co2 (تقنيات التقاطه من التطبيقات الصناعية والحرارية، تخزينه واستخدامه)

الجوانب الهامة لالتقاط الكربون وتخزينه

يعد الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS) أحد الحلول التكنولوجية الوحيدة التي يمكنها تقليل الانبعاثات الناتجة عن توليد الطاقة من الفحم والغاز بشكل كبير وتقديم تخفيضات كبيرة في الانبعاثات المطلوبة عبر العمليات الصناعية الرئيسية مثل صناعة الصلب والأسمنت والمواد الكيميائية ، وكل ذلك سيكون اللبنات الحيوية للمجتمع الحديث. يعتبر احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه ، أو CCUS ، تكنولوجيا هامة لخفض الانبعاثات يمكن تطبيقها في القطاع الصناعي وفي توليد الطاقة. تتضمن هذه التقنيات التقاط ثاني أكسيد الكربون (CO2) من احتراق الوقود أو العمليات الصناعية ، ونقل ثاني أكسيد الكربون عبر السفينة أو خط الأنابيب ، وإما استخدامه كمصدر لإنشاء منتجات أو خدمات قيمة أو تخزينه الدائم تحت الأرض في التكوينات الجيولوجية. توفر تقنيات CCUS أيضًا الأساس لإزالة الكربون أو "الانبعاثات السلبية" عندما يأتي ثاني أكسيد الكربون من عمليات قائمة على أساس حيوي أو مباشرة من الغلاف الجوي.

أدى الانبعاث المفرط لغازات الدفيئة في الغلاف الجوي إلى تغير تدريجي في المناخ والاحترار العالمي في العقود الماضية. هناك العديد من الطرق التي تم تطويرها لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الغلاف الجوي ، حيث تم التعرف على تقنيات التقاط الكربون وتخزينه (CCS) كأكثر الطرق الواعدة.

تقنية