Технология за улавяне на въглерод:
Намаляване на супер замърсителите за ограничаване на глобалното затопляне

Шан Даниел

Глобалното затопляне представлява значителна поредица от рискове за хората на Земята. Планетата се затопля поради парниковия ефект или газовете в земната атмосфера, които улавят дълговълновата радиация, излъчвана от земната повърхност, в атмосферата. Основният газ, който допринася за този ефект, е въглеродният диоксид, който се отделя по време на изгарянето на въглеводородни горива за енергия. Потенциалните отрицателни ефекти от неконтролираните емисии и затоплянето водят до екстремни метеорологични явления, селскостопански загуби и наводняване на крайбрежните райони поради топенето на полярните ледени шапки. В резултат на това преминаването на глобалната енергийна зависимост към източници, които смекчават отрицателните последици от изменението на климата, е критично и неотложно. Това може да се постигне чрез намаляване на глобалната зависимост от изкопаеми горива и други вещества, отделящи въглерод, и преминаване към възобновяема енергия, като слънчева, вятърна, водноелектрическа, приливна и ядрена, които не отделят CO2 по време на процеса си (1).

Въпреки това, от началото на Индустриалната революция, атмосферните концентрации на CO2 са се увеличили от 280 ppm до 430 ppm, което се равнява на 1.18 × 10^12.  допълнителни метрични тона CO2 в нашата атмосфера. Предвид мащаба на тази промяна, премахването на отделения въглерод от атмосферата и съхранението му по начин, който елиминира ефекта му върху глобалното затопляне, е скорошна тема от интерес за климатолозите.

Съвременните процеси за улавяне на въглерод имат за задача да вземат въздух от околната среда и да го концентрират за съхранение (2). Това може да се постигне чрез серия от четири реакции: Реакция 1 включва преминаване на въздух през разтвор на калиев хидроксид, където CO2 може да реагира с вода, за да се превърне в въглеродна киселина, която претърпява киселинно-алкална неутрализация, за да се генерира калиев карбонат и вода. Реакция 2 регенерира калиев хидроксид чрез реакция на калиевия карбонат с калциев хидроксид, за да се генерира калциев карбонат, който е неразтворим във вода. В реакция 3 твърдият калциев карбонат се подлага на термично разлагане при изключително високи температури, за да се генерира калциев оксид и въглероден диоксид, който се отделя от реакцията в контролирана среда, където може да се съхранява. Накрая, реакция 4 включва регенериране на калциев оксид, когато е разтворен във вода. Въпреки че реакции 1, 2 и 4 са екзергонични, благоприятни реакции, термичното разлагане на калциевия карбонат е силно ендотермично и изисква изключително количество енергия, което прави индустриалното улавяне на въглерод скъпо и трудно за поддържане (3). На метричен тон CO2, отстранен от околния въздух, цената се оценява на между 600 и 1000 долара. Използвайки единствено съвременните технологии за улавяне на въглерод, цената за премахване на достатъчно CO2, за да се върнат към прединдустриалните нива на атмосферния CO2, би била 708 трилиона долара, или приблизително 25 пъти БВП на САЩ през 2023 г. (4).

Тази методология понастоящем не е жизнеспособен метод за значително въздействие върху нивата на CO2 в нашата атмосфера. Иновациите и подобренията както на третата реакция на процеса на улавяне на въглерод, така и на съхранението/продажбите на произведения CO2 могат да намалят общите разходи за този процес, което ще позволи неговото прилагане в по-голям мащаб и като цяло по-голямо положително въздействие (4). Улавянето на метан, свръхзамърсител, който вреди на здравето и води до изменението на климата, може да допълни стратегиите за улавяне на въглерод, като се насочи към краткотрайни климатични замърсители, които предлагат незабавни ползи за здравето и климата. Въпреки това, с по-нататъшни иновации за създаване на по-рентабилен процес и комбинация с други възобновяеми форми на енергия, улавянето на въглерод може да бъде важен инструмент за смекчаване на отрицателните ефекти от изменението на климата.

Биологично обусловен метод, който придобива все по-голямо признание през последните години, е Регенеративното земеделие (РЗ). Регенеративното земеделие предлага по-интегриран и устойчив подход към земеделието, като се фокусира върху възстановяването на почвата и дългосрочния екологичен баланс (5). За разлика от конвенционалното земеделие, което често зависи в голяма степен от химически торове и пестициди, РЗ набляга на традиционните, природосъобразни практики (6). Петте основни принципа, на които регенеративното земеделие разчита главно за подобряване на здравето на почвата, са: минимизиране на нарушаването на почвата, максимизиране на разнообразието на културите, поддържане на непрекъсната почвена покривка, запазване на живи корени в почвата през цялата година и интегриране на добитък, като например говеда, в земеделските системи.

