Technologia wychwytywania dwutlenku węgla:
Ograniczanie superzanieczyszczeń w celu ograniczenia globalnego ocieplenia

Szan Daniel

Globalne ocieplenie stwarza szereg poważnych zagrożeń dla ludzi na Ziemi. Planeta ociepla się z powodu efektu cieplarnianego, czyli gazów w atmosferze ziemskiej, które zatrzymują promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnię Ziemi. Głównym gazem przyczyniającym się do tego efektu jest dwutlenek węgla, emitowany podczas spalania paliw węglowodorowych w celu pozyskania energii. Potencjalne negatywne skutki niekontrolowanych emisji i ocieplenia skutkują ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi, stratami w rolnictwie i powodziami regionów przybrzeżnych z powodu topnienia polarnych czap lodowych. W związku z tym, przestawienie globalnego uzależnienia energetycznego na źródła łagodzące negatywne skutki zmiany klimatu jest kluczowe i pilne. Można to osiągnąć poprzez zmniejszenie globalnego uzależnienia od paliw kopalnych i innych substancji emitujących dwutlenek węgla oraz przejście na energię odnawialną, taką jak energia słoneczna, wiatrowa, hydroelektryczna, pływowa i jądrowa, które nie uwalniają CO2 w procesie produkcji (1).

Jednak od początku rewolucji przemysłowej stężenie CO2 w atmosferze wzrosło z 280 ppm do 430 ppm, co odpowiada 1.18 × 10^12  dodatkowych ton CO2 w naszej atmosferze. Biorąc pod uwagę skalę tej zmiany, usuwanie emitowanego węgla z atmosfery i składowanie go w sposób eliminujący jego wpływ na globalne ocieplenie stało się ostatnio przedmiotem zainteresowania klimatologów.

Obecne procesy sekwestracji węgla polegają na pobieraniu powietrza z otoczenia i jego zagęszczaniu w celu składowania (2). Można to osiągnąć poprzez serię czterech reakcji: Reakcja 1 obejmuje przepuszczanie powietrza przez roztwór wodorotlenku potasu, gdzie CO2 może reagować z wodą, tworząc kwas węglowy, który ulega neutralizacji kwasowo-zasadowej, tworząc węglan potasu i wodę. Reakcja 2 regeneruje wodorotlenek potasu poprzez reakcję węglanu potasu z wodorotlenkiem wapnia, tworząc węglan wapnia, który jest nierozpuszczalny w wodzie. W reakcji 3 stały węglan wapnia jest poddawany rozkładowi termicznemu w ekstremalnie wysokich temperaturach, tworząc tlenek wapnia i dwutlenek węgla, które są emitowane z reakcji w kontrolowanym środowisku, w którym mogą być magazynowane. Wreszcie reakcja 4 obejmuje tlenek wapnia regenerujący wodorotlenek wapnia po rozpuszczeniu w wodzie. Chociaż reakcje 1, 2 i 4 są reakcjami egzergonicznymi, korzystnymi, rozkład termiczny węglanu wapnia jest niezwykle endotermiczny i wymaga ekstremalnie dużych nakładów energii, co sprawia, że ​​przemysłowa sekwestracja dwutlenku węgla jest kosztowna i trudna do utrzymania (3). Szacuje się, że koszt usunięcia tony metrycznej CO2 z powietrza atmosferycznego wynosi od 600 do 1000 dolarów. Przy zastosowaniu wyłącznie obecnych technologii sekwestracji dwutlenku węgla, koszt usunięcia wystarczającej ilości CO2, aby powrócić do poziomu sprzed epoki przemysłowej, wyniósłby 2 bilionów dolarów, czyli około 708-krotność PKB Stanów Zjednoczonych w 25 roku (2023).

Ta metodologia nie jest obecnie skuteczną metodą, która pozwoliłaby znacząco wpłynąć na poziom CO2 w naszej atmosferze. Innowacje i udoskonalenia zarówno trzeciej reakcji procesu sekwestracji dwutlenku węgla, jak i składowania/sprzedaży wytworzonego CO2 mogą obniżyć całkowity koszt tego procesu, umożliwiając jego wdrożenie na większą skalę i ogólnie większy pozytywny wpływ (4). Wychwytywanie metanu, silnego zanieczyszczenia, które szkodzi zdrowiu i napędza zmiany klimatu, może uzupełniać strategie sekwestracji dwutlenku węgla, ukierunkowując je na krótkotrwałe zanieczyszczenia klimatu, które oferują natychmiastowe korzyści dla zdrowia i klimatu. Jednak dzięki dalszym innowacjom w celu stworzenia bardziej opłacalnego procesu i połączeniu z innymi odnawialnymi formami energii, sekwestracja dwutlenku węgla może być ważnym narzędziem łagodzenia negatywnych skutków zmian klimatu.

