مستقبل تكنولوجيا الإثراء في سياق الأهداف المناخية وإزالة الكربون

يمكن تخزين ثاني أكسيد الكربون الملتقط (₂] بشكل دائم في التكوينات الجيولوجية أو استخدامه كمواد وسيطة للوقود التركيبية والمواد الكيميائية ومواد البناء، وتؤثر نوعية الإثراء تأثيرا مباشرا على خيارات الاستخدام، وتزيد انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ في فتح الأسواق في تحسين تكاليف استعادة النفط، وتسريع إنتاج المواد الكيميائية.

إثراء الهيدروجين للطاقة النظيفة

وتبرز الهيدروجين كحجر الزاوية لاستراتيجيات إزالة الكربون في القطاعات التي يصعب فرزها، بما في ذلك الصناعة الثقيلة، والشحن، والطيران، وتلعب تكنولوجيا الإثراء دورا مزدوجا في إنتاج الهيدروجين وتنقيته، وتقسم الكهرباء المياه إلى الهيدروجين والأكسجين، ولكن تيار الهيدروجين يحتوي في كثير من الأحيان على بقايا من الطفرة وثبات التعقب التي يجب إزالتها.

وتواجه الهيدروجين الأخضر، الذي ينتج باستخدام الكهرباء المتجددة، تحديات في التكاليف تعزى جزئيا إلى خطوات التخصيب، وتحتاج شركة بروتون للكهرباء النباتية إلى مياه عالية النقاء وتنتج الهيدروجين بضغط متوسط، وتضيف الإثراء رأس المال ومصروفات التشغيل، ويمكن أن تدمج أوجه الإثراء في الإجهاد الكهربي والتنقية مباشرة في أكوام الكهربية، مما يقلل من تعقيد النظام وتكلفته.

(ب) الهيدروجين الأزرق، المستمد من الغاز الطبيعي الذي يلتقطه الكربون، يعتمد أيضاً على الإثراء.() ويمكن أن يؤدي إصلاح غاز الميثان المحتوي على الهيدروجين، و أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ .() ويفصل الإثراء الهيدروجين مع تركيز ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ على كل من تكاليف التخصيب.

كما أن الأمونيا، وهي ناقلة هيدروجين، تحتاج إلى التخصيب في سلسلة إنتاجها، ويستخدم تركيبها الهيدروجين والنيتروجين، مع اتخاذ خطوات تنقية لإزالة سموم الحفازات، كما أن تكنولوجيات الإثراء التي تنتج الهيدروجين فوق البنفسجية تتيح تركيب الأمونيا الأقل درجة حرارة، وتقليص استهلاك الطاقة وانبعاثاتها.

إزالة الكربون الصناعي من خلال الإثراء

وتمثل القطاعات الصناعية نحو ربع الانبعاثات العالمية من ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ]، وتفتقر العديد من العمليات إلى مسارات كهربائية مباشرة، وتوفر تكنولوجيات الإثراء طرقاً لتطهير الأسمنت والصلب والإنتاج الكيميائي عن طريق التمكين من احتجاز الكربون والمواد الوسيطة البديلة.

Cement manufacturing releases CO₂] both from combustion and from the calcination of limestone. Enrichment systems that capture CO_]2 from cement kiln exhaust must handle high temperatures, dust loads, and changing gas compositions.

ويمثل إنتاج الصلب باستخدام الهيدروجين المباشر استخداماً تحويلياً لتكنولوجيا الإثراء، إذ يجب إثراء الهيدروجين المستخرج من مصادر متجددة إلى النقاء اللازم للتقليل المباشر من ركاز الحديد، وإذا نجح هذا المسار، فإنه يمكن أن يزيل معظم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ] من صنع الصلب الأولي، وتظهر المشاريع الرائدة في السويد وألمانيا جدوى إنتاج الصلب القائم على الهيدروجين مع دمج نظم الإثراء في صلب.

ويعتمد التصنيع الكيميائي على الإثراء لتنقية المواد الوسيطة وفصل المنتجات، إذ تنتج العديد من العمليات الكيميائية تدفقات الغاز المختلط التي تتطلب الإثراء لاسترداد المكونات القيمة في الوقت الذي تستوعب فيه ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ . ويمكن أن تؤدي تكنولوجيات الرش والاستيعاب المصممة لظروف الصناعة الكيميائية إلى تحسين كفاءة الطاقة والحد من النفايات.

التحديات التي تواجه تكنولوجيات الإثراء

وعلى الرغم من وعدها، تواجه تكنولوجيات التخصيب عقبات كبيرة يجب التغلب عليها لتحقيق إمكاناتها في مجال التخفيف من حدة المناخ، ومن الضروري فهم هذه التحديات لوضع جداول زمنية واقعية للنشر وتحديد الاستثمارات البحثية.

