مکانیسم‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS): مقایسه فناوری‌های پس از احتراق، پیش از احتراق و سوخت اکسیژنی

راه‌اندازی دستگاه‌های مورد نیاز برای جذب دی‌اکسید کربن از دودکش‌های صنعتی می‌تواند بین ۱۰٪ تا ۴۰٪ از کل توان خروجی یک نیروگاه را مصرف کند. این «بار انگلی» عظیم، مانع اصلی مهندسی در عصر کربن‌زدایی است. برای دستیابی به اهداف جهانی آب و هوا، اپراتورهای صنعتی—از نیروگاه‌ها گرفته تا کوره‌های سیمان—باید سیستم‌هایی را نصب کنند که CO2 را قبل از ورود به جو، از گاز خروجی جدا کنند. اما CO2 به صورت بسته‌بندی شده خارج نمی‌شود؛ بلکه با نیتروژن، بخار آب و گازهای دیگر مخلوط است. جداسازی آن نیازمند مقادیر عظیمی انرژی، سرمایه و فضای فیزیکی است.[9]

برای مدیران تأسیسات و سیاست‌گذاران، تصمیم به سه فناوری اصلی خلاصه می‌شود: جذب پس از احتراق، جذب پیش از احتراق و احتراق سوخت اکسیژنی. هر روش در مرحله متفاوتی از فرآیند صنعتی مداخله می‌کند. این انتخاب تعیین می‌کند که یک تأسیسات چقدر برای بهسازی هزینه خواهد کرد، چقدر سوخت اضافی برای تأمین انرژی تجهیزات جذب باید بسوزاند، و در نهایت، هزینه نهایی برق یا مواد تولیدی چقدر خواهد بود. درک مکانیسم‌های این سه مسیر برای ارزیابی دوام هر برنامه کربن‌زدایی در صنایع سنگین ضروری است.[6][9]

جذب پس از احتراق استاندارد صنعتی برای تأسیسات موجود است. همانطور که از نامش پیداست، این روش CO2 را پس از سوختن سوخت فسیلی، از گاز دودکش استخراج می‌کند. گاز خروجی به یک ستون جذب عظیم هدایت می‌شود که در آن یک حلال مایع—معمولاً آمین—به طور شیمیایی به دی‌اکسید کربن متصل می‌شود. گازهای باقی‌مانده، که عمدتاً نیتروژن هستند، به جو تخلیه می‌شوند. سپس حلال غنی از CO2 به یک ستون جداسازی پمپ شده و گرم می‌شود و گاز CO2 خالص را آزاد می‌کند که می‌توان آن را فشرده و منتقل کرد.[3][6]

مزیت اصلی پس از احتراق، مدولار بودن آن است. اپراتورها می‌توانند این سیستم‌ها را بدون تغییر اساسی در فرآیند احتراق اصلی، به نیروگاه‌های موجود زغال‌سنگ یا گاز طبیعی متصل کنند. با این حال، این کارایی با هزینه بالایی همراه است. گرم کردن حلال برای آزادسازی CO2 جذب شده، به مقدار زیادی انرژی حرارتی نیاز دارد. برای حفظ همان سطح تولید برق برای شبکه، نیروگاه باید سوخت به مراتب بیشتری بسوزاند، که به نوبه خود CO2 بیشتری تولید می‌کند که باید جذب شود، و یک حلقه بازخورد پرهزینه ایجاد می‌کند.[3][9]

جذب پیش از احتراق رویکردی کاملاً متفاوت دارد و کربن را قبل از سوختن سوخت حذف می‌کند. این روش عمدتاً در نیروگاه‌های چرخه ترکیبی گازسازی یکپارچه (IGCC) استفاده می‌شود. به جای سوزاندن مستقیم زغال‌سنگ یا گاز، تأسیسات سوخت را با اکسیژن و بخار تحت فشار بالا واکنش می‌دهد تا یک «گاز سنتز» (Syngas) متشکل از مونوکسید کربن و هیدروژن ایجاد کند. یک واکنش ثانویه «تغییر گاز-آب» مونوکسید کربن را به CO2 تبدیل کرده و هیدروژن بیشتری تولید می‌کند.[6][7]

