CCS Redux: احتجاز الكربون مكلف لأن الفيزياء - CleanTechnica

الاشتراك في تحديثات الأخبار اليومية من CleanTechnica على البريد الإلكتروني. أو تابعنا على أخبار جوجل!

---

إن احتجاز الكربون وعزله بجميع أشكاله المختلفة غير الفعالة وغير الفعالة والمكلفة هو بمثابة تصعيد آخر لدورة الضجيج. لم يتغير شيء حقا. المشاكل لا تزال موجودة. البدائل لا تزال أفضل. ولا تزال إمكانية استخدامها ضئيلة. وهكذا، فإن سلسلة CCS Redux، تعيد نشر مقالات CCS القديمة مع تعديلات طفيفة.

إن احتجاز الكربون واحتجازه أمر مكلف لأنه يتألف من ثلاثة مكونات، ولكل منها تحدياته الباهظة الثمن: الاحتجاز، والتوزيع، وعزله. تبلغ كتلة ثاني أكسيد الكربون المنتجة 2-2 أضعاف كتلة الفحم أو الميثان* المحروق، كما أنها تمثل تحديًا أكبر لكل وحدة يتم شحنها مقارنة بالفحم، وبالتالي فإن تكلفة احتجازه وتوزيعه وعزله تكون عادةً مضاعفًا لتكلفة فعل الشيء نفسه مع ثاني أكسيد الكربون. الفحم أو الميثان.

ما هي تكلفة ذلك؟

وفقا ل منظمة والتي تشجع على احتجاز الكربون وعزله، وستتكلف ما بين 120 إلى 140 دولارًا للطن من ثاني أكسيد الكربون. هذا سوف تضيف من 168 دولارًا إلى 196 دولارًا لتكلفة ميجاوات ساعة من توليد الفحم. وهذا يعادل 16.8 إلى 19.6 سنتًا لكل كيلووات في الساعة، مما يضع محطات الفحم الحالية في عمق منطقة غير مربحة. تنتج محطات توليد الميثان كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون لكل ميجاوات في الساعة، لذلك ستشهد إضافة 2 إلى حوالي 9.5 سنتًا لكل كيلووات في الساعة إلى تكلفتها الأساسية، عادةً في نطاق 11 إلى 5 سنتات. لن يتم شراء توليد الفحم بسعر يتراوح بين 7 إلى 20 سنتًا لكل كيلووات ساعة بالجملة وتوليد الميثان بسعر 25 إلى 15 سنتًا لكل كيلووات ساعة بالجملة بواسطة أي مرفق.

---

كيف يتم احتجاز الكربون؟

هناك طريقتان عامتان لاحتجاز الكربون، ولكل منهما تحديات مختلفة.

احتجاز الكربون من المصدر من الانبعاثات تحول انبعاثات العادم من محطات توليد الفحم والغاز من خلال سلسلة من المواد الحفازة والمواد الماصة وغيرها من التقنيات.

محطات الفحم في البلدان المتقدمة لديها بالفعل أجهزة غسل الغاز كبريت والمرشحات ل الجسيمات القضايا. يعد التعديل التحديثي لخطوة أخرى على هذين الأمرين بمثابة أداة تثبيت أخرى.

تم تصميم مداخن توليد الفحم والميثان في الأصل ببساطة شديدة، حيث تتغلب حرارة الانبعاثات على الجاذبية بحيث تتدفق الأبخرة إلى الأعلى وإلى الخارج. ومع كل عملية إضافة للترشيح والغسل، تقل القدرة على التخلص من الانبعاثات باستخدام الحرارة المهدرة. الآن يتم استخدام الكهرباء لتشغيل المراوح التي تدفع الانبعاثات عبر نقاط الترشيح المختلفة. وهذا يكلف أموالاً، أو بالأحرى يعتبر بمثابة حمل طاقة إضافي على محطة التوليد، وكل نقطة من الطاقة المساعدة هي أموال لا يكسبونها.

