRSG) لاستخراج البخار من أجل التجديد في الضغط ودرجة الحرارة المثلى، والتقليل إلى أدنى حد من التدمير الطاقي.

دور الطاقة المتجددة في مواجهة العقوبات

وكثيرا ما تُفرض عقوبة الطاقة كعبء طفيلي على المصنع المضيف، ولكن يمكن أيضاً تلبيتها (أو تلبيتها جزئياً) من خلال منشآت متجددة مخصصة للطاقة، ويمكن أن يوفر مرفق لاستخلاص الكربون بمصفوفة حرارية شمسية أو مزرعة رياح الحرارة أو الكهرباء اللازمة للقبض دون أن يخترق المحركات الرئيسية للمصنع، وهذا النهج وثيق الصلة بالمرافق الصناعية التي تكون حرارة النفايات فيها شحيحة، مثل الأسمنت أو محطات الفولاذ.

كما تم دراسة تجديد المذيبات المدعمة بالطاقة الشمسية، حيث توفر الطاقة الشمسية المركزة الحرارة للتجريد، في عدة مشاريع أوروبية واسترالية، ويمكن معالجة تداخل الطاقة الشمسية عن طريق إدخال الطاقة الحرارية، كما أن دراسة محاكاة من جامعة ملبورن في عام 2024 قد أدت إلى تخفيض صافي عقوبة الطاقة على الكيلومترات الكهربية المحتوية على الطاقة الكهربائية، التي تقل عن 10 في المائة، وإن كانت متطورة.

ألف - القدرة الاقتصادية على تحمل الأزمات ودعم السياسات

ولا يمكن للابتكار وحده أن يُضفي طابعا تجاريا على احتجاز الكربون المنخفض الأجر؛ ويجب أن تكون الحوافز الاقتصادية وأطر السياسات متسقة، إذ أن تكلفة التقاطه بالدولار لكل طن من ثاني أكسيد الكربون (2) التي تُتجنبها عقوبة الطاقة التي تُضاعف بأسعار الوقود أو الكهرباء، وبما أن تكاليف الطاقة المتجددة لا تزال تسقط، فإن عقوبة الطاقة تصبح أرخص من حيث الإمداد بالانبعاثات، ولكن آليات السياسة العامة مثل أسعار الكربون.

وفي الولايات المتحدة، يقدم الائتمان الضريبي للقسم 45Q ما يصل إلى 60 دولاراً للطن من ثاني أكسيد الكربون المضبوطة (2]) لأغراض البحث الجغرافي و35 دولاراً للطن الواحد من أجل تحسين استرداد النفط، ولكن هذه القيم تحفز المشغلين على الحد من العقوبات المفروضة على الطاقة لأن كل نقطة مئوية من نقاط تحسين الكفاءة تترجم مباشرة إلى زيادة الربحية.

توجيهات واختتام البحوث في المستقبل

وفي المستقبل، فإن أكثر الطرق واعدة لفرض عقوبات على الطاقة من حيث الأشعة فوق البنفسجية تكمن في تصميم المواد وتكثيف العمليات، إذ أن التعلم من الآلات والفحص بواسطة آي لملايين الجزيئات المحتملة من الجزيئات المشبعة يمكن أن يعجلا اكتشاف المواد ذات الطاقات الملزمة المثلى والخصائص الحرارية، وفي الوقت نفسه، فإن تفاعلات مضاعفة التجهيزات وفصلها في وحدة واحدة، مثلاً، من خلال امتصاصها.

وثمة حدود أخرى هي الاستيلاء المباشر على الهواء، وهو ما يواجه عقوبات أشد على الطاقة لأن ثاني أكسيد الكربون (2) ] هو 400 جزء في المليون بدلا من 5-15 في المائة في الغاز المفلطح، وتزداد ملاءمة الابتكارات التي توضع لاستخلاص الموارد، مثل موجات التمويل المزودة بأحجام مصممة خصيصا وتوليد منخفضة الحرارة، لتطبيقات نقطة تركيز DAC.

في الختام، تقليل العقوبات على الطاقة هو التحدي الهندسي المركزي لاحتجاز الكربون، والنُهج التي تم استعراضها هنا، وتكامل العمليات، والمقاييس، والمذيبات، والأساليب الكهروكيميائية، والهجين، والدمج المتجدد - التعليم - يمكن أن تؤدي إلى تخفيضات ملموسة، ولا يوجد حل واحد يناسب جميع السياقات، ولكن التقدم الجماعي يعطي أسباباً للتفاؤل الحذر، مع استمرار نشر الطاقة في البحوث،