Metoda oparta na biologii, która w ostatnich latach zyskała coraz większe uznanie, to rolnictwo regeneratywne (RA). Rolnictwo regeneratywne oferuje bardziej zintegrowane i zrównoważone podejście do rolnictwa, koncentrując się na rekultywacji gleby i długoterminowej równowadze ekologicznej (5). W przeciwieństwie do rolnictwa konwencjonalnego, które często w dużym stopniu opiera się na nawozach sztucznych i pestycydach, RA kładzie nacisk na tradycyjne praktyki oparte na naturze (6). Pięć podstawowych zasad, na których rolnictwo regeneratywne opiera się głównie w celu poprawy zdrowia gleby, to: minimalizacja ingerencji w glebę, maksymalizacja różnorodności upraw, utrzymanie ciągłej pokrywy glebowej, utrzymanie żywych korzeni w glebie przez cały rok oraz integracja zwierząt gospodarskich, takich jak bydło, z systemami rolniczymi.

Pomimo tego, że jest to jedno z najskuteczniejszych podejść do zrównoważonego rolnictwa i składowania dwutlenku węgla w atmosferze, RA napotyka na szereg barier utrudniających jego powszechne wdrożenie (7). Podejście to jest czasochłonne i wymaga starannego, konsekwentnego zarządzania. Rolnicy muszą wdrażać nowe techniki i pogłębiać wiedzę na temat biologii gleby, interakcji roślin i praktyk ekosystemowych, aby skutecznie zarządzać swoimi gruntami. Te zmiany często wymagają zarówno szkoleń technicznych, jak i długoterminowego zaangażowania, co nie jest możliwe we wszystkich społecznościach rolniczych.

Jednakże, jeśli RA będzie wspierana przez konsekwentne wdrażanie i integrację nowoczesnych technologii – takich jak drony, czujniki i robotyka rolnicza – ma ona potencjał, aby stać się jedną z najskuteczniejszych długoterminowych strategii składowania węgla (8). Technologie te mogą poprawić precyzję i efektywność praktyk zarządzania gruntami, ułatwiając monitorowanie stanu gleby, optymalizację płodozmianu i redukcję pracochłonności zadań. Na przykład, badanie wykazało, że gleba ma zdolność do sekwestracji do 3.4 gigaton węgla rocznie poprzez praktyki rolnicze (9). Osiągnięcie takiej skali sekwestracji wymagałoby jednak sadzenia około 5.72 × 10¹¹ drzew rocznie.

Proces fotosyntezy obejmuje kilka powiązanych ze sobą etapów biologicznych i chemicznych, które przyczyniają się do długotrwałego magazynowania węgla w glebie. Rozpoczyna się on od wzmożonej uprawy drzew, roślin uprawnych i innych roślin, które odgrywają kluczową rolę w wychwytywaniu atmosferycznego dwutlenku węgla (CO₂) w procesie fotosyntezy. Podczas fotosyntezy rośliny przekształcają CO₂ i wodę w glukozę (C₆H₁₂O₆) i tlen (O₂), postępując zgodnie z następującą reakcją: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Wytworzona glukoza jest nie tylko wykorzystywana do wzrostu roślin, ale także wydzielana przez korzenie do gleby, wspierając mikroorganizmy. Wydzieliny korzeniowe stymulują oddychanie i aktywność mikroorganizmów w ryzosferze, usprawniając obieg składników odżywczych. Część węgla organicznego jest ostatecznie stabilizowana w procesie zwanym humifikacją, w którym pozostałości mikroorganizmów i roślin są przekształcane w złożone substancje próchniczne. Substancje te tworzą stabilną materię organiczną gleby, która może pozostawać w niej przez dziesięciolecia, skutecznie magazynując węgiel w glebie.