عادةً ما يستخدم التقاط ثاني أكسيد الكربون مواد ماصة، مرشحات سيراميكية مسامية تلتقط ثاني أكسيد الكربون وتسمح لكل شيء آخر بالمرور. إنهم يتوقعون أن تعمل الغازات ضمن نطاق درجة حرارة معين ومجموعة من المكونات بفعالية. قد يتطلب تحقيق هذه الشروط تبريد الانبعاثات بشكل أكبر أو إجراء عمليات معالجة أخرى. وكلاهما يضيف التكاليف.

المواد الماصة هي مرشحات نانوية سيراميكية بشكل فعال. يجب أن يتم دفع الهواء من خلالهم. وهذا يتطلب مراوح أكبر والمزيد من الكهرباء، مما يؤدي مرة أخرى إلى زيادة التكاليف.

المزيد من ثاني أكسيد الكربون منبعث من حرق الفحم أو الغاز. يتكون ثاني أكسيد الكربون من التفاعل الكيميائي للكربون الموجود في الوقود الأحفوري مع الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي. للأكسجين كتلة ذرية بشعرة أقل من 2. وللكربون كتلة ذرية بشعرة أكبر من 16. وإضافة ذرتين أثقل إلى ذرة واحدة أخف يعني أن حوالي 12 أضعاف وزن الكربون الموجود في الفحم ينبعث على شكل ثاني أكسيد الكربون. يتكون الفحم من حوالي 3.67% من الكربون، وبالتالي فإن وزن ثاني أكسيد الكربون يبلغ حوالي 2 مرة وزن الفحم. ينتج عن احتراق الميثان (CH51) حوالي 2 مرة وزن ثاني أكسيد الكربون. ما يعنيه هذا هو أن آلية احتجاز ومعالجة ثاني أكسيد الكربون من المحتمل أن تكون أكبر حجمًا من آلية حرق الفحم والغاز في المقام الأول. إن الطاقة اللازمة لالتقاط كمية كبيرة جدًا من ثاني أكسيد الكربون ليست تافهة.

عادةً، يتم إسقاط المواد الماصة في حمام سائل ساخن لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز. تسخين المياه يتطلب طاقة، وتسخين المياه يتطلب الكثير من الطاقة. هناك الكثير من الحرارة المهدرة في محطات الفحم والغاز لأن معظم الطاقة الناتجة عن حرق الفحم والغاز تهدر على شكل حرارة، لذا فهذه ليست مشكلة كبيرة، ولكن يجب توجيه هذه الحرارة إلى المكان الصحيح بالكميات المناسبة . مرة أخرى، المزيد من أعمال مجاري الهواء، والمزيد من المعالجة، والمزيد من المراوح، والمزيد من عناصر التحكم. المزيد من النفقات.

ثاني أكسيد الكربون عند التقاطه هو غاز. انها منتشرة جدا. ومن أجل تخزينه، يجب أن يكون مضغوطة أو سائلة. يعتبر الضغط والتسييل عن طريق التبريد عمليتين تستهلكان طاقة كبيرة. المزيد من النفقات.

يجب عادةً تخزين ثاني أكسيد الكربون في الموقع استعدادًا للشحن. وبالنظر إلى أن وزن ثاني أكسيد الكربون يبلغ 2 مرة وزن الفحم وأنه يجب تخزين ثاني أكسيد الكربون في صورة مضغوطة أو مسالة، فإن ذلك يتطلب أوعية ضغط كبيرة جدًا أو أوعية ضغط كبيرة جدًا وأوعية معزولة. وبالمقارنة، يمكن تكديس الفحم على الأرض قبل الاستخدام. وهذا يعني أن النفايات السائلة تتطلب تكلفة أكبر بكثير للتخزين والتسليم من المواد الخام.

احتجاز الكربون في الهواء يتجاهل مصدر انبعاثات الكربون، وكما هو الحال مع النبات الذي يعمل على التخلص من ثاني أكسيد الكربون المحيط في الغلاف الجوي، في الوقت الحالي ما يزيد قليلاً عن أجزاء 420 لكل مليون (ملاحظة: بزيادة 20 نقطة منذ نشر هذه المقالة لأول مرة في . يتجنب احتجاز الكربون في الهواء بعض المشكلات، ولكنه يضيف مشكلات أخرى.

