Direkt luftinfångning

Flödesdiagram över direkt luftinfångningsprocess med användning av natriumhydroxid som absorbent och inklusive lösningsmedelsregenerering

Direkt luftinfångning ( DAC ) är användningen av kemiska eller fysikaliska processer för att extrahera koldioxid direkt från den omgivande luften. Om den utvunna CO ₂ sedan binds i säker långtidslagring (kallad direkt luftavskiljning och lagring av koldioxid (DACCS) ), kommer den övergripande processen att uppnå koldioxidavlägsnande och vara en "negativ utsläppsteknik" (NET). Från och med 2022 har DAC ännu inte blivit lönsamt eftersom kostnaden för att använda DAC för att binda koldioxid är flera gånger koldioxidpriset .

Koldioxiden (CO ₂ ) fångas upp direkt från den omgivande luften; detta står i motsats till avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) som fångar upp CO2 från punktkällor , som en cementfabrik eller en bioenergianläggning . Efter fångsten genererar DAC en koncentrerad ström av CO ₂ för lagring eller utnyttjande eller produktion av kolneutralt bränsle och vindgas . Avlägsnande av koldioxid uppnås när omgivande luft kommer i kontakt med kemiska medier, vanligtvis ett vattenhaltigt alkaliskt lösningsmedel eller sorbenter . Dessa kemiska medier avskalas sedan från CO ₂ genom applicering av energi (nämligen värme), vilket resulterar i en CO ₂ -ström som kan genomgå uttorkning och komprimering, samtidigt som de kemiska medierna regenereras för återanvändning.

I kombination med långtidslagring av CO ₂ kallas DAC för direkt luftavskiljning och lagring av koldioxid ( DACCS eller DACS ). Det skulle krävas förnybar energi för att driva eftersom ungefär 400 kJ arbete behövs per mol CO ₂ -avskiljning. DACCS kan fungera som en koldioxidavlägsnande mekanism (eller en koldioxidnegativ teknik), även om den från 2022 ännu inte är lönsam eftersom kostnaden per ton koldioxid är flera gånger koldioxidpriset .

DAC föreslogs 1999 och är fortfarande under utveckling. Flera kommersiella anläggningar är planerade eller i drift i Europa och USA. Storskalig DAC-utbyggnad kan påskyndas när den är kopplad till ekonomiska applikationer eller politiska incitament.

I motsats till carbon capture and storage (CCS) som fångar upp utsläpp från en punktkälla som en fabrik, minskar DAC koldioxidkoncentrationen i atmosfären som helhet. Vanligtvis rekommenderas CCS för stora och stationära källor av CO ₂ snarare än distribuerade och rörliga. Tvärtom har DAC ingen begränsning av källor.

Metoder för fångst

Internationella energibyrån rapporterade tillväxt i den globala operativa kapaciteten för direkt luftfångst.

De flesta kommersiella tekniker kräver stora fläktar för att trycka omgivande luft genom ett filter. På senare tid har det irländska företaget Carbon Collect Limited utvecklat MechanicalTree™ som helt enkelt står i vinden för att fånga upp CO ₂ . Företaget hävdar att denna "passiva avskiljning" av CO ₂ avsevärt minskar energikostnaden för Direct Air Capture, och att dess geometri lämpar sig för skalning för gigaton CO ₂ -avskiljning.

De flesta kommersiella tekniker använder ett flytande lösningsmedel - vanligtvis aminbaserat eller kaustik - för att absorbera CO ₂ från en gas. Till exempel ett vanligt kaustikt lösningsmedel: natriumhydroxid reagerar med CO ₂ och fäller ut ett stabilt natriumkarbonat . Detta karbonat upphettas för att producera en mycket ren gasformig CO ₂ -ström. Natriumhydroxid kan återvinnas från natriumkarbonat i en kausticeringsprocess . Alternativt binder CO ₂ till fast sorbent under kemisorptionsprocessen . Genom värme och vakuum desorberas sedan CO _{2 från det fasta ämnet.}

Bland de specifika kemiska processer som undersöks sticker tre ut: kausticisering med alkali- och jordalkalihydroxider, karbonatisering och organiska-oorganiska hybridsorbenter bestående av aminer uppburna i porösa adsorbenter .

Andra utforskade metoder

Idén att använda många små dispergerade DAC- skrubbers - analogt med levande växter - för att skapa en miljömässigt betydande minskning av CO ₂ -nivåerna, har gett tekniken ett namn på konstgjorda träd i populära medier.

Fuktsvängande sorbent

I en cyklisk process designad 2012 av professor Klaus Lackner , chef för Center for Negative Carbon Emissions (CNCE) , kan utspädd CO _{2 effektivt separeras med ett} anjonbytespolymerharts som kallas Marathon MSA, som absorberar luft CO ₂ när det är torrt, och släpper ut den när den utsätts för fukt. En stor del av energin för processen tillförs av vattnets latenta värme från fasbyte. Tekniken kräver ytterligare forskning för att fastställa dess kostnadseffektivitet.

