Использование углерода превращает отходы в ценность

Улавливание углерода — это новый ответ на сокращение промышленных выбросов парниковых газов (ПГ). После улавливания углекислого газа из технологических выхлопных потоков он обычно транспортируется из места своего происхождения для долгосрочного хранения под землей. Однако технология и постоянный мониторинг мест хранения являются дорогостоящими.

Чтобы частично компенсировать расходы, собранный CO₂ можно было бы повторно использовать для создания ценности, а не просто хранить. Эта практика, известная как переработка углерода, относится к более широкому направлению улавливания, использования и хранения углерода (CCUS), коллективному решению, которое поможет достичь нулевых выбросов к 2050 году и смягчить климатические угрозы.

Сегодня промышленность ежегодно собирает 45 миллионов метрических тонн углекислого газа из потоков выхлопных газов отходов, что составляет около 0,1% мировых выбросов всех секторов. Согласно климатическим моделям Межправительственной группы экспертов по изменению климата и Международного энергетического агентства, CCUS может улавливать ошеломляющие 1 миллиард метрических тонн CO₂ в год к 2030 году и несколько миллиардов тонн к 2050 году. Если выбросы углекислого газа от промышленности и других секторов останутся примерно такими же, когда эта возможность будет достигнута, это может сократить выбросы парниковых газов в атмосферу примерно на 10%.

Технологии CCUS требуют надежного измерения в критических точках для обеспечения качества и безопасности процесса. Обычно он включает в себя уровень, поток, температуру, давление, анализ жидкости и, все чаще, анализ газа с использованием спектроскопических рамановских и TDLAS-анализаторов.

Учитывая высокую стоимость улавливания CO₂, возможность преобразования значительных объемов этого газа в ценный продукт представляет интерес для переработчиков, внедряющих технологии CCUS. Применения и отрасли, которые могут извлечь выгоду из утилизации углерода, многочисленны и включают, но не ограничиваются, следующими примерами:

Строительная отрасль, известная своим значительным потреблением энергии и выбросами углерода, может использовать улавливание и использование углерода для создания более устойчивых строительных материалов. Традиционные процессы производства цемента нагревают материалы до температуры свыше 1450 °C (2642 °F), как правило, с использованием тяжелого мазута, угля, природного газа или других видов топлива, полученных из отходов. Кроме того, химическая реакция, обычно используемая для производства цемента, требует преобразования карбоната кальция в соединения, подобные оксиду кальция, что приводит к образованию CO₂ в качестве побочного продукта. В совокупности эти выбросы отвечают примерно за 7% мирового производства парниковых газов.

Однако это можно смягчить, собирая углекислый газ из потока отработанных газов с помощью обработки аминового газа и вводя его в свежий бетон во время процесса смешивания. Введенный CO₂ реагирует с ионами кальция, присутствующими в бетонной смеси, образуя карбонат кальция, природный связующий агент. Это обогащает бетон, увеличивая его прочность на сжатие и постоянно связывая углекислый газ, устраняя необходимость хранения и мониторинга в геологических формациях.

Это повышение прочности бетона позволяет сократить материалы в строительных проектах, обеспечивая экономию, частично компенсирующую стоимость обработки амином. Кроме того, впрыск CO₂ может быть интегрирован в существующие процессы производства бетона с минимальными изменениями в существующей инфраструктуре.

Углекислый газ также может быть использован для создания синтетических заполнителей, ключевого компонента бетона, заменяющих традиционные заполнители, добываемые из земли. Кроме того, новые новаторы изучают разработку биооснованных углеродно-отрицательных альтернатив бетону, в которых производственный процесс поглощает больше CO₂, чем выделяет.

Транспортный сектор, в значительной степени зависящий от ископаемого топлива, может получить значительные выгоды от устойчивого развития за счет использования углерода. С помощью различных химических процессов, уловленный CO₂ может быть преобразован в возобновляемые виды топлива, такие как метанол и устойчивое авиационное топливо (SAF), помогая сократить углеродный след отрасли.

Для производства возобновляемого метанола захваченный диоксид углерода реагирует с зеленым водородом в присутствии катализатора при высокой температуре и давлении. Метанол может использоваться либо как прямое топливо для автомобилей, либо как сырье для других видов топлива, таких как биодизель.