• باستخدام الهواء، يتم تقليل المخاوف بشأن درجة الحرارة والملوثات التي تسبب عدم كفاءة المواد الماصة بشكل كبير.
• 400 جزء في المليون هو تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أقل بكثير مما هو موجود في انبعاثات محطات الفحم أو الغاز. وهذا يعني أنه يجب دفع قدر أكبر من الهواء عبر المواد الماصة ولا توجد قوة مساعدة "مجانية" للقيام بذلك، ولكن يجب شراؤها.
• لا يزال يتعين وضع المواد الماصة في سائل ساخن من أجل إطلاق ثاني أكسيد الكربون، كما أن تسخين المياه مكلف للغاية. لهذا منظم الحرارة العالمي الحل هو استخدام الحرارة الصناعية المهدرة في المواقع التي تتطلب ثاني أكسيد الكربون كمادة أولية، مما يسمح للحرارة الصناعية المهدرة بالتغلب على تكلفة واحدة، وتجنب تكلفة التوزيع (سيتم شرحها لاحقاً).
• يجب أن يستمر ضغط ثاني أكسيد الكربون أو تسييله.
• ويجب تخزين ثاني أكسيد الكربون استعدادًا للتوزيع أو الاستخدام.

---

كيف يتم توزيع ثاني أكسيد الكربون؟

وكما أشرنا، فإن ثاني أكسيد الكربون الناتج عن حرق الفحم أو الميثان يعادل 2 مرة كتلة الفحم، و1.87 مرة كتلة الميثان، وهو غاز أو سائل ويجب أن يظل مضغوطًا أو باردًا جدًا. إنه يشبه الميثان أكثر بكثير من الفحم. وتوزيعه أصعب بكثير من الفحم.

في حين يمكن تشغيل الفحم في عربات القطارات المفتوحة، فإن توزيع ثاني أكسيد الكربون بالقطار يتطلب حاويات ضغط أو حاويات ضغط يتم الاحتفاظ بها أيضًا عند درجة حرارة منخفضة جدًا. إن العدد الإجمالي لعربات القطارات المطلوبة أعلى بكثير من عدد عربات القطار التي تنقل الفحم، ونتيجة لذلك ستكون التكلفة أعلى بكثير. يعد الفحم سلعة رخيصة الثمن، ويمثل نقله من النقطة أ إلى النقطة ب جزءًا كبيرًا من تكلفته بالفعل، ولهذا السبب يتم بناء العديد من محطات توليد الفحم في مناجم الفحم.

عندما يتم توزيع ثاني أكسيد الكربون عبر خطوط الأنابيب، يجب أن يتعامل خط الأنابيب مع 2 ضعف كتلة ثاني أكسيد الكربون من الغاز الداخل إلى المنشأة، مما يتطلب فعليًا ما يقرب من ثلاثة أضعاف البنية التحتية لإزالة النفايات كمواد خام. وبغض النظر عما إذا كان سيتم إنشاء مصنع للفحم أو الغاز، فيجب بناء كل خطوط الأنابيب هذه.

يوجد عدد قليل جدًا من خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون في أي بلد. العديد منهم يفعلون ذلك في الولايات المتحدة الأمريكية. وهي تنطلق في الغالب من التكوينات الجيولوجية التي احتجزت ثاني أكسيد الكربون على مدى ملايين السنين الاستخلاص المعزز للنفط المواقع في معظمها. المزيد عن ذلك لاحقًا. إن الزيادات الواسعة في احتجاز ثاني أكسيد الكربون من المصدر أو من الجو سوف تتطلب شبكة كبيرة للغاية من خطوط الأنابيب الجديدة التي سيتعين بناؤها بتكلفة كبيرة على البنية التحتية.