Metall-organiska ramverk

Andra ämnen som kan användas är metallorganiska ramverk (eller MOF).

Membran

Membranseparation av CO ₂ är beroende av semipermeabla membran. Denna metod kräver lite vatten och har ett mindre fotavtryck.

Miljöpåverkan

Förespråkare av DAC hävdar att det är en viktig komponent för att mildra klimatförändringarna . Forskare hävdar att DAC skulle kunna bidra till målen i Parisavtalet (nämligen att begränsa ökningen av den globala medeltemperaturen till långt under 2 °C över förindustriella nivåer). Andra hävdar dock att det är riskabelt att förlita sig på denna teknik och kan skjuta upp utsläppsminskningar med tanke på att det kommer att vara möjligt att åtgärda problemet senare, och föreslår att en minskning av utsläppen kan vara en bättre lösning.

DAC som förlitar sig på aminbaserad absorption kräver betydande vattentillförsel. Det uppskattades att för att fånga upp 3,3 gigaton CO ₂ per år skulle det krävas 300 km ³ vatten, eller 4 % av vattnet som används för bevattning . Å andra sidan kräver natriumhydroxid mycket mindre vatten, men själva ämnet är mycket frätande och farligt.

DAC kräver också mycket större energitillförsel jämfört med traditionell avskiljning från punktkällor, som rökgas , på grund av den låga koncentrationen av CO ₂ . Den teoretiska minimienergin som krävs för att utvinna CO ₂ från omgivande luft är cirka 250 kWh per ton CO ₂ , medan avskiljning från naturgas- och kolkraftverk kräver cirka 100 respektive 65 kWh per ton CO ₂ . På grund av denna underförstådda efterfrågan på energi har vissa inom geoteknik föreslagit användning av "små kärnkraftverk" kopplade till DAC-installationer.

När DAC kombineras med ett system för avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) kan det producera en anläggning för negativa utsläpp, men det skulle kräva en kolfri elkälla . Användningen av all som genereras av fossila bränslen skulle sluta släppa ut mer CO ₂ till atmosfären än den skulle fånga upp. Dessutom skulle användningen av DAC för förbättrad oljeutvinning upphäva alla förmodade klimatreducerande fördelar.

Ansökningar

Praktiska tillämpningar av DAC inkluderar:

förbättrad oljeåtervinning ,
produktion av kolneutralt syntetiskt bränsle och plast,
dryck kolsyra ,
kolbindning ,
förbättra betongens hållfasthet,
skapa koldioxidneutrala betongalternativ,
öka produktiviteten hos algodlingar,
anrikning av luft i växthus

Dessa applikationer kräver olika koncentrationer av CO ₂ -produkt som bildas från den infångade gasen. Former av kolbindning som geologisk lagring kräver rena CO ₂ -produkter (koncentration > 99 %), medan andra applikationer som jordbruk kan fungera med mer utspädda produkter (~ 5 %). Eftersom luften som bearbetas genom DAC ursprungligen innehåller 0,04 % CO ₂ (eller 400 ppm), kräver att skapa en ren produkt mer energi än en utspädd produkt och är därför vanligtvis dyrare.

DAC är inte ett alternativ till traditionell koldioxidavskiljning och -lagring (CCS), snarare är det en kompletterande teknik som skulle kunna användas för att hantera koldioxidutsläpp från distribuerade källor, flyktiga utsläpp från CCS-nätverket och läckage från geologiska formationer. Eftersom DAC kan användas långt från föroreningskällan, kan syntetiskt bränsle som produceras med denna metod använda redan befintlig infrastruktur för bränsletransport.

Kosta

Teknisk-ekonomisk bedömning av CO2-direktluftavskiljningsanläggningar

Ett av de största hindren för att implementera DAC är en kostnad som krävs för att separera CO ₂ och luft. En studie från 2011 uppskattade att en anläggning som är designad för att fånga upp 1 megaton CO ₂ per år skulle kosta 2,2 miljarder dollar. Andra studier från samma period satte kostnaden för DAC till $200–1000 per ton CO ₂ och $600 per ton.

Det uppskattas att den totala systemkostnaden är 1 000 USD per ton CO ₂ , enligt en ekonomisk och energisk analys från 2011. ^{[ behovsuppdatering ]}

En ekonomisk studie av en pilotanläggning i British Columbia, Kanada, genomförd från 2015 till 2018, uppskattade kostnaden till 94–232 USD per ton avlägsnad CO _{2 i atmosfären.} Det är värt att notera att studien gjordes av Carbon Engineering , som har ekonomiskt intresse av att kommersialisera DAC-teknik.

Storskalig DAC-utbyggnad kan påskyndas genom politiska incitament.