S&P Global прогнозирует, что рынок возобновляемого метанола достигнет 400 миллионов метрических тонн в год к 2050 году, что демонстрирует его огромный потенциал. Однако существуют проблемы с использованием метанола в транспортной отрасли, включая необходимость специализированной инфраструктуры.

Аналогичным образом, авиационная промышленность изучает возможность использования SAF, полученного из уловленного CO₂, чтобы снизить свою зависимость от ископаемого топлива. Для производства SAF уловленный диоксид углерода сначала соединяется с водородом в процессе, называемом обратной конверсией водяного газа, создавая синтез-газ, смесь оксида углерода и водорода.

Далее синтез-газ преобразуется в смесь углеводородов с использованием процесса Фишера-Тропша, а смесь углеводородов подвергается гидроочистке для удаления примесей и корректировки свойств топлива. Характеристики авиационного топлива, включая энергосодержание, температуру вспышки и температуру замерзания, должны тщательно контролироваться и фиксироваться.

Международная ассоциация воздушного транспорта подсчитала, что хотя технология SAF пока еще находится на ранней стадии разработки, она может способствовать сокращению выбросов парниковых газов в авиации на 65%.

Химическая промышленность в настоящее время в значительной степени зависит от ископаемого топлива, но углекислый газ может быть использован в качестве альтернативного сырья во многих случаях для производства широкого спектра химикатов и полимеров. К ним относятся удобрения, мочевина, пластмассы и упаковочные материалы.

При реакции CO₂ с аммиаком под высоким давлением и температурой образуется карбамат аммония. При разложении этого химиката образуются мочевина и вода, которые затем можно перерабатывать и гранулировать в твердую форму для использования в качестве удобрения.

Углекислый газ также может использоваться для производства поликарбонатов. Эти прочные и прозрачные полимеры обычно используются в электронике, очках и автомобильных деталях. Эти полимеры образуются путем прямой реакции CO₂ с эпоксидами, типом циклического эфира, в присутствии катализатора.

Производство полиуретана — еще одно ведущее применение диоксида углерода в химической промышленности. Известные своей универсальностью и применением в пенах, покрытиях и изоляции, полиуретаны традиционно производятся с использованием полиолов, полученных из ископаемого топлива. Однако переработчики могут заменить их полиолами на основе диоксида углерода, что снижает зависимость от обычного топлива и снижает углеродный след полиуретановых изделий.

Эти устойчивые методы циклической экономики выглядят многообещающе, но они сталкиваются с трудностями, конкурируя с традиционным производством на основе ископаемого топлива из-за более высоких затрат, связанных с улавливанием углерода.

Сельскохозяйственный сектор также может извлечь выгоду из использования углерода посредством применения мочевинных удобрений и прямого использования. Углекислый газ может обогащать тепличную среду для улучшения роста растений и повышения урожайности. Более того, уловленный CO₂ может использоваться для выращивания водорослей, которые могут быть переработаны в биотопливо, корм для животных и продукты питания.

Несмотря на свой устойчивый потенциал, внедрение CCUS сталкивается с существенными препятствиями. Технологии улавливания углерода, в частности, требуют больших затрат на внедрение. Масштабирование производства для сокращения выбросов парниковых газов потребует значительных инвестиций в инфраструктуру и развитие рынка. Правительствам и неправительственным организациям, вероятно, придется вложить значительную часть необходимого капитала.

Кроме того, обеспечение общей устойчивости улавливания и использования углерода требует питания процессов энергией, полученной из возобновляемых источников. Использование ископаемого топлива для питания технологий CCUS было бы контрпродуктивным, сводя на нет экологические преимущества.

Со временем исследования и разработки помогут оптимизировать процессы и повысить эффективность, снижая эксплуатационные расходы технологии CCUS. Экономическая жизнеспособность или, по крайней мере, низкозатратное улавливание углерода имеет решающее значение для ее широкого внедрения в промышленности, особенно с учетом того, что все больше компаний и потребителей во всем мире ценят устойчивость.

Дальнейшие исследования в области улавливания и использования углерода могут помочь сократить выбросы парниковых газов и превратить вредный побочный продукт в ценный ресурс. Утилизация углерода является одним из многих способов сокращения выбросов углекислого газа в различных отраслях промышленности, способствуя более устойчивому будущему.