ولا يزال استهلاك الطاقة يشكل شاغلا رئيسيا، إذ أن عمليات الإثراء هي في جوهرها عمليات كثيفة الطاقة، إذ يجب أن تتغلب على الحواجز الدينامية الحرارية التي تحول دون الانفصال، ويقضي القانون الثاني لعلم الديناميكا الحرارية بأن تكون هناك حاجة إلى حد أدنى من الطاقة لأي فصل، كما أن العمليات الحقيقية تتجاوز هذا الحد بدرجة كبيرة، إذ أن تحسين الكفاءة يتطلب إحراز تقدم في المواد وتصميم العمليات وتكامل النظم، وبالنسبة لاستخلاص الكربون، يمكن أن تقلل عقوبة الطاقة من ناتج الطاقة الصافي من إنتاج الفحم أو الغاز في إطار الفترة 20-30 في المائة.

كما أن التكاليف هي حاجز آخر، إذ أن تكاليف رأس المال الإثراء مرتفعة، ولا سيما بالنسبة للتكنولوجيات التي تتطلب مواد غريبة أو تصنيعا دقيقا، إذ أن نظم فصل النظائر القائمة على الجليد تتطلب خيارات عالية الجودة وظروف تشغيل مستقرة، فنظم الدمج تتطلب اختلاقات خالية من العيوب على نطاق واسع، وتشمل تكاليف التشغيل الطاقة والصيانة والأصناف الاستهلاكية مثل الإثراء أو المذيبات التي لا يمكن أن تتدهور بمرور الوقت.

ويتفاوت النضج التكنولوجي تفاوتا كبيرا في جميع مجالات التطبيق، إذ إن إثراء اليورانيوم بالطرد المركزي هو تكنولوجيا ناضجة ذات خبرة عملية طويلة، حيث ثبت تجاريا أن إثراء الكربون باستخدام الأمينات، ولكن نشره محدود، ولا يزال التقاط الهواء المباشر وإثراء الليزر المتقدم على نطاق تجريبي أو بياني، وسيتطلب توسيع نطاق هذه التكنولوجيات إلى المستوى المطلوب لتحقيق تأثيرات مناخية ذات معنى التغلب على التحديات الهندسية وسلاسل الإمداد ببناء.

العقبات التنظيمية والعامة

وتخضع تكنولوجيات الإثراء للتدقيق من جانب المنظمين والجمهور، لا سيما عندما ترتبط بالمواد النووية، ويتصل عدم الانتشار بتقييد انتشار قدرات تخصيب اليورانيوم، والحد من عدد المرافق في جميع أنحاء العالم، ويجب أن يوازن أي توسيع في الهياكل الأساسية للتخصيب بين الفوائد المناخية والمخاطر الناجمة عن الانتشار، مما يتطلب ضمانات دولية قوية.

وفيما يتعلق باحتجاز الكربون وتخزينه، فإن المعارضة العامة لثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ] خطوط الأنابيب ومواقع الحقن قد أخلت المشاريع في عدة بلدان، وتتطلب إدارة الشواغل المجتمعية مشاركة شفافة، وتقييمات صارمة للأثر البيئي، وتقاسم المنافع على نحو منصف، كما أن مرافق الإثراء نفسها تتطلب قبولاً عاماً، لا سيما عندما تكون قريبة من المناطق السكنية، كما أن تحديد سجلات الأمان وتخفيض الانبعاثات يمكن أن يبني الدعم على مر الزمن.

رأس المال من السياسات والاستثمار

ويعتمد مسار تطوير تكنولوجيا التخصيب اعتمادا كبيرا على السياسات الحكومية والاستثمار الخاص، فآليات تسعير الكربون، مثل نظم الاتجار بالانبعاثات وضرائب الكربون، تحسن اقتصاديات التخفيف من الإثراء، فعلى سبيل المثال، دفع نظام الاتحاد الأوروبي لتجارة الانبعاثات، ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ](2) [و] الأسعار فوق 864؛ 80 لكل طن، مما يجعل احتجاز الكربون قابلا اقتصاديا في بعض المرافق الصناعية.

