مکانیسم‌های جذب کربن: مقایسه سیستم‌های جذب مستقیم هوا و جذب از منبع نقطه‌ای

با غلظت ۴۲۰ ذره در میلیون، دی‌اکسید کربن تنها ۰.۰۴ درصد از جو زمین را تشکیل می‌دهد. استخراج آن در این غلظت از نظر ترمودینامیکی معادل یافتن و حذف یک قطره جوهر حل شده در یک استخر شنا است. با این حال، تأسیساتی که دقیقاً برای انجام این کار طراحی شده‌اند – کارخانه‌های جذب مستقیم هوا (DAC) – در حال حاضر از تگزاس تا ایسلند در حال ساخت هستند. این تأسیسات نیمی از معادله مکانیکی جذب کربن را تشکیل می‌دهند. نیمه دیگر، جذب از منبع نقطه‌ای، در محل انتشار عمل می‌کند و کربن را قبل از رسیدن به جو رهگیری می‌کند.[1]

تمایز بین این دو رویکرد صرفاً لغوی نیست؛ بلکه نشان‌دهنده یک واگرایی اساسی در مهندسی، الزامات انرژی و دوام اقتصادی است. جذب از منبع نقطه‌ای یک ابزار کاهش است که برای متوقف کردن انتشار از تأسیسات صنعتی مانند کوره‌های سیمان و کارخانه‌های فولاد طراحی شده است. جذب مستقیم هوا یک ابزار اصلاحی است که برای کاهش غلظت اتمسفری انتشار گازهای تاریخی طراحی شده است. هر دو بر اصول شیمیایی مشابهی تکیه دارند، اما در مقیاس‌های کارایی بسیار متفاوتی عمل می‌کنند.[4][6]

سیستم‌های جذب از منبع نقطه‌ای مستقیماً در زیرساخت اگزوز نیروگاه‌ها یا صنایع سنگین ادغام می‌شوند. هنگامی که یک تأسیسات سوخت‌های فسیلی را می‌سوزاند یا سنگ آهک را فرآوری می‌کند، گاز دودکش حاصله به شدت با دی‌اکسید کربن غلیظ می‌شود – اغلب بین ۵ تا ۱۵ درصد حجمی. این غلظت بالا یک مزیت ترمودینامیکی محسوب می‌شود. گاز اگزوز خنک شده و از طریق یک حلال مایع، معمولاً محلول آمین، عبور داده می‌شود که از نظر شیمیایی به مولکول‌های دی‌اکسید کربن متصل می‌شود و در عین حال اجازه می‌دهد نیتروژن و بخار آب خارج شوند.[3]

هنگامی که حلال اشباع شد، به یک واحد بازسازی، که اغلب «جداکننده» (stripper) نامیده می‌شود، پمپ می‌شود. در اینجا، سیستم گرما – معمولاً بین ۱۲۰ تا ۱۴۰ درجه سانتی‌گراد – اعمال می‌کند تا پیوند شیمیایی شکسته شود و جریانی خالص از گاز دی‌اکسید کربن آزاد شود. سپس حلال بازسازی شده به محفظه جذب بازگردانده می‌شود، در حالی که دی‌اکسید کربن جذب شده برای انتقال از طریق خط لوله و ذخیره‌سازی نهایی زمین‌شناسی عمیق، به یک سیال فوق بحرانی فشرده می‌شود. از آنجا که غلظت اولیه دی‌اکسید کربن نسبتاً بالا است، انرژی مورد نیاز برای جداسازی آن قابل مدیریت است، اگرچه همچنان یک جریمه انرژی بر تأسیسات میزبان تحمیل می‌کند.[3][5]

جذب مستقیم هوا نیز بر اساس یک چرخه جذب-بازسازی مشابه عمل می‌کند، اما با یک چالش ترمودینامیکی بسیار دشوارتر روبرو است. از آنجا که دی‌اکسید کربن اتمسفری بسیار رقیق است، تأسیسات جذب مستقیم هوا باید حجم عظیمی از هوا را پردازش کنند تا مقدار قابل توجهی کربن جذب شود. آرایه‌های عظیمی از فن‌های صنعتی، هوای محیط را از روی فیلتری که با یک حلال مایع، مانند هیدروکسید پتاسیم، یا یک جاذب جامد پوشانده شده است، می‌کشند.[1][2]

انرژی مورد نیاز برای جابجایی میلیون‌ها متر مکعب هوا قابل توجه است، اما مرحله بازسازی جایی است که نیازهای انرژی جذب مستقیم هوا واقعاً افزایش می‌یابد. سیستم‌های جذب مستقیم هوا با حلال مایع نیاز به گرم کردن محلول جذب شده تا نزدیک به ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد دارند تا دی‌اکسید کربن آزاد شود، دمایی که معمولاً مستلزم سوزاندن گاز طبیعی است و انتشار گازهای حاصل نیز باید جذب شود. سیستم‌های جاذب جامد در دماهای پایین‌تر – حدود ۸۰ تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد – کار می‌کنند که می‌تواند توسط گرمای اتلافی یا برق تجدیدپذیر تأمین شود، اما برای آزادسازی گاز به یک محیط خلأ نیاز دارند که پیچیدگی مکانیکی را اضافه می‌کند.[1]

