Innowacje przemysłowe

Co by było, gdybyśmy mogli bezpiecznie wykorzystać wychwytywany przez nas CO₂, zamiast po prostu składować go pod ziemią?

Większość wychwytywanego CO₂ będzie składowana pod ziemią. Ale co by było, gdybyśmy mogli go użyć do czegoś innego<a href='https://www.globalccsinstitute.com/resources/global-status-report/' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>?

Wypełniać balony imprezowe, aby unosiły się w powietrzu

Jak możemy wykorzystać wychwycony CO₂?

Podobnie jak metal, minerały i drewno, CO₂ może być wykorzystywany jako surowiec przemysłowy!<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Wykorzystanie CO₂ wychwyconego poprzez technologię wychwytywania dwutlenku węgla może poprawić rentowność i konkurencyjność tych technologii, zwiększając w ten sposób ich zastosowanie w sektorach przemysłowych<a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://academic.oup.com/ce/article-abstract/3/2/85/5487133&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=12172268777429195398&ei=rGqkX8XsO8S9yQSqh5jIAQ&scisig=AAGBfm2Z-dUWdAgTzkXKnmTjwH4qR80GXg' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Dodatkowo, dzięki wykorzystaniu wychwyconego CO₂, obniżą się również koszty tworzenia i utrzymywania składowisk CO₂. Rynek utylizacji wychwyconego CO₂ może być wart miliardy dolarów<a href='https://assets.ctfassets.net/xg0gv1arhdr3/27vQZEvrxaQiQEAsGyoSQu/44ee0b72ceb9231ec53ed180cb759614/CO2U_ICEF_Roadmap_FINAL_2016_12_07.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Gdzie możemy wykorzystać wychwycony CO₂?

CO₂ wychwycony przy pomocy technologii opisanych w poprzednich rozdziałach można wykorzystać na wiele sposobów. Od początku XX wieku CO₂ znajduje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu<a href='https://www.researchgate.net/publication/271432085_Applications_of_Carbon_Dioxide_in_Food_and_Processing_Industries_Current_Status_and_Future_Thrusts' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.researchgate.net/publication/47674941_The_Properties_and_Applications_of_Zeolites' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>:

Żywność konserwowana: CO₂ w formie ciała stałego (suchy lód) jest również używany do chłodzenia i mrożenia przechowanej żywności, takiej jak lody i mięso<a href='https://www.researchgate.net/publication/271432085_Applications_of_Carbon_Dioxide_in_Food_and_Processing_Industries_Current_Status_and_Future_Thrusts' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Produkcja nawozu: CO₂ może być również używany do produkcji minerałów i nawozów, takich jak mocznik, żeby zapewnić roślinom potrzebny do wzrostu azot<a href='https://www.researchgate.net/publication/271432085_Applications_of_Carbon_Dioxide_in_Food_and_Processing_Industries_Current_Status_and_Future_Thrusts' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Zwiększone odzyskiwanie ropy (EOR): Chociaż jest to kontrowersyjne, CO₂ może być używany do wydobycia ropy naftowej ze złoża, którego w inny sposób nie można by eksploatować (ze względu na bardzo trudny dostęp). To sposób na maksymalizację rezerwy wydobywalnej ropy<a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Proces polega na wstrzykiwaniu CO₂ do wyeksploatowanych złóż ropy.

Tworzy kieszenie powietrzne, które ułatwiają ekstrakcję

Pozwala wypierać ropę z porów skalnych

Rozpuszczony CO₂ zwiększa objętość ropy i wtłacza ją do szybu produkcyjnego

CO₂ miesza się z ropą, dzięki czemu jej złoża są bogatsze i łatwiejsze do wydobycia

Wydobycie pozostałej ropy za pomocą tej metody mogłoby zapobiec dalszemu poszukiwaniu ropy naftowej oraz odwiertom i pomóc nam przejść do świata neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla.