Въпреки че е един от най-ефективните подходи за устойчиво земеделие и съхранение на въглерод в атмосферата, RA е изправен пред няколко пречки пред широкото прилагане (7). Подходът е трудоемък и изисква внимателно и последователно управление. Земеделските производители трябва да възприемат нови техники и да развият по-задълбочено разбиране за почвената биология, взаимодействията между растенията и екосистемните практики, за да управляват ефективно земята си. Тези промени често изискват както техническо обучение, така и дългосрочен ангажимент, които не са осъществими за всички земеделски общности.

Ако обаче RA бъде подкрепена от последователно внедряване и интегриране на съвременни технологии – като дронове, сензори и селскостопанска роботика – тя има потенциала да се превърне в една от най-надеждните дългосрочни стратегии за съхранение на въглерод (8). Тези технологии могат да подобрят прецизността и ефективността на практиките за управление на земята, като улеснят наблюдението на здравето на почвата, оптимизират сеитбообращението и намалят трудоемките задачи. Например, едно проучване установява, че почвата има капацитета да улавя до 3.4 гигатона въглерод годишно чрез селскостопански практики (9). Постигането на този мащаб на улавяне обаче би изисквало засаждането на приблизително 5.72 × 10¹¹ дървета годишно.

Процесът на RA включва няколко взаимосвързани биологични и химични стъпки, които допринасят за дългосрочното съхранение на въглерод в почвите. Той започва с увеличеното отглеждане на дървета, култури и растения, които играят ключова роля в улавянето на атмосферния въглероден диоксид (CO₂) чрез процеса на фотосинтеза. По време на фотосинтезата растенията преобразуват CO₂ и водата в глюкоза (C₆H₁₂O₆) и кислород (O₂), следвайки реакцията: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Произведената глюкоза не само се използва за растежа на растенията, но и се отделя през корените в почвата, за да поддържа микробните съобщества. Тези коренови ексудати стимулират микробното дишане и активност в ризосферата, подобрявайки кръговрата на хранителните вещества. Част от органичния въглерод в крайна сметка се стабилизира чрез процес, наречен хумификация, при който микробните и растителните остатъци се трансформират в сложни хуминови вещества. Тези вещества образуват стабилна почвена органична материя, която може да остане в почвата в продължение на десетилетия, като ефективно съхранява въглерод в земята.

Въпреки че регенеративните земеделски практики (RA) са силно устойчив подход, значителният напредък чрез този метод изисква едновременно намаляване на антропогенните въглеродни емисии. Проучване показва, че годишното количество въглероден диоксид, отделяно от човешките дейности, надвишава количеството, което може да бъде секвестирано чрез регенеративни земеделски практики (глобален годишен бюджет). Например, през 2023 г. са били емитирани 36.8 гигатона CO2, в сравнение с 3.4 гигатона въглерод, секвестиран годишно чрез RA.

Бетонът е повсеместен строителен материал; той е в нашите пътища, тротоари, сгради, мостове и тунели. Всъщност, бетонът е второто най-използвано вещество в света, на второ място след водата, и „в строителството се използва два пъти повече бетон, отколкото всички останали строителни материали взети заедно“ (12). В момента светът произвежда 30 милиарда тона бетон всяка година, а глобалното търсене на бетон само се увеличава, особено с ускоряването на индустриализацията в много страни от Глобалния юг (13). За съжаление, бетонът е свързан с разходи за енергия.

Циментът, ключов компонент на бетона, се създава чрез процес, известен като калциниране — смес от варовик и глина се нагрява до много високи температури, което предизвиква химическа реакция, при която се произвежда въглероден диоксид (CO ₂ ) и вар (CaO). След това варта се смесва с още глина и се нагрява отново, за да се образува цимент. Накрая, този цимент реагира с вода, за да образува различни хидратационни продукти, които се втвърдяват и свързват агрегати (главно пясък, чакъл и натрошен камък) заедно, образувайки това, което познаваме като бетон.

Въпреки това, когато значителният енергиен вложен материал е необходим за нагряване на цимента и CO2 ₂  Ако се вземат предвид и двата фактора, отделени като страничен продукт по време на калцинацията, става очевидно, че бетонът има доста значителен въглероден отпечатък. Всъщност един тон цимент отделя 0.85 тона COXNUMX. ₂ , а бетонната индустрия произвежда 4-8% от световните въглеродни емисии (14). В момента никой друг строителен материал не е способен да се сравни с бетона по гъвкавост, ниска цена и лекота на производство, но има ли някакъв начин да се намали въглеродният отпечатък на бетона, като същевременно се съкратят потенциалните разходи за индустрията?

Оказва се, че въпреки факта, че отделя въглероден диоксид по време на процеса на смесване, бетонът също така абсорбира въглерод чрез пасивна химическа реакция, известна като изветряне карбонизацияПо време на този процес, калциев хидроксид (Ca(OH) ₂ , известен също като портландит), страничен продукт от хидратационните реакции в бетона, реагира с въглеродния диоксид във въздуха, за да образува калциев карбонат (CaCO ₃ , известен също като калцит). Това е форма на улавяне на въглерод — въглерод от въздуха (CO ₂ ) е „изолиран“ в минерална форма в молекулярната структура на бетона.