Utveckling

Kolteknik

Carbon Engineering är ett kommersiellt DAC-företag som grundades 2009 och stöds av bland annat Bill Gates och Murray Edwards . Från och med 2018 driver den en pilotanläggning i British Columbia, Kanada, som har varit i bruk sedan 2015 och som kan utvinna cirka ett ton CO ₂ om dagen. En ekonomisk studie av dess pilotanläggning som genomfördes från 2015 till 2018 uppskattade kostnaden till 94–232 USD per ton borttagen atmosfärisk CO _{2 .}

Tillsammans med det kaliforniska energiföretaget Greyrock omvandlar Carbon Engineering en del av sin koncentrerade CO ₂ till syntetiskt bränsle , inklusive bensin, diesel och flygbränsle.

Företaget använder en kaliumhydroxidlösning . Den reagerar med CO ₂ och bildar kaliumkarbonat , som tar bort en viss mängd CO ₂ från luften.

Climeworks

Climeworks första industriella DAC-anläggning, som togs i drift i maj 2017 i Hinwil , i kantonen Zürich, Schweiz, kan fånga upp 900 ton CO ₂ per år. För att sänka energibehovet använder anläggningen värme från en lokal avfallsförbränningsanläggning . CO ₂ används för att öka grönsaksavkastningen i ett närliggande växthus.

Företaget uppgav att det kostar omkring 600 dollar att fånga upp ett ton CO ₂ från luften.

Climeworks samarbetade med Reykjavik Energy i Carbfix , ett projekt som lanserades 2007. 2017 startades CarbFix2-projektet och fick finansiering från Europeiska unionens 2020 . forskningsprogram Horizon Pilotanläggningsprojektet CarbFix2 löper tillsammans med ett geotermiskt kraftverk i Hellishheidi, Island . I detta tillvägagångssätt injiceras CO _{2 700 meter under marken och mineraliseras till} basaltisk berggrund och bildar karbonatmineraler. DAC-anläggningen använder lågvärdig spillvärme från anläggningen, vilket effektivt eliminerar mer CO ₂ än de båda producerar.

Global termostat

Global Thermostat är ett privat företag som grundades 2010, beläget på Manhattan , New York, med en fabrik i Huntsville, Alabama . Global Thermostat använder aminbaserade sorbenter bundna till kolsvampar för att avlägsna CO ₂ från atmosfären. Företaget har projekt som sträcker sig från 40 till 50 000 ton per år. ^{[ verifiering behövs ]}^{[ tredjepartskälla behövs ]}

Företaget hävdar att det tar bort CO ₂ för 120 USD per ton vid sin anläggning i Huntsville.

Global Thermostat har avslutat avtal med Coca-Cola (som syftar till att använda DAC för att hämta CO ₂ för sina kolsyrade drycker) och ExxonMobil som har för avsikt att starta en DAC-to-fuel-verksamhet med hjälp av Global Thermostats teknologi.

Soletair Power

Soletair Power är en startup som grundades 2016, belägen i Villmanstrand , Finland, verksam inom områdena DAC och Power-to-X . Startupen stöds i första hand av den finska teknikkoncernen Wärtsilä . Enligt Soletair Power är dess teknologi den första som kombinerar DAC med byggnadsintegration. Den absorberar CO ₂ från ventilationsaggregat inne i byggnader och fångar upp den för att förbättra luftkvaliteten. Soletair fokuserar på det faktum att DAC kan förbättra anställdas kognitiva funktion med 20 % per 400 ppm inomhus CO ₂ borttagen, enligt en studie.

Företaget använder den infångade CO ₂ för att skapa syntetiskt förnybart bränsle och som råmaterial för industriella tillämpningar. År 2020 Wärtsilä tillsammans med Soletair Power och Q Power sin första demonstrationsenhet av Power-to-X för Dubai Expo 2020 , som kan producera syntetisk metan från infångad CO ₂ från byggnader.

Prometheus bränslen

Är ett nystartat företag baserat i Santa Cruz som lanserades från Y Combinator 2019 för att ta bort CO ₂ från luften och förvandla den till noll-net-kolbensin och flygbränsle. Företaget använder en DAC-teknik, som adsorberar CO ₂ från luften direkt till processelektrolyter, där den omvandlas till alkoholer genom elektrokatalys . Alkoholerna separeras sedan från elektrolyterna med hjälp av kolnanorörsmembran och uppgraderas till bensin och flygbränsle. Eftersom processen endast använder elektricitet från förnybara källor är bränslena koldioxidneutrala när de används och släpper inte ut någon netto CO ₂ till atmosfären.

Andra företag

Infinitree – tidigare känt som Kilimanjaro Energy and Global Research Technology. En del av USA-baserade Carbon Sink. Demonstrerade en pre-prototyp av ekonomiskt lönsam DAC-teknik 2007
Skytree – ett företag från Nederländerna
UK Carbon Capture and Storage Research Center
Center for Negative Carbon Emissions vid Arizona State University
Carbyon – ett startup-företag i Eindhoven, Nederländerna
TerraFixing – en startup i Ottawa, Kanada
Carbfix – ett dotterbolag till Reykjavik Energy , Island
Energy Impact Center – ett forskningsinstitut som förespråkar användningen av kärnenergi för att driva teknik för direkt luftfångst.

Se även