负排放技术可以在不消耗地球资源的前提下使空气清新?

1 pointfive碳工程和西方石油公司的子公司,已经宣布计划安装70个直接空气捕捉到2035年(DAC)植物——每个捕获到每年一百万吨的二氧化碳。第一次工厂预计将操作在2024年晚些时候。如果意识到,这些植物可以捕捉不到2021的全球二氧化碳排放量的0.2%。但阻止灾难性的气候变化,我们需要更多的——据估计我们可能需要安装多达1500种植物每100万吨规模,每年在2030和2050之间。

我们还必须捕获工厂排放hard-to-abate钢铁和水泥等行业。这里的数字也许是更容易理解。国际能源署(IEA)估计超过10亿吨每年必须捕获到2030年有机会的会议在2050年零——需要一个相当大的规模从4000万吨的能力。会议目标将削弱全球排放量从5200年工业设施,IEA说每个排放超过每年100万吨的二氧化碳。

多少能量将是必需的,然而吗?答案是明确的:视情况而定。有如此广泛的来源的二氧化碳来自不同行业和类型的电厂,为不同的应用程序可能需要不同的技术。在每个情况下供应链的扩大吸附剂材料需要。

最广泛使用的机制来捕捉二氧化碳的工业烟气燃烧,使用胺溶剂化学吸收。释放的二氧化碳溶剂需要热量,然而,所需的量可以使或打破经济可行性的一个过程

乙醇胺(MEA)是最常用的碳捕获胺溶剂。溶剂再生的平均能耗报告大约是1兆瓦时(3.7 gj)每吨二氧化碳捕获——足够能量的平均英国回家24天。创新带来下来722千瓦时左右/吨,根据分析能量分析公司Thundersaid能量。然而,目前还不清楚如果溶剂的鸡尾酒在技术上准备商业运作”,创始人罗伯特西说。

的源泉

估计产生足够的能量需求溶剂(或固体吸附剂)是具有挑战性的细节有多少溶剂使用和回收期间捕获商业敏感。制造业是可能需要800千瓦时/吨左右。挪威气候基金会身材高的美女估计废物从一个典型的100万吨植物每年100 - 300吨,这意味着240兆瓦时可能需要补充溶剂每年。

所需的能量压缩,其他非平凡的消费者如果二氧化碳运输或注入地下。在我见过的大部分工作,再生过程运行接近大气压力,因为当你有一个压力容器,变得更加复杂和昂贵,”说汉娜查尔默斯爱丁堡大学的。“你不为热力学中没有得到任何东西。

生命周期分析把所需的能量压缩在111千瓦时/吨二氧化碳捕获和能量注入气体在7千瓦小时/吨。

IEA的2030年目标的捕获10亿吨工业二氧化碳-假设现有的最佳溶剂捕获、压缩和注入能量仅建议至少需要840太瓦时。这是相当于预计2030年全球可再生能源发电的5.2%基于当前的承诺

财政部的时刻吗?

英国的德拉克斯电站已经开发了负排放技术使用木质生物质代替煤炭和天然气驱动单元,并尝试一系列碳捕获技术。最近的合作伙伴是普罗米修斯的粒子,正在与一种有机框架(MOF)。这些材料有很大的表面积,可以调高特异性的二氧化碳。当涉及到能源需求,没有强烈的化学键被解放二氧化碳,所以温度约80 - 100°C的度都可以使用。这意味着活尸可以使用废热驱动过程。这是真的这方面,德拉克斯足够兴奋地开始与我们合作之旅,“业务发展经理说,克里斯·西蒙斯。即使没有废热,早期迹象表明,所需要的能量释放二氧化碳约527千瓦时/吨-胺技术的近一半。理论上,利用废热可以进一步下降了40%,但这还早门,警告西蒙斯。

吸着剂的体积要求扩大MOF生产资料是至关重要的,如果碳捕获和存储将是推出级设想。加拿大公司Svante一直在与巴斯夫规模生产的财政部吸附剂开发CCS在水泥和氢工厂。它说吸着剂的数量需要在一个典型的水泥捕捉植物约200吨。活尸的连续流技术,意味着其财政部可以更有效地比间歇过程和更高的吞吐量。如何与其他耐用MOF吸着剂固体吸附剂结构仍不清楚,不过。这一事实没有化学反应参与碳捕获使用mof意味着结构将不受影响,但普罗米修斯的仍是努力理解如氮和硫氧化物杂质的影响。

把空气

捕捉二氧化碳从大气中只占0.04%,是一个非常不同的命题来捕捉从工业烟气浓度的范围可以从4 - 15%。因此,直接空气捕捉(DAC)是处于起步阶段:18设施运作的今天,它们之间仅捕获10000吨。

最大的工厂于2021年由瑞士Climeworks先驱,并捕捉每年4000吨的二氧化碳。气体永久存储通过注射进入地下水,它与下面的玄武岩岩石反应植物在冰岛,形成碳酸盐矿物。碳工程的第一个工厂将建在美国二叠纪盆地南部的美国,捕获的二氧化碳将用于制造合成燃料和提高原油采收率。