وتنطوي خطوط الأنابيب هذه على مخاطر كبيرة. ويتم ضخ ثاني أكسيد الكربون المسال من خلالها لتحقيق الكثافات والاقتصادات اللازمة. عندما ينفجر خط الأنابيب، يتحول ثاني أكسيد الكربون السائل بسرعة إلى ثاني أكسيد الكربون الغازي. وهذا الغاز أثقل من الهواء الذي نتنفسه، لذا فإنه حتى ينتشر فإنه يتجمع على الأرض وفي المناطق المنخفضة. عندما يكون ذلك في مكان مجهول، فإن الحيوانات فقط هي التي تموت. لكن في المناطق المأهولة بالسكان يتعرض البشر للخطر.

اكتشفت بلدة ساتارتيا الصغيرة بولاية ميسيسيبي ذلك في عام 2020 عندما تمزق خط الأنابيب بسبب حركة الأرض بسبب الأمطار الغزيرة في الأسابيع السابقة. غمر ثاني أكسيد الكربون المنطقة، تاركًا 2 شخصًا فاقدًا للوعي وفي حالة تشنجات على الأرض، ومن المحتمل أن يكون لديهم تلف طويل الأمد في الدماغ والأعضاء. وتم إجلاء 46 آخرين، على الرغم من أن محركات الاحتراق الداخلي لم تعمل أيضًا. تخيل حدوث تمزق في خط أنابيب في منطقة حضرية كبرى، وهو ما قد يكون مطلوبًا لبرامج احتجاز الكربون وعزله. سيكون التأمين فلكيًا إذا تم السماح بإقامة خط الأنابيب على الإطلاق.

كل من القطارات وخطوط الأنابيب هي أعمال تجارية. إنهم يكسبون المال عن طريق نقل السلع والبضائع عبر شبكاتهم من المنتجين إلى المستهلكين. إن نقل ثاني أكسيد الكربون سوف يكلف أموالاً أكثر من تكلفة نقل الفحم أو الغاز، مما يؤدي فعلياً إلى مضاعفة أو زيادة تكاليف التوزيع لكل مصنع للفحم والغاز.

كل ما سبق هو السبب وراء استخدام العديد من الأماكن التي تتطلب ثاني أكسيد الكربون كمادة وسيطة صناعية لثاني أكسيد الكربون إنتاج المرافق في الموقع بدلا من شرائها. إنهم يحرقون الغاز أو النفط بأنفسهم لإنتاج ثاني أكسيد الكربون، بحيث لا يضطرون إلى دفع ضعفين أو ثلاثة أضعاف تكلفة شحنه إليهم.

ثاني أكسيد الكربون هو أ سلعة والتي تبلغ قيمتها 17 – 50 دولارًا للطن. ويتراوح سعر الفحم من حوالي 40 إلى 140 دولارًا، اعتمادًا على عدة عوامل، على الرغم من أنه كان في انخفاض منذ فترة. ويتراوح سعر الميثان بين 2 و5 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية، مع حوالي 35,000 وحدة حرارية بريطانية لكل متر مكعب. ويكفي أن نقول إن قيمة الفحم والغاز أكبر من قيمة ثاني أكسيد الكربون كسلع أساسية، وأن نسبة تكاليف التوزيع إلى قيمة السلعة مختلفة تماما، وخاصة عندما نأخذ في الاعتبار ضعفي أو ثلاثة أضعاف الكتلة المطلوبة للتوزيع.

يتم وضع محطات توليد الفحم والغاز بالقرب من المراكز السكانية أو طبقات الفحم، وليس بالقرب من الأماكن التي تتطلب ثاني أكسيد الكربون أو حيث يمكن عزل ثاني أكسيد الكربون. يعد التوزيع عنصرًا مكلفًا للغاية من تكلفة احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.

