碳工程公司和西方石油公司的子公司1PointFive已经宣布了计划到2035年安装70个直接空气捕捉(DAC)装置-每个探测器每年可捕获多达100万吨的二氧化碳。第一座核电站预计将于2024年底投入运营。如果实现,这些工厂将捕获2021年全球二氧化碳排放量的不到0.2%。但是为了防止灾难性的气候变化,我们需要更多的资源——据估计,我们可能需要安装多达1500个植物在2030年到2050年之间,每年都有100万吨的规模。

我们还必须控制钢铁和水泥等难以减排行业的工厂排放。这里的数字可能更容易理解。国际能源机构(IEA)估计超过10亿吨必须在2030年之前每年捕获才能有机会到2050年实现净零排放-需要在目前4000万吨的产能基础上增加相当大的规模。实现这一目标将减少全球5200家工业设施的排放量,国际能源署表示,这些工厂每年排放的二氧化碳超过100万吨。

然而,需要多少能量呢?答案很明确:视情况而定。二氧化碳的来源非常广泛,来自不同的行业和类型的发电厂,不同的应用可能需要不同的技术。在任何情况下,都需要扩大吸附剂材料的供应链。

从燃烧后的工业烟气中捕获二氧化碳最广泛使用的机制是使用胺溶剂的化学吸收。然而,从溶剂中释放二氧化碳需要热量,而所需的热量可以决定一种工艺的经济可行性

单乙醇胺(MEA)是碳捕集最常用的胺类溶剂。据报道,每捕获一吨二氧化碳,溶剂再生的平均能耗约为1兆瓦时(3.7吉焦)——足够为普通英国家庭供电24天。据介绍,创新将这一数字降至722千瓦时/吨左右能源分析公司Thundersaid energy的分析.然而,该公司创始人罗布·韦斯特表示,目前尚不清楚“溶剂鸡尾酒在技术上是否已经具备商业运作的条件”。

善的力量

估计生产足够的溶剂(或固体吸附剂)所需的能量是具有挑战性的,因为在捕获过程中使用和回收多少溶剂的细节在商业上是敏感的。制造MEA可能需要约800kWh/吨。挪威气候基金会Bellona估计,一个典型的100万吨工厂每年产生100-300吨废物,这意味着每年补充溶剂可能需要高达240MWh。

另一个重要的能源消耗是压缩,如果二氧化碳要运输或注入地下,就需要压缩。“在我见过的大多数工作中,再生过程都是在接近大气压力的情况下进行的,因为一旦你有了一个加压的容器,就会变得更加复杂和昂贵,”他说汉娜查尔默斯在爱丁堡大学。“在热力学中,你不会不劳而获。”

生命周期分析表明,压缩每吨二氧化碳所需的能量为111千瓦时,将气体注入井中所需的能量为7千瓦时/吨。

按照国际能源署2030年捕获10亿吨工业二氧化碳的目标——并假设使用现有的最佳溶剂——仅捕获、压缩和注入能量就意味着至少需要840TWh。这相当于2030年全球可再生能源发电量的5.2%根据目前的认捐额

财政部的时刻吗?

英国德拉克斯发电站一直在开发所谓的负排放技术,使用木质生物质取代煤和天然气发电机组,并一直在试验一系列碳捕获技术。它最近的合作伙伴是Promethean Particles,该公司正在研究一种金属有机框架(MOF)。这些材料具有大的表面积,可以对二氧化碳进行高特异性调整。在能源需求方面,不需要破坏强化学键来释放二氧化碳,因此可以使用80-100°C左右的温度。这意味着普罗米修斯公司可以利用废热来驱动这一过程。业务发展经理克里斯·西蒙斯(Chris Simmons)说:“正是这方面让德拉克斯非常兴奋,并开始了与我们的合作之旅。”即使没有废热,早期迹象表明,释放二氧化碳所需的能量约为527千瓦时/吨——几乎是胺技术的一半。从理论上讲,利用废热可以进一步降低40%,但西蒙斯警告说,“这仍然是早期的尝试”。