Въпреки това, като потенциална стратегия за смекчаване на изменението на климата и намаляване на въглеродния отпечатък на бетонната индустрия, този процес има няколко недостатъка. Първият е просто, че се случва много бавно; един тон бетон абсорбира до 0.9 кг COXNUMX. ₂  годишно чрез атмосферна карбонизация, въпреки че тази стойност силно зависи от условията на околната среда, като влажност и температура (13). Това означава, че поглъщането на въглерод, което се случва по време на атмосферна карбонизация, е далеч по-малко от въглерода, отделян от индустрията. Вторият недостатък е, че при продължително излагане на CO ₂ , въглеродният силикатен хидратен гел (CSH), който помага за свързването на бетона, се разлага и бетонът започва да се разгражда. Въпреки това, можем да използваме основните химични реакции, които протичат по време на атмосферна карбонизация, като план за проектиране на техника за улавяне на въглерод в бетон, която е бърза и активна, за разлика от бавната и пасивна.

Както се оказва, индустрията в момента има две методи. Първият се нарича минерална карбонизацияи по същество е „бързо развиваща се имитация на изветрянето на скали“ (13). Минералната карбонизация е насочена към свързващи съединения; обикновено циментът просто се смесва с вода, за да се образуват продуктите на хидратация, които свързват агрегатите на бетона. Ако обаче CO ₂  се разтваря във вода, за да образува въглеродна киселина (H ₂ CO ₃ ), хидрониевите йони от киселината разграждат силикатните оксиди в цимента, освобождавайки калциевите и магнезиевите йони на цимента, за да образуват стабилни карбонати. Според едно проучване, търговската минерална карбонизация може да улавя до 3 Gt въглерод годишно.

Вторият метод е насочен към самия бетон. Бетонът често се втвърдява след смесване, за да се осигурят бързи реакции на хидратация, което има благоприятен ефект върху дългосрочната му издръжливост и здравина. Парата е типичната среда, чрез която бетонът се втвърдява, тъй като позволява висока температура и относителна влажност (15), но COXNUMX... ₂  може да се използва и за същия ефект. Този процес, при който CO ₂  Газът се инжектира в бетон в ранна възраст (т.е. най-много няколко дни след смесването) е известен като карбонизация. Подобно на минералната карбонизация, карбонизационното втвърдяване включва реакцията на силикатни оксиди с вода и CO2. ₂  за образуване на CaCO ₃ .

Разбира се, получаването на чист CO ₂  газ, както и проектирането и поддържането на затворените реакционни камери, необходими за втвърдяване, означава допълнителни разходи за производителя. Възможно е обаче тези разходи да се намалят чрез заместване на традиционните свързващи и агрегатни материали с рециклирани алтернативи, за да се получи това, което в индустрията е известно като „зелен бетон“. Например, портланд циментът, типичният избор за циментов компонент на бетона, може да бъде частично или напълно заменен с летяща пепел (страничен продукт от въгледобивната промишленост) или стоманена шлака, тъй като и двете съдържат оксидите, необходими за протичане на реакциите на хидратация. Едно проучване установи, че замяната на портланд цимент със смес от летяща пепел и вар води до бетонна смес със степен на карбонизация от 78%, в сравнение с 32% степен на карбонизация в контролната смес с портланд цимент (13).

Освен това, чакълът и натрошената скална маса, типичният избор за едри агрегати, могат да бъдат заменени с продукти от разрушаването (натрошени тухли, бетон и др.). Минерална карбонизация може да се извърши и върху тези агрегати, за да се увеличи тяхната здравина и издръжливост, както и способността им да улавят въглерод. Накрая, фините агрегати (обикновено пясък) могат да бъдат заменени с биовъглище, което има допълнителното предимство да бъде продукт на самото улавяне на въглерод (биовъглището се образува чрез изгаряне на органична материя при много високи температури в среда с ниско съдържание на кислород, което води до образуването на стабилни въглеродни структури). Някои проучвания са установили, че биовъглището може да ускори реакциите на хидратация по време на ранно карбонизиране, което води до по-висока якост на натиск (16). Биовъглището е също така силно поресто, което означава, че има повече места, където могат да възникнат реакции на карбонизация.

За разлика от CCS или регенеративното земеделие, зеленият бетон не изисква мащабна промяна в съществуващата индустрия или създаването на изцяло нова; всичко, от което се нуждаете, е включване на рециклирани странични продукти в бетонната смес и използване на технологии за карбонизация вместо пара. Производителите на цимент в момента разполагат със средствата да инвестират в по-адаптивно към климата бъдеще - такова, в което ще изграждаме градовете си от изолиран CO2. ₂ .