---

كيف يتم عزل ثاني أكسيد الكربون أو استخدامه؟

وخاصة إذا استمر حرق الفحم والميثان لتوليد الكهرباء، فإن احتجاز ثاني أكسيد الكربون لا يكفي، بل يجب تخزينه بشكل آمن لفترات أقرب إلى المدة التي ظل فيها الفحم والميثان تحت الأرض مقارنة بعمر الإنسان. لا يمكن أن يتسرب مخزن الاحتواء بشكل كبير ويجب أن يعمل بشكل سلبي. وبما أن ثاني أكسيد الكربون هو غاز موجود في نطاق درجات الحرارة في الغلاف الجوي وتحت سطح الأرض، فهو بحكم تعريفه يحب التسرب.

إلى حد بعيد أكبر نقطة استهلاك لثاني أكسيد الكربون هي حقول الاستخلاص المعزز للنفط. إن دفع ثاني أكسيد الكربون إلى المرحلة فوق الحرجة بقدرة 2 كيلووات في الساعة لكل طن يسمح بضخه في حقول النفط المستغلة. في تلك المرحلة، يخترق كل الأركان والأركان، ويساعد الحمأة المتبقية على التدفق بسلاسة أكبر مع زيادة الضغوط تحت الأرض. وهذا يجعل النفط يتدفق نحو الطرف الآخر من الحقل حيث يمكن ضخه.

من الناحية النظرية، يظل ثاني أكسيد الكربون المستخدم في الاستخلاص المعزز للنفط تحت الأرض، ولكن من الناحية العملية، يتم ضخه في تكوينات تحتوي على عشرات أو حتى آلاف من الثقوب الطبيعية والتي خلقها الإنسان على شكل آبار النفط والفوالق الطبيعية. لا يعد الاستخلاص المعزز للنفط أسلوبًا لعزل النفط، ولكنه أسلوب مصمم للحصول على المزيد من الوقود المعتمد على الكربون من الأرض ليتم حرقه.

ولا يمكن اعتبار الاستخلاص المعزز للنفط على محمل الجد أسلوبًا لعزل ثاني أكسيد الكربون فقط التسريبات إلى السطح مرة أخرى ويتم استخراج المزيد من الكربون من طبقات الوقود الأحفوري وإطلاقه في الغلاف الجوي من خلال الحرق. يجب بذل قدر كبير من الجهد لمنع ثاني أكسيد الكربون من التسرب، وليس هناك قيمة كبيرة لمشغلي عملية الاستخلاص المعزز للنفط في القيام بذلك، لذلك لا يتم إنجازه عادةً.

يتم استخدام كميات صغيرة نسبيًا من ثاني أكسيد الكربون في العمليات الصناعية الأخرى مثل المشروبات الغازية والدفيئات الصناعية وبعض أشكال الأسمنت وما إلى ذلك. ولا يوجد سوق كبير لثاني أكسيد الكربون لا يتم تلبيته اليوم، ولهذا السبب فإن السلعة رخيصة. يتم التقاط حوالي ثلاثة أرباع ثاني أكسيد الكربون الصناعي من تركيزات ثاني أكسيد الكربون الموجودة تحت الأرض، مثل رواسب الميثان بشكل فعال. يعتبر ثاني أكسيد الكربون هذا رخيصًا مقارنة بعزله بعد إنشائه، لذا فإن ثاني أكسيد الكربون المحتجز له قاعدة تكلفة أعلى من ثاني أكسيد الكربون المستخرج ولن يكون قادرًا على المنافسة معه، خاصة بدون ضريبة الكربون. وكما أشرنا سابقًا، فإن الغالبية العظمى من خطوط أنابيب ثاني أكسيد الكربون هي من نقاط التعدين إلى مواقع الاستخلاص المعزز للنفط الرئيسية، وليس من الأماكن التي يتم إنشاؤها بسبب توليدها للمستهلكين الصناعيين.