德拉克斯发电厂

来源:©法新社/盖蒂图片社

英国德拉克斯发电厂希望将生物质燃烧与碳捕获技术结合起来,成为净负排放设施

吸附剂的数量意味着,如果碳捕获和存储要以设想的规模推广,扩大MOF的生产是必不可少的。加拿大公司Svante一直在与巴斯夫合作,在水泥和氢气工厂大规模生产其为CCS开发的MOF吸附剂。该公司表示,一个典型的水泥捕集厂所需的吸附剂数量约为200吨。普罗米修斯的连续流技术,意味着它的MOFs可以比批处理过程更有效和更高的吞吐量。然而,与其他固体吸附剂结构相比,MOF吸附剂的耐用程度如何尚不清楚。事实上,在使用MOFs进行碳捕获时没有化学反应,这意味着结构不会受到影响,但prometheus仍在努力了解亚氮和硫氧化物等杂质的影响。

呼吸空气

从大气中仅占0.04%的二氧化碳中捕获二氧化碳,与从浓度可达4-15%的工业烟气中捕获二氧化碳完全不同。因此,直接空气捕获技术(DAC)还处于起步阶段:目前有18个设施在运行,每年仅捕获1万吨。

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来源:©Sarah Deutz和André Bardow/施普林格Nature Limited 2021

捕获二氧化碳的碳足迹取决于从摇篮到大门(生产)所使用的电力的碳足迹。

最大的工厂由瑞士先锋公司Climeworks于2021年投入使用,每年可捕获4000吨二氧化碳。这种气体通过注入地下水中,与冰岛核电站下的玄武岩发生反应,形成碳酸盐矿物,从而被永久储存。碳工程公司的第一家工厂将建在美国南部的二叠纪盆地,在那里捕获的二氧化碳将用于制造合成燃料和提高石油采收率。

在碳工程公司的化学循环过程中,风扇将空气吸入有氢氧化钾溶液流过的接触器。空气中的二氧化碳与氢氧化钾反应,形成碳酸盐。释放二氧化碳需要将盐分离成颗粒,然后在高温煅烧过程中加热,这是该系统中能源消耗最大的步骤。2018年,该公司创始人之一大卫·基思(David Keith)发布了一份关于不同步骤所需能量的详细评估,相当于2.4兆瓦时/吨二氧化碳,天然气提供所有的热能和电力需求。在这项评估中,该工厂还从提供能源的天然气发电厂中额外捕获了48万吨二氧化碳。

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来源:©Noah McQueen et all

碳工程公司溶剂工艺流程图。其中,绿色线代表气体流动,蓝色线代表液体流动,棕色线代表固体流动。水流在整个过程中经历温度变化,在这个简化图中没有表示

如果分解炉仅由天然气提供动力,则能源需求下降至1.8MWh/吨,如果所有过程完全由电力提供动力,则进一步下降至1.5MWh /吨。因此,仅就这些过程而言,一座100万吨完全由电力驱动的工厂每年就需要1.53太瓦时,相当于英国去年可再生能源发电量的1.2%。但Carbon Engineering和1PointFive打算创建标准化的模块化设计,可以大规模生产,并允许快速整合技术改进,以降低未来的成本。

诺亚麦昆碳捕获公司传家宝(家宝)的研究主管李安指出,DAC工厂的热和电力需求与石油炼油厂类似。在美国,这些设施每年消耗约880太瓦时的能源。他计算将能量分配给DAC这意味着每年可以捕获3.7亿吨二氧化碳,几乎占全球年排放量的1%。

Climeworks

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Climeworks是直接空气捕获二氧化碳的先驱,其在冰岛的4000吨/年工厂使用胺吸附剂来捕获二氧化碳

选择吸着剂

溶剂或吸附剂的回收率和寿命影响能量需求。扩大直接空气捕获的规模是否可行也取决于这些材料的要求。一些研究人员已经对DAC技术进行了生命周期评估,但结论是不确定的,因为数据是基于尚未达到规模的技术,而公司小心翼翼地保护他们使用的材料的确切细节。