Chociaż RA jest wysoce zrównoważonym podejściem, znaczący postęp w tej metodzie wymaga jednoczesnej redukcji antropogenicznych emisji dwutlenku węgla. Badania wskazują, że roczna ilość dwutlenku węgla emitowanego w wyniku działalności człowieka przekracza ilość, którą można zsekwestrować poprzez regeneracyjne praktyki rolnicze (globalny roczny budżet). Na przykład, w 2023 roku wyemitowano 36.8 gigaton CO2, w porównaniu z 3.4 gigatonami węgla zsekwestrowanego rocznie w ramach RA.

Beton to wszechobecny materiał budowlany; jest obecny na naszych drogach, chodnikach, w naszych budynkach, mostach i tunelach. W rzeczywistości beton jest drugą najczęściej wykorzystywaną substancją na świecie, ustępując jedynie wodzie, a „w budownictwie zużywa się dwa razy więcej betonu niż wszystkich innych materiałów budowlanych razem wziętych” (12). Obecnie świat produkuje 30 miliardów ton betonu rocznie, a globalny popyt na beton stale rośnie, szczególnie w związku z przyspieszeniem industrializacji w wielu krajach Globalnego Południa (13). Niestety, beton wiąże się z kosztami energii.

Cement, kluczowy składnik betonu, powstaje w procesie znanym jako prażenie — mieszankę wapienia i gliny podgrzewa się do bardzo wysokiej temperatury, co powoduje reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje dwutlenek węgla (CO ₂ ) i wapna (CaO). Wapno jest następnie mieszane z gliną i ponownie podgrzewane, aby utworzyć cement. Na koniec cement reaguje z wodą, tworząc różne produkty hydratacji, które twardnieją i wiążą kruszywa (głównie piasek, żwir i tłuczeń), tworząc to, co znamy jako beton.

Jednakże, gdy do podgrzania cementu i CO2 potrzeba znacznej ilości energii, ₂  Uwzględniając zarówno emisję CO0.85 uwalnianą jako produkt uboczny podczas kalcynacji, staje się oczywiste, że beton ma dość znaczący ślad węglowy. W rzeczywistości jedna tona cementu uwalnia XNUMX tony COXNUMX. ₂ , a przemysł betonowy odpowiada za 4-8% światowej emisji dwutlenku węgla (14). Obecnie żaden inny materiał budowlany nie dorównuje betonowi pod względem wszechstronności, niskich kosztów i łatwości produkcji, ale czy istnieje sposób na zmniejszenie śladu węglowego betonu, a jednocześnie potencjalne obniżenie kosztów dla przemysłu?

Okazuje się, że beton, mimo iż w procesie mieszania emituje dwutlenek węgla, pochłania również węgiel poprzez pasywną reakcję chemiczną znaną jako wietrzenie karbonatyzacjiW trakcie tego procesu powstaje wodorotlenek wapnia (Ca(OH) ₂ , znany również jako portlandyt), produkt uboczny reakcji hydratacji w betonie, reaguje z dwutlenkiem węgla w powietrzu, tworząc węglan wapnia (CaCO ₃ , znany również jako kalcyt). Jest to forma sekwestracji węgla – węgla z powietrza (CO ₂ ) jest „sekwestrowany” w formie mineralnej w strukturze molekularnej betonu.

Jednak jako potencjalna strategia łagodzenia zmian klimatu i zmniejszania śladu węglowego przemysłu betoniarskiego, proces ten ma kilka wad. Po pierwsze, jest bardzo powolny; jedna tona betonu pochłania do 0.9 kg COXNUMX. ₂  rocznie w wyniku wietrzenia karbonatyzacji, chociaż wartość ta jest silnie zależna od warunków środowiskowych, takich jak wilgotność i temperatura (13). Oznacza to, że absorpcja węgla, która ma miejsce podczas wietrzenia karbonatyzacji, jest znacznie mniejsza niż ilość węgla emitowanego przez przemysł. Drugą wadą jest to, że przy przedłużonej ekspozycji na CO ₂ Żel uwodnionego krzemianu węgla (CSH), który pomaga wiązać beton, rozkłada się, a beton zaczyna się degradować. Możemy jednak wykorzystać podstawowe reakcje chemiczne zachodzące podczas wietrzenia i karbonatyzacji jako wzór do zaprojektowania szybkiej i aktywnej techniki sekwestracji węgla w betonie, w przeciwieństwie do powolnej i pasywnej.