تفاوت ترمودینامیکی بین غلظت ۱۵ درصدی در یک منبع نقطه‌ای و غلظت ۰.۰۴ درصدی در جو، اقتصاد جذب کربن را تعیین می‌کند. بر اساس گزارش دفتر بودجه کنگره، جذب کربن در یک منبع نقطه‌ای مانند یک کارخانه فرآوری گاز طبیعی یا یک تأسیسات سیمان، بین ۱۵ تا ۱۲۰ دلار به ازای هر تن متریک هزینه دارد. جریمه انرژی – سوخت اضافی مورد نیاز برای راه‌اندازی تجهیزات جذب – بین ۱۰ تا ۳۰ درصد از کل خروجی کارخانه متغیر است.[3][6]

در مقابل، آژانس بین‌المللی انرژی تخمین می‌زند که جذب مستقیم هوا در حال حاضر بین ۱۳۵ تا ۳۴۰ دلار به ازای هر تن متریک هزینه دارد، و برخی از تأسیسات تجاری در مراحل اولیه هزینه‌هایی نزدیک به ۶۰۰ دلار در هر تن را گزارش کرده‌اند. انرژی مورد نیاز برای جذب یک تن دی‌اکسید کربن از هوای محیط تقریباً سه تا چهار برابر بیشتر از جذب آن از یک جریان گاز دودکش غلیظ است. این انرژی باید از منابع کربن صفر تأمین شود؛ در غیر این صورت، انتشار گازهای گلخانه‌ای تولید شده توسط تأمین برق کارخانه جذب مستقیم هوا، کربنی را که حذف می‌کند، خنثی خواهد کرد.[1][2][6]

صرف نظر از نحوه جذب دی‌اکسید کربن، مرحله نهایی در فرآیند مکانیکی جذب کربن یکسان است: جداسازی دائمی. دی‌اکسید کربن فشرده شده به عمق زمین در سازندهای سنگی متخلخل، مانند آبخوان‌های شور یا مخازن نفت و گاز تخلیه شده، تزریق می‌شود. یک سنگ پوششی نفوذناپذیر از جنس شیل از مهاجرت گاز به سمت بالا جلوگیری می‌کند. با گذشت زمان، دی‌اکسید کربن در آب شور اطراف حل می‌شود و در نهایت با سنگ واکنش داده و مواد معدنی کربنات جامد را تشکیل می‌دهد و آن را به طور دائمی حبس می‌کند.[5]

مدل‌های هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم نشان می‌دهند که هر دو فناوری برای محدود کردن گرمایش جهانی به ۱.۵ درجه سانتی‌گراد ضروری هستند. جذب از منبع نقطه‌ای برای کربن‌زدایی صنایع سنگین که انتشار گازها ذاتی فرآیند شیمیایی آن‌ها است، حیاتی است؛ مانند تولید سیمان که تقریباً ۸ درصد از انتشار جهانی دی‌اکسید کربن را تشکیل می‌دهد. این یک فناوری انتقالی است که از ورود کربن جدید به سیستم جلوگیری می‌کند.[5]

در همین حال، جذب مستقیم هوا هدف استراتژیک متفاوتی را دنبال می‌کند. این فناوری برای جبران انتشار گازها از بخش‌هایی که کاهش انتشار در آن‌ها دشوار است، مانند هوانوردی و کشاورزی، که در آن‌ها جذب از منبع نقطه‌ای عملاً غیرممکن است، مورد نیاز است. مهم‌تر از آن، جذب مستقیم هوا یکی از معدود مسیرهای فناورانه است که قادر به تولید انتشار منفی است – یعنی کاهش فعالانه حجم کل کربن موجود در جو برای اصلاح تجاوزات تاریخی.[4]

ابهام اصلی در مورد هر دو فناوری، سرعت مقیاس‌بندی است. در حالی که جذب از منبع نقطه‌ای برای دهه‌ها در صنعت نفت و گاز استفاده شده است، نوسازی نیروگاه‌ها و تأسیسات صنعتی موجود از نظر مالی و لجستیکی پیچیده بوده است. برای جذب مستقیم هوا، چالش اصلی کاهش هزینه سطح‌بندی شده جذب از طریق صرفه‌جویی‌های مقیاس تولید، و در عین حال تأمین مقادیر عظیمی از انرژی پاک و آب مورد نیاز برای راه‌اندازی تأسیسات است.[1][3]

در نهایت، مکانیسم‌های جذب کربن، سلسله مراتبی از استقرار را دیکته می‌کنند. به دلیل انرژی زیادی که برای جداسازی کربن رقیق از جو مورد نیاز است، جذب مستقیم هوا نمی‌تواند جایگزینی برای کاهش انتشار از منبع نقطه‌ای باشد. کارآمدترین راه برای مدیریت کربن، جلوگیری از پراکندگی آن در وهله اول است؛ جمع‌آوری آن پس از پراکندگی همیشه یک راه حل پر انرژی و آخرین چاره خواهد بود.[6]