莎拉道依茨德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)能源系统工程小组负责人,基于Climeworks在瑞士和冰岛的小规模模块化工厂的运行情况,使用Climeworks的专有数据进行了生命周期评估。分析的重点是使用不同能源组合的植物的碳足迹。

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来源:©Noah McQueen et all

典型的固体吸附剂DAC工艺流程图,如Climeworks所采用的

Climeworks的系统使用了一种胺基固体吸附剂。吸附剂的再生和二氧化碳的释放是通过应用低温加热和适度真空来实现的。和碳工程公司一样,它的过程需要能量来吹空气穿过接触器。

条形图

来源:©Sarah Deutz和André Bardow/施普林格Nature Limited 2021

一系列吸附剂在其整个生命周期中的碳足迹。生命周期包括从摇篮到大门(生产)和从摇篮到坟墓(包括生命结束)的碳足迹。吸附剂的消耗量假定为每捕获一公斤二氧化碳7.5克吸附剂

为了评估Climeworks的工艺,Deutz选择了六种有前景的吸附剂(其中一些已经被Climeworks测试过),并计算了它们生产和最终处理所需的能量,假设回收率为95%。能源需求范围广泛,从39到186kWh/吨二氧化碳捕获。

除固体吸附剂外,DAC工厂还需要大量钢铁和水泥等材料,而这些材料的生产本身就需要大量能源。对于目前4000吨的工厂,她计算出基础大厅、收集器、工艺装置和备件将为工厂的能源成本增加44kWh/吨的二氧化碳捕获。回收所有的钢、铝和铜可以将成本降低三分之二,降至14.4千瓦时/吨二氧化碳。

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来源:©Sarah Deutz和André Bardow/施普林格Nature Limited 2021

Sarah Deutz和他的同事计算了建造DAC工厂的碳足迹

考虑到所有的资源需求,该工厂将总共使用4MWh/吨二氧化碳,但集成热泵可以将其减少到2MWh/吨。

根据Climeworks的优化假设(包括减少60%的吸附剂需求)进行的评估表明,年产能10万吨的设施将需要捕获1.1兆瓦时/吨的二氧化碳。

“气候工程”的目标是实现全球排放总量的1%,这意味着要部署3683个这样的发电厂。使用最好的情况(热泵)场景表明,它们需要409TWh的能量。国际能源署预计(基于目前的承诺),2030年可再生能源发电量将达到15,917太瓦时,因此以这一水平运行DAC将消耗预期可再生能源发电量的2.5%。

Deutz还研究了实现这种规模的材料要求,并得出结论,对于所有材料(除吸附剂外),到2030年,只需要不到1%的市场预期产量。如果我们必须在2030年至2050年期间每年安装1500座10倍于此规模的电厂,情况将会大不相同。1500座电厂所需的可再生能源将超过2030年的预计产量。

降低成本

马赫迪Fasihi他是芬兰LUT大学的研究人员模拟DAC系统的能源成本他指出,有几个机会可以降低这些成本。

目前正在开发的工业热泵可以提供更高的温度,而DAC与其他工业过程(如合成燃料的生产)共存,可以使其利用废热。同样,电解槽行业正在向高压电解发展,高压电解产生的热量可以直接用于当前的低温DAC技术,而不需要热泵。与此同时,公司正在努力降低捕获过程中的再生温度,因此最终可能根本不需要热泵。

但必须达成一个平衡——像Climeworks所寻求的那样,将DAC电厂与地质存储设施合建在一起,将最大限度地降低运输成本。法希说:“这是一个优化问题。他说,在很多情况下,将DAC工厂安置在靠近热源或廉价电力的地方肯定是有益的,即使这会带来其他成本,因为热量是总成本的重要组成部分。

为此,Climeworks正与加拿大CCS专家Svante合作。将DAC工厂与CCS发电厂放在一起,可以让Climeworks利用废热从捕获的二氧化碳中生产合成燃料。该公司还致力于美国能源部资助的一个项目,将Svante的MOF吸附剂与加州可再生能源发电基地的模块化系统结合起来。

道依茨说:“最后,直接捕获空气并不是万能的,因为我们需要大量的能量。“但好消息是,我们仍然可以通过在这十年里快速减排来降低未来的需求。