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 użyć pewną jego ilość do zrobienia 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

Do wykorzystania przy wydobyciu paliw kopalnych

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>. Komercyjne wykorzystanie CO₂ wychwytywanego z technologii wychwytywania dwutlenku węgla może teoretycznie zwiększyć 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 komercyjnemu wykorzystaniu wychwyconego CO₂ można się spodziewać, że zmniejszą się również koszty tworzenia i utrzymania składowisk CO₂<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Rynek wykorzystania wychwyconego CO₂ może być potencjalnie wart setki miliardów 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 którejś z technologii opisanych w poprzednich rozdziałach można wykorzystać na wiele sposobów<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. 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>:

Przechowywanie żywności: Stały CO₂ (suchy lód) jest również stosowany w chłodzeniu i mrożeniu żywności, takiej jak lody i mięso[CO2Us]. Możliwe jest również, że dwutlenek węgla tworzy wewnątrz opakowań toksyczne warunki atmosferyczne, które chronią je przed głodnymi owadami[CO2Us].

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 nie jest przyjazne dla środowiska, CO₂ może być używany do wydobycia ropy naftowej ze złoża, którego w inny sposób nie można by eksploatować (ze względu na bardzo trudny dostęp)<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<a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

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

Można byłoby mieć nadzieję, że wydobycie tą metodą pozostałej ropy w już istniejących miejscach zapobiegnie dalszym poszukiwaniom i wierceniom. Jednak Międzynarodowa Agencja Energetyczna przewiduje, że produkcja ropy w USA wzrośnie częściowo dzięki technologii intensyfikacji wydobycia. Dlatego jej przydatność w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych jest dyskusyjna i wątpliwa<a href='https://www.netl.doe.gov/sites/default/files/netl-file/CO2_EOR_Primer.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

CO₂ używany obecnie w tych procesach 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>.

W 2019 r. do tych zastosowań zużyliśmy około 230 Mt CO₂ rocznie, emitując jednocześnie około 36000 Mt CO₂ z powrotem do atmosfery ze wszystkich naszych innych działań<a href='https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.iea.org/reports/putting-co2-to-use' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>…

To ogromna luka! Na szczęście technologie wychwytywania dwutlenku węgla mają na celu jej zmniejszenie poprzez usunięcie części nadmiaru CO₂ emitowanego do atmosfery. Utylizacja dwutlenku węgla umożliwia następnie wykorzystanie tego wychwyconego CO₂ bezpośrednio w procesach przemysłowych omówionych powyżej, ale co by było, gdybyśmy mogli zmienić skład CO₂, aby uzyskać jeszcze więcej rzeczy?

Jak możemy chemicznie przekształcić CO₂ w bardziej użyteczne produkty?

Chemiczne konwersje CO₂ mogą wytwarzać paliwa, chemikalia, tworzywa sztuczne i inne użyteczne towary przy użyciu różnych katalizatorów, które wspomagają zachodzenie pewnych reakcji chemicznych<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 może przyspieszyć tempo reakcji lub umożliwić jej zajście przy mniejszym zużyciu energii<a href='https://www.merriam-webster.com/dictionary/catalyst' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Katalizatory są zwykle wymagane do konwersji CO₂, ponieważ CO₂ jest stabilną, niskoenergetyczną cząsteczką, co oznacza, że ​​jego przekształcenie w inne produkty wymaga dużego nakładu energii<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://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>. Użycie katalizatora może zrównoważyć część energii wymaganej do pożądanej konwersji, 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>.

Te przemiany chemiczne mogą przybierać różne formy. Oto kilka przykładów:

Konwersja elektrochemiczna: Ta reakcja, 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.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211339813000294?casa_token=MtZEPfOL_zYAAAAA:R1-ELzw7d5lysFiMocL87GL1mF6ZcIFDJ_8-rIPxZqGNygaolHEOzeKka6xX44Sm8Dv2g1AtsaM' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><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>. Poniższe równanie reakcji pokazuje, w jaki sposób można wyprodukować metan przy użyciu tej metody:

Konwersja fotochemiczna: Ta reakcja naśladuje naturalny proces właściwy roślinom (fotosyntezę) do przekształcania CO₂ w użyteczne chemikalia<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 biologiczna: Proces ten jest bardzo podobny do konwersji fotochemicznej, z tą różnicą, że wykorzystuje organizmy biologiczne, które produkują własne pożywienie ze światła, wody lub innych substancji chemicznych (np. glonów lub bakterii) zamiast komórek elektrochemicznych<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>. Organizmy te wiążą CO₂ z substancjami chemicznymi 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>.

Konwersja i uwodornienie termochemiczne: Ta reakcja wykorzystuje ciepło i katalizator do redukcji cząsteczek 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>. Polega na łączeniu wodoru z CO₂ w celu wytworzenia pożądanych chemikaliów lub paliw<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>. Na przykład poniższa reakcja pokazuje, jak można uzyskać metanol (alkohol i źródło paliwa) przy użyciu konwersji termochemicznej:

Należy zauważyć, że aby ta reakcja była neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla<a href='https://www.iea.org/reports/hydrogen' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>, stosowany wodór musi być wytwarzany w procesie elektrolizy przy użyciu energii ze źródeł odnawialnych. Obecnie większość naszego wodoru pochodzi z gazu kopalnego i jest faktycznie odpowiedzialna za około 900 milionów ton emisji CO₂ rocznie<a href='https://www.iea.org/reports/hydrogen' 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 istnieją inne sposoby konwersji CO₂?

Ostatnią metodą, o której będziemy mówić, jest mineralizacja. Ten sposób przekształca CO₂ w bardziej stabilną formę węgla, zazwyczaj węglan, który może być następnie wykorzystany do wytworzenia innych 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 mokrym betonem w procesie znanym jako utwardzanie CO₂. To trwale przechowuje CO₂ jako minerał w produkcie betonowym<a href='https://academic.oup.com/ce/article/3/2/85/5487133' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

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 niektóre metody utylizacji dwutlenku węgla wciąż nie są społecznie akceptowane

Skala wykorzystania CO₂ jako zasobu przemysłowego jest bardzo mała w porównaniu z ilością CO₂ wytwarzanego przez cały sektor przemysłowy<a href='https://www.iea.org/reports/putting-co2-to-use' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a><a href='https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions' 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<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>.

Ponadto wciąż prowadzone są badania niezbędne do opracowania ścieżek wychwytywania i utylizacji CO₂, a większość technologii i firm pracujących nad nowatorskim wykorzystaniem CO₂ nadal znajduje się w skali demonstracyjnej<a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' 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>. Oznacza to, że technologie te mogą nie zostać w pełni opracowane na czas w skali odpowiedniej do mitygacji zmian klimatu.

Konstruowanie tych ścieżek wymaga wielu badań i eksperymentów, nie wspominając o pieniądzach<a href='https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982014000626' target='_blank'><img src='/img/courses/ref.svg'/></a>. Z drugiej strony wiemy, że przechowywanie CO₂ w formacjach skalnych będzie trwało długo i jest stosunkowo tanie.

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<a href='https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/srccs_wholereport-1.pdf' 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>.

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 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 jest jednak zawsze celem ostatecznym. Ponieważ pilnie próbujemy dekarbonizować nasze źródła energii, wychwytywanie dwutlenku węgla u jego źródła i usuwanie go z atmosfery zapewnia rozwiązanie tymczasowe, kupując nam czas, kiedy rozwijane są niskoemisyjne, energooszczędne i odnawialne technologie pozyskiwania energii.