ويعجل الدعم الحكومي المباشر من خلال تمويل البحوث والمشاريع البيانية والائتمانات الضريبية بنضج التكنولوجيا، ويتضمن قانون الولايات المتحدة للحد من التضخم حوافز كبيرة لاحتجاز الكربون والهيدروجين النظيف، مع توفير ائتمانات ضريبية تصل إلى 85 دولاراً للطن من ثاني أكسيد الكربون المأخوذة (_{)(2) للتخزين الدائم، وهذه الحوافز تحد من المخاطر المالية التي تتعرض لها الشركات التي تستثمر في قدرات الاتحاد الأوروبي.}

والتعاون الدولي أساسي للتكنولوجيات التي تتطلب مظاهرة واسعة النطاق، وتشمل مبادرة الابتكار في البعثة البلدان الأعضاء التي تعمل على احتجاز الكربون والهيدروجين النظيف، وتقاسم المعارف وتنسيق الاستثمارات، وتخفف الشراكات بين القطاعين العام والخاص من العبء على أي جهة فاعلة واحدة، بينما توزع الفوائد على البلدان المشاركة.

الاتجاهات المستقبلية وطرق الابتكار

وستشكل عدة اتجاهات ناشئة مستقبل تكنولوجيا التخصيب في التطبيقات المناخية، وتنتج التطورات العلمية للمواد من مواد ذات انتقائية وقابلية للدوافع، وتوفر الأطر العضوية للمعادن والأطر العضوية المتناقلة هياكل للشعرات اللامعة يمكن أن تفصل الجزيئات عن طريق الدقة غير المسبوقة، ويمكن لهذه المواد أن تقلل استهلاك الطاقة من أجل احتجاز الكربون بنسبة 50 في المائة أو أكثر مقارنة بالأمفيتامينات الحالية.

ويجمع تكثيف العملية بين خطوات متعددة في وحدات واحدة، مما يقلل من آثار الأقدام وفقدان الطاقة، والإثراء الكيميائي، حيث يؤدي التطاير إلى الانفصال، ويزيل خطوات التجديد الحراري ويتيح الاندماج المباشر بالكهرباء المتجددة، ويقوم الباحثون بتطوير خلايا الكهروكيميائية التي تلتقط ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ] من المجاري الدهونية وتخليصها فقط في الهواء.

فالرقمنة والاستخبارات الاصطناعية تتيحان تحقيق الاستخدام الأمثل لعمليات التخصيب في الوقت الحقيقي، ويمكن لنماذج التعلم الماكنة أن تتنبأ بتدهور حاد، وأن تُحدّد أفقى أوقات الدورة، وأن تُعدّل معايير التشغيل لتكوينات مختلفة للتغذية.() وتخفض نظم التحكم في الذكاء استهلاك الطاقة وتوسّع عمر المعدات، وتحسن الاقتصاد العام.

إن التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة معيار تصميمي رئيسي لنظم التخصيب في الجيل القادم، إذ يتطلب الإمداد بالكهرباء المتقلب مرونة تفتقر إليها العمليات الحرارية التقليدية، كما أن تكنولوجيات الإثراء التي يمكن أن تتعثر وتنزل بسرعة ستؤدي إلى تحسين المواءمة بين أنماط توليد الطاقة المتجددة، كما أن التخزين الحراري والتهجين بإنتاج الهيدروجين يوفران مرونة إضافية.

خاتمة

وتتطور تكنولوجيا الإثراء إلى ما هو أبعد من ارتباطها التاريخي بالوقود النووي لتصبح أداة متعددة الأطراف للتخفيف من حدة المناخ، ومن استخلاص ثاني أكسيد الكربون ₍₂₎ ] من المصادر الجوية والصناعية لإنتاج الهيدروجين النظيف وتمكين العمليات الصناعية المنخفضة الكربون، فإن أساليب الإثراء هي محورية لمسارات متعددة للتخلص من الكربون، وتتوقف سرعة التقدم على الاستثمار المستدام في البحث والتطوير، والأطر الداعمة للسياسات، والقبول العام.

ولا يترك الطابع الملح للتحدي المناخي مجالاً للراحة، إذ يجب أن تُستغل تكنولوجيات الإثراء الموجودة حالياً على نطاق تجريبي وأن تنشر على نطاق عالمي خلال عقود، ويتطلب تحقيق ذلك قيام الحكومات والصناعة ومؤسسات البحوث بعمل منسق، والمكافآت المحتملة هائلة، إذ يمكن للإثراء أن يتيح إزالة الكربون العميق للقطاعات التي ثبتت مقاومتها للحلول الأخرى.

وبما أن تكنولوجيا التخصيب في العالم تتجه نحو الصفر الصافي، فإنها تمثل فرصة واختبارا للتصميم الجماعي، وستحدد الخيارات التي اتخذت في السنوات القادمة ما إذا كانت أدوات الفصل القوية تفي بوعودها أو تظل إمكانات غير مستغلة في مكافحة تغير المناخ.