CO₂ potrzebny do procesów utylizacji powstaje zwykle jako produkt uboczny innych operacji przemysłowych, takich jak rozkład wapienia lub produkcja wodoru w stanie gazowym<a href='https://www.researchgate.net/publication/271432085_Applications_of_Carbon_Dioxide_in_Food_and_Processing_Industries_Current_Status_and_Future_Thrusts' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Obecnie zużywamy około 120 mln ton CO₂ rocznie do tych zastosowań, emitując około 36000 mln ton CO₂ z powrotem do atmosfery w wyniku wszystkich innych działań<a href='https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Technologie wychwytywania dwutlenku węgla mają na celu częściowe usunięcie nadmiaru CO₂ emitowanego do atmosfery. Wykorzystywanie dwutlenku węgla pozwala na zużywanie wychwyconego CO₂ w procesach przemysłowych omówionych powyżej.

Opracowywana jest nowa klasa produktów i materiałów, które wykorzystują wychwycony CO₂ w innowacyjny i nietradycyjny sposób. Na świecie powstało kilka organizacji i programów, które wspierają innowacje w zakresie wykorzystania wychwyconego CO₂, na przykład NRG COSIA Carbon XPRIZE i Global CO₂ Initiative<a href='https://www.globalco2initiative.org/' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://carbon.xprize.org/prizes/carbon' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Jak możemy chemicznie przekształcić CO₂ w bardziej użyteczne produkty?

Chemiczne konwersje CO₂ mogą wytwarzać paliwa, chemikalia, tworzywa sztuczne i inne użyteczne towary dzięki różnym ścieżkom katalitycznym (reakcjom, które zakładają aktywność katalizatora)<a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://academic.oup.com/ce/article-abstract/3/2/85/5487133&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=12172268777429195398&ei=rGqkX8XsO8S9yQSqh5jIAQ&scisig=AAGBfm2Z-dUWdAgTzkXKnmTjwH4qR80GXg' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/05/f51/Accelerating%20Breakthrough%20Innovation%20in%20Carbon%20Capture%2C%20Utilization%2C%20and%20Storage%20_0.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Katalizator to coś, co przyspiesza tempo reakcji, a przy tym samo się nie zużywa. Do konwersji CO₂ potrzebne są zazwyczaj ścieżki katalityczne, ponieważ CO₂ jest stabilną cząsteczką o niskiej energii, która wymaga dużej jej ilości, żeby mogła przekształcić się w inne produkty<a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201190035&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=10161788340825579434&ei=P2ukX-meBMucygSklJGIAg&scisig=AAGBfm1s0nP2rKY5FhQ0KpHSUTz4DxL89Q' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Zastosowanie katalizatora może skompensować część energii potrzebnej do pożądanej konwersji, tak jak pokazano na poniższym rysunku<a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.201190035&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=10161788340825579434&ei=P2ukX-meBMucygSklJGIAg&scisig=AAGBfm1s0nP2rKY5FhQ0KpHSUTz4DxL89Q' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Ścieżki katalityczne mogą przybierać różne formy. Oto kilka przykładów:

Konwersja elektrochemiczna<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211339813000294?casa_token=MtZEPfOL_zYAAAAA:R1-ELzw7d5lysFiMocL87GL1mF6ZcIFDJ_8-rIPxZqGNygaolHEOzeKka6xX44Sm8Dv2g1AtsaM' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>: Ta ścieżka, znana jako elektroliza, wykorzystuje energię elektryczną i katalizatory, żeby zredukować CO₂ do użytecznych substancji chemicznych, takich jak metan, metanol i paliwa węglowodorowe neutralne pod względem zawartości węgla<a href='https://www.cosia.ca/sites/default/files/2018-03/CEP-Magazine-June2016-CCUS-Utilizing-CO2-to-Reduce-Emissions.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Poniższa reakcja pokazuje, w jaki sposób można wyprodukować metan przy użyciu tej metody:

Konwersja fotochemiczna: Ta ścieżka naśladuje naturalny proces przekształcania CO₂ (fotosyntezę) w użyteczne chemikalia przy użyciu ogniw elektrochemicznych (urządzeń wytwarzających energię elektryczną poprzez reakcje chemiczne)<a href='https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/05/f51/Accelerating%20Breakthrough%20Innovation%20in%20Carbon%20Capture%2C%20Utilization%2C%20and%20Storage%20_0.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. W tym przypadku energia słoneczna jest wykorzystywana wraz z katalizatorem w celu zapewnienia energii potrzebnej do konwersji CO₂<a href='https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/05/f51/Accelerating%20Breakthrough%20Innovation%20in%20Carbon%20Capture%2C%20Utilization%2C%20and%20Storage%20_0.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Konwersja i uwodornienie termochemiczne<a href='https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/05/f51/Accelerating%20Breakthrough%20Innovation%20in%20Carbon%20Capture%2C%20Utilization%2C%20and%20Storage%20_0.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://academic.oup.com/ce/article-abstract/3/2/85/5487133&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=12172268777429195398&ei=rGqkX8XsO8S9yQSqh5jIAQ&scisig=AAGBfm2Z-dUWdAgTzkXKnmTjwH4qR80GXg' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>: Ta ścieżka wykorzystuje wkład ciepła i katalizator do redukcji cząsteczek CO₂. Polega na połączeniu wodoru z CO₂ w celu stworzenia pożądanych substancji chemicznych lub paliw. Na przykład poniższa reakcja pokazuje, w jaki sposób można wyprodukować metanol (źródło alkoholu i paliwa):

Ważne jest, aby wodór używany do tej reakcji był wytwarzany w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych. Większość naszego obecnego wodoru pochodzi z gazu ziemnego i jest w rzeczywistości odpowiedzialna za 2% globalnej emisji gazów cieplarnianych<a href='https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.eia.gov/energyexplained/hydrogen/production-of-hydrogen.php' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zajrzyj do rozdziału o wodorze w naszym kursie energetycznym.

Czy możemy przekształcić CO₂ przy użyciu procesów biologicznych?

Tak! Ta ścieżka jest podobna do konwersji fotochemicznej pod względem tego, jak przekształca CO₂ w paliwa. Konwersja biologiczna wykorzystuje jednak organizmy żywe, które produkują własne pożywienie ze światła, wody lub innych substancji chemicznych (np. glony lub bakterie) zamiast ogniw elektrochemicznych. Organizmy te przywiązują CO₂ do substancji chemicznych za pomocą fotosyntezy i naturalnych procesów metabolicznych<a href='https://www.cosia.ca/sites/default/files/2018-03/CEP-Magazine-June2016-CCUS-Utilizing-CO2-to-Reduce-Emissions.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032120300952?via%3Dihub' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Obecnie firma LanzaTech opracowała ścieżkę konwersji biologicznej, w której wykorzystuje się aktywność mikrobiologiczną do przekształcania CO₂ ze spalin przemysłowych w substancje chemiczne, takie jak etanol, alkohol<a href='https://scholar.google.com/scholar_url?url=https://academic.oup.com/ce/article-abstract/3/2/85/5487133&hl=en&sa=T&oi=gsb&ct=res&cd=0&d=12172268777429195398&ei=rGqkX8XsO8S9yQSqh5jIAQ&scisig=AAGBfm2Z-dUWdAgTzkXKnmTjwH4qR80GXg' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Czy istnieją inne sposoby konwersji CO₂?

Ostatnia ścieżka, o której powiemy, to mineralizacja. Ścieżka ta przekształca CO₂ w bardziej stabilną formę węgla, zazwyczaj węglan, który można następnie wykorzystać do wytworzenia użytecznych materiałów<a href='https://www.cosia.ca/sites/default/files/2018-03/CEP-Magazine-June2016-CCUS-Utilizing-CO2-to-Reduce-Emissions.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Na przykład wychwycony CO₂ można mieszać z wilgotnym betonem w procesie znanym jako utwardzanie CO₂. Na stałe odkłada on CO₂ jako minerał w betonowym produkcie<a href='https://academic.oup.com/ce/article/3/2/85/5487133' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Technologia ta jest łatwa do zainstalowania w bieżących maszynach produkcyjnych i ma stosunkowo niskie koszty<a href='https://academic.oup.com/ce/article/3/2/85/5487133' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Kilka przedsiębiorstw, takich jak CarbonCure i Carbon Upcycling Technologies, włączyło jakąś formę tego procesu do swoich betonowych i cementowych mieszanek.