在碳工程化学循环过程中,球迷把空气接触器上,氢氧化钾溶液流动。空气中的二氧化碳与氢氧化钾反应,形成碳酸盐盐。释放的二氧化碳包括盐分离到球,被加热的高温煅烧过程——最系统的能源密集型步骤。David Keith, 2018年,该公司的创始人之一,发布一个详细的评估不同步骤所需的能量,这相当于2.4千瓦时/吨的二氧化碳和天然气提供热量和电力需求。在这个评估工厂也捕捉额外的480000吨的二氧化碳气体发电厂提供能量。

能源需求降至1.8兆瓦/吨如果煅烧窑是由气体和进一步就达1.5兆瓦时完全是由电力驱动,如果所有流程。所以对于这些过程仅100万吨植物完全由电力驱动需要1.53太瓦时/年,或去年英国可再生能源发电的1.2%。但碳工程和1 pointfive打算创建标准化模块化设计,可以大规模生产和允许快速集成的技术改进未来的成本较低。

诺亚麦昆碳捕获的研究主管公司的传家宝,指出,DAC工厂的热能和电能需求类似于一个炼油厂。在美国这些设施使用一些每年880太瓦时的能量。他计算,分配能量DAC可能意味着每年3.7亿吨的二氧化碳可以被捕获——或者几乎每年全球排放量的1%。

选择吸着剂

溶剂或吸附剂恢复率和寿命影响能源需求。直接空气捕捉的扩大是否可行还可能依赖于这些材料的要求。几个研究人员DAC技术的生命周期进行评估,但结论是不确定的,因为数据是基于技术尚未大规模,和公司小心翼翼的确切细节材料他们使用。

莎拉道依茨,组长在能源系统工程在德国亚琛工业大学,进行了生命周期评估从Climeworks使用专有数据,基于操作的小型模块化的植物在瑞士和冰岛。碳足迹的分析侧重于植物,使用不同的能源混合。

Climeworks系统使用一个amine-based固体吸附剂。吸附剂的再生和释放的二氧化碳是通过应用低温热量和温和的真空。像碳工程,其过程需要能量来吹气接触器。

评估Climeworks”过程,道依茨选择六个有前途的吸附剂——其中一些Climeworks测试和计算所需的能源生产和最终处置,假设95%的回收率。能源需求范围广泛的从39到186千瓦时/吨二氧化碳捕获。

除了固体吸附剂、DAC工厂需要大量的材料,如钢铁和水泥——这本身就是能源饥饿的制造。今天的4000吨植物她计算出基础大厅,收藏家,加工单位和备件将添加另一个44千瓦时/吨二氧化碳捕获的能源成本。回收所有的钢、铝和铜可以降低成本的三分之二,14.4千瓦时/吨二氧化碳。

考虑到所有的资源需求,工厂会使用共有4千瓦时/吨二氧化碳,但整合热泵可以减少2兆瓦/吨。

评估基于Climeworks优化假设(包括吸着剂的需求减少了60%),表明设备产能100000吨/年需要一些1.1千瓦时/吨二氧化碳捕获。

捕捉全球排放量的1%——Climeworks“目标——意味着部署3683个这样的植物。使用最好的情况下(热泵)场景表明他们需要409太瓦时的能量。国际能源机构预计,(根据目前的承诺),2030年从可再生能源发电量将达15917 twh,所以运营DAC将消费预期的可再生能源发电的2.5%水平。

道依茨也看了看材料要求达到如此规模,得出结论,对所有材料(除吸附剂),不到1%的2030年预期的输出市场需要。图片是非常不同的,如果我们有安装1500株10倍,每年大小在2030和2050之间。1500植物需要更多可再生能源比预计2030年生成的。

降低成本

马赫迪Fasihi附近地区大学研究员在芬兰也模仿DAC系统的能源成本指出,有一些机会来降低这些成本。

目前工业热泵发展可以提供更高的温度,而co-siting DAC和其他工业过程,如合成燃料的生产,可以利用余热。同样,电解槽行业正在高压电解,也产生热温度,可以直接用于当前低温DAC技术,而不需要热泵。与此同时,公司正努力降低再生温度在捕获过程中,最终一个热泵可能根本就不需要。

但美国必须达成一种平衡——co-siting DAC植物旁边地质储存、Climeworks寻求一样,减少运输成本。“这是一个优化的问题,”Fasihi说。当然有很多情况下共存的DAC工厂靠近热源或廉价的电力将是有益的,即使它会导致其他成本,因为热是总成本的重要组成部分。

着眼于此,Climeworks与加拿大Svante CCS技术专家。共存的DAC工厂与CCS电厂可以允许Climeworks使用废热产生合成燃料的二氧化碳捕获。也是在美国能源部资助项目结合Svante MOF吸附剂为其模块化系统在加州可再生能源发电的网站。

说到最后,道依茨,”直接空气捕捉不是银弹,因为我们需要大量的能量去做。但好消息是我们仍然可以减少未来需求的迅速减排这十年。