Okazuje się, że branża obecnie ma drugiej metody. Pierwsza nazywa się karbonizacja mineralnai jest zasadniczo „szybko imitacją wietrzenia skał” (13). Karbonatyzacja mineralna ma na celu związki wiążące; zazwyczaj cement jest po prostu mieszany z wodą, aby utworzyć produkty hydratacji, które wiążą kruszywa betonu. Jednakże, jeśli CO ₂  rozpuszcza się w wodzie, tworząc kwas węglowy (H ₂ CO ₃ Jony hydroniowe z kwasu rozkładają tlenki krzemianów w cemencie, uwalniając jony wapnia i magnezu, tworząc stabilne węglany. Według jednego z badań, komercyjna karbonatyzacja minerałów może pochłaniać do 3 Gt węgla rocznie.

Druga metoda dotyczy samego betonu. Beton jest często utwardzany po wymieszaniu, aby zapewnić szybkie reakcje hydratacji, co korzystnie wpływa na jego długoterminową trwałość i wytrzymałość. Para wodna jest typowym medium, za pomocą którego utwardza ​​się beton, ponieważ zapewnia wysoką temperaturę i wilgotność względną (15), ale nie zawiera COXNUMX. ₂  Można go również wykorzystać w tym samym celu. Ten proces, w którym CO ₂  gaz jest wstrzykiwany do betonu w młodym wieku (czyli najpóźniej kilka dni po wymieszaniu) i jest znany jako utwardzanie karbonatyzacyjne. Podobnie jak w przypadku karbonatyzacji mineralnej, utwardzanie karbonatyzacyjne obejmuje reakcję tlenków krzemianowych z wodą i CO ₂  utworzyć CaCO ₃ .

Oczywiście, uzyskanie czystego CO ₂  gaz, a także projektowanie i utrzymanie zamkniętych komór reakcyjnych niezbędnych do utwardzania, oznacza dodatkowe koszty dla producenta. Jednakże możliwe jest obniżenie tych kosztów poprzez zastąpienie tradycyjnych materiałów wiążących i kruszywa alternatywnymi materiałami pochodzącymi z recyklingu, aby wytworzyć to, co w branży znane jest jako „zielony beton”. Na przykład cement portlandzki, typowy wybór składnika cementowego betonu, może być częściowo lub całkowicie zastąpiony popiołem lotnym (produktem ubocznym przemysłu węglowego) lub żużlem stalowniczym, ponieważ oba zawierają tlenki niezbędne do zajścia reakcji hydratacji. Jedno z badań wykazało, że zastąpienie cementu portlandzkiego mieszanką popiołu lotnego i wapna doprowadziło do mieszanki betonowej o stopniu karbonatyzacji 78%, w porównaniu do 32% stopnia karbonatyzacji w kontrolnej mieszance cementu portlandzkiego (13).

Ponadto żwir i tłuczeń skalny, typowe kruszywa grube, można zastąpić produktami ubocznymi z rozbiórki (pokruszone cegły, beton itp.). Można również przeprowadzić mineralną karbonatyzację tych kruszyw, aby zwiększyć ich wytrzymałość i trwałość, a także ich zdolność do sekwestracji węgla. Wreszcie, drobne kruszywa (zazwyczaj piasek) można zastąpić biowęglem, który ma dodatkową zaletę bycia produktem samej sekwestracji węgla (biowęgiel powstaje poprzez spalanie materii organicznej w bardzo wysokich temperaturach w środowisku o niskiej zawartości tlenu, co prowadzi do tworzenia stabilnych struktur węglowych). Niektóre badania wykazały, że biowęgiel może przyspieszać reakcje hydratacji podczas wczesnego utwardzania karbonatyzacyjnego, co prowadzi do wyższej wytrzymałości na ściskanie (16). Biowęgiel jest również wysoce porowaty, co oznacza, że ​​ma więcej miejsc, w których mogą zachodzić reakcje karbonatyzacji.

W przeciwieństwie do CCS czy rolnictwa regeneratywnego, zielony beton nie wymaga daleko idących zmian w istniejącej branży ani tworzenia zupełnie nowej; wystarczy włączyć do mieszanki betonowej produkty uboczne pochodzące z recyklingu i zastosować technologie utwardzania karbonatyzacyjnego zamiast pary wodnej. Producenci cementu dysponują obecnie środkami na inwestycje w bardziej przyjazną dla klimatu przyszłość – taką, w której budujemy nasze miasta z wychwyconego CO2. ₂ .