Dlaczego nie możemy po prostu wykorzystać całego wychwyconego CO₂?

Ponieważ jest zbyt dużo CO₂, aby można było go zużyć w tych gałęziach przemysłu

Ponieważ obecne technologie są wciąż rozwijane

Ponieważ CO₂ używany w tych produktach nie jest „przechowywany” wystarczająco długo

Ponieważ utylizacja węgla nie jest jeszcze ani ujemna, ani neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla

Skala wykorzystania CO₂ jako zasobu przemysłowego jest bardzo mała w porównaniu z ilością CO₂ wytwarzanego przez cały sektor przemysłowy<a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Z tego powodu globalne zapotrzebowanie na substancje i materiały, które zużywają CO₂, nie może sprostać ilości CO₂, którą należy wychwycić i wykorzystać<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Dlatego większość wychwyconego CO₂ będzie składowana.

Ponadto wciąż prowadzone są badania niezbędne do opracowania ścieżek utylizacji CO₂, a większość technologii i firm pracujących nad nowatorskim wykorzystaniem CO₂ nadal znajduje się w skali demonstracyjnej<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Oznacza to, że technologie te mogą nie zostać w pełni opracowane na czas w skali odpowiedniej do mitygacji zmian klimatu.

Musimy wreszcie dopilnować, aby proces wykorzystania dwutlenku węgla był przynajmniej neutralny, a najlepiej ujemny pod względem emisji dwutlenku węgla. Budowanie tych ścieżek wymaga wielu badań i eksperymentów, nie wspominając o pieniądzach<a href='https://www.researchgate.net/publication/47674941_The_Properties_and_Applications_of_Zeolites' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Z drugiej strony wiemy, że składowanie CO₂ w formacjach skalnych trwa długo i kosztuje stosunkowo tanio.

Choć kilka przedsiębiorstw i organizacji zainwestowało w nowatorskie sposoby wykorzystania CO₂, nadal istnieje wiele barier politycznych, które uniemożliwiają im osiągnięcie potencjalnej skali zastosowania.

Istnieje kilka barier percepcyjnych wokół korzystania z produktów pochodzących z wychwytywanego CO₂, ponieważ wiele osób obawia się, że stosowanie CO₂ zwiększy jedynie naszą zależność od paliw kopalnych. Przedsiębiorstwa, które pracują nad opracowywaniem produktów z wychwyconego CO₂, twierdzą jednak, że zależność ta nie będzie problemem, ponieważ mamy inne sposoby jego wychwytywania, które nie wiążą się ze spalaniem paliw kopalnych.

Jak mogą wyglądać wychwytywanie, utylizacja i składowanie dwutlenku węgla (CCUS) w przyszłości?

W przyszłości rozwój centrów CCUS na obszarach przemysłowych ze wspólną infrastrukturą transportową i magazynową pozwoli zredukować koszty obiektom włączającym do procesów produkcyjnych wychwytywanie dwutlenku węgla<a href='https://www.iea.org/reports/transforming-industry-through-ccus' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Z uwagi na fakt, że znaczna część świata nadal polega obecnie na paliwach kopalnych, mało prawdopodobne jest, że wkrótce nastąpi przejście na energię odnawialną na wielką skalę. W związku z tym zapotrzebowanie na CCUS prawdopodobnie wzrośnie.

Ograniczenie źródła emisji zawsze jest jednak celem ostatecznym. Ponieważ pilnie próbujemy dekarbonizować nasze źródła energii, wychwytywanie dwutlenku węgla u źródła i usuwanie go z atmosfery zapewnia rozwiązanie tymczasowe, kupując nam czas, kiedy rozwijane są niskoemisyjne, energooszczędne i odnawialne technologie pozyskiwania energii<a href='https://www.bgs.ac.uk/discoveringGeology/climateChange/CCS/howCanCo2BeStored.html#deep' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.