از آنجا که مخلوط گازی حاصل تحت فشار بالا و دارای غلظت بالایی از CO2 است، جداسازی بسیار کارآمدتر از سیستم‌های پس از احتراق است. اپراتورها می‌توانند از حلال‌های فیزیکی استفاده کنند که برای بازسازی به انرژی کمتری نیاز دارند. سپس هیدروژن خالص باقی‌مانده در یک توربین سوزانده می‌شود تا برق تولید کند و تنها بخار آب به عنوان گاز خروجی تولید می‌شود. با این حال، نقص اصلی پیش از احتراق، عدم انعطاف‌پذیری آن است. نمی‌توان آن را به راحتی در نیروگاه‌های استاندارد بهسازی کرد. این روش نیازمند ساخت یک تأسیسات گازسازی تخصصی از پایه است، که آن را به گزینه‌ای بسیار سرمایه‌بر تبدیل می‌کند که برای ساخت‌وسازهای جدید محفوظ است.[6][7]

احتراق سوخت اکسیژنی مسیر سومی را ارائه می‌دهد: تغییر هوا، نه سوخت. احتراق استاندارد، سوخت را در هوای محیط می‌سوزاند که ۷۸٪ آن نیتروژن است. این نیتروژن گاز خروجی را رقیق می‌کند و استخراج CO2 را دشوارتر می‌سازد. سیستم‌های سوخت اکسیژنی این مشکل را با سوزاندن سوخت فسیلی در اکسیژن خالص حل می‌کنند. گاز خروجی حاصل تقریباً به طور کامل CO2 و بخار آب است. خنک کردن گاز خروجی، آب را متراکم می‌کند و جریانی با غلظت بسیار بالای CO2 باقی می‌ماند که قبل از فشرده‌سازی و ذخیره‌سازی، به حداقل فرآوری شیمیایی نیاز دارد.[9]

در حالی که احتراق سوخت اکسیژنی فرآیند جذب را به شدت ساده می‌کند، گلوگاه به بخش ابتدایی کارخانه منتقل می‌شود. تولید اکسیژن خالص در مقیاس صنعتی نیازمند واحد جداسازی هوا (ASU) است. این تأسیسات کرایوژنیک (فوق سرد) هوای محیط را تا دماهای زیر صفر خنک می‌کنند تا اکسیژن را از نیتروژن جدا کنند. واحدهای ASU ساخت بسیار پرهزینه‌ای دارند و برای کار کردن به مقادیر عظیمی برق نیاز دارند، که یک جریمه انرژی ایجاد می‌کند که با الزامات گرمایش حلال در سیستم‌های پس از احتراق رقابت می‌کند.[9]

هنگامی که CO2 جذب شد—صرف نظر از روش—باید به حالت «فوق بحرانی» متراکم و فشرده شود که شبیه به مایع غلیظ است. این کار نیازمند کمپرسورهای تخصصی است که بار انرژی بیشتری به تأسیسات اضافه می‌کنند. سپس CO2 فوق بحرانی، معمولاً از طریق خطوط لوله اختصاصی، به محل ذخیره‌سازی زمین‌شناسی منتقل می‌شود. در آنجا، هزاران فوت زیر زمین به داخل سازندهای سنگی متخلخل، مانند مخازن نفت و گاز تخلیه شده یا آبخوان‌های شور عمیق، تزریق می‌شود، جایی که یک سنگ پوششی نفوذناپذیر از فرار آن به سطح جلوگیری می‌کند.[9]

اقتصاد این فناوری‌ها همچنان بزرگترین مانع برای مقیاس‌پذیری است. افزودن هر شکلی از جذب کربن به یک تأسیسات صنعتی، صرفاً یک هزینه اضافه است. بدون مداخله قاطع دولت، قیمت‌گذاری کربن، یا اعتبارات مالیاتی قابل توجه، محاسبات مالی به ندرت برای اپراتورها توجیه‌پذیر است. مهندسی اثبات شده است، اما این انتقال کاملاً به چارچوب‌های نظارتی متکی است که اتخاذ این سیستم‌های عظیم و پرمصرف انرژی را اجباری یا تشویق می‌کنند.[1][10]