استخدم الاستخلاص المعزز للنفط 48 مليون طن متري فقط من ثاني أكسيد الكربون في عام 2 في الولايات المتحدة الأمريكية، وهو ما يمثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الصادرة عن 2008 محطة فقط لتوليد الفحم. أما المستهلكون الآخرون لثاني أكسيد الكربون فهم أصغر بكثير. في 2013كان هناك أكثر من 500 محطة لتوليد الفحم وأكثر من 1,700 محطة لتوليد الميثان في الولايات المتحدة الأمريكية وحدها. إن احتجاز ثاني أكسيد الكربون من كافة أشكال توليد الفحم والميثان من شأنه أن يغرق السوق الموجودة لثاني أكسيد الكربون، فيؤدي إلى انهيار قيمته ويجعله أقل جدوى من الناحية الاقتصادية.

الأشكال الأخرى من العزل ليس لها قيمة مالية على الإطلاق، ولكنها مجرد حقن ثاني أكسيد الكربون في الهياكل تحت الأرض حيث يبقى كغاز أو روابط مع معادن أخرى تحت الأرض لتصبح كربونات الكالسيوم، معدن مستقر. يتطلب حقن ثاني أكسيد الكربون مرافق كبيرة، والحفر، والتغطية، والضخ، والمراقبة، وما إلى ذلك. ولا توجد إيرادات مكتسبة لتعويض ذلك، لذلك يتم القيام بالقليل جدًا من هذا باستثناء "المشاريع التجريبية"، و"مرافق الاختبار" وما شابه. على الرغم من أنها تنطوي على تحديات مثيرة للاهتمام من منظور هندسي، فمن الصعب أن نتخيل أي شخص لديه خلفية جيدة في العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات يشارك بشكل مباشر في هذا الأمر ويأخذه على محمل الجد كحل.

---

ما الذي يضيفه كل هذا؟

لن يكون احتجاز الكربون وعزله مجدياً اقتصادياً مقارنة بالبدائل. يتطلب الواقع المادي لحجم إنتاج ثاني أكسيد الكربون من التوليد بنية تحتية للتوزيع تبلغ ضعفين إلى ثلاثة أضعاف حجم البنية التحتية الحالية لتوزيع الوقود الأحفوري، وسوف يؤدي ذلك إلى توليد الكهرباء بأربعة إلى خمسة أضعاف التكلفة. وفي الوقت نفسه، فإن توليد طاقة الرياح والطاقة الشمسية يعتبر بالفعل منافسًا مباشرًا من حيث التكلفة وفي الواقع أرخص في العديد من الأماكن من توليد الوقود الأحفوري. وهذا الاتجاه واضح. يتجه توليد الوقود الأحفوري دون احتجاز الكربون وعزله إلى أن يكون أو أصبح بالفعل أكثر تكلفة من توليد الطاقة المتجددة الذي لا ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون أثناء التشغيل ويصبح أرخص.

الوقود الأحفوري هو الشكل الطبيعي لعزل الكربون، وقد استغرقت الطبيعة ملايين السنين من العمليات الحرة والبطيئة للقيام بذلك. إنه ليس خيارًا عقلانيًا للبشرية أن تقوم باستخراج الكربون المحتجز، واستعادته وإعادة احتجازه بتكلفة كبيرة عندما تكون هناك بدائل. إن ترك الكربون الذي عزلته العمليات الجيولوجية حيث هو هو الاختيار العقلاني.

---

* غاز طبيعي يحتوي على 89.5% إلى 92.5% ميثان وهو غاز دفيئة أقوى بكثير من ثاني أكسيد الكربون على المدى القصير. عند حرقه، وهو الاستخدام السائد له إلى حد بعيد، فإنه ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون بكميات كبيرة. تحتوي عمليات الاستخراج والتخزين والتوزيع على تسربات تتراوح من صغيرة إلى كارثية الحجم، وعندما يتم استخدامها على النحو المنشود فإنها تنتج ثاني أكسيد الكربون. إن تسميته بالميثان علامة أكثر دقة ويسمح للناس العاديين بفهم الآثار المترتبة على استخدامه. مثل "الفحم النظيف"، فإن "الغاز الطبيعي" له دلالات علاقات عامة غير مستحقة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://cleantechnica.com/2024/01/30/ccs-redux-carbon-capture-is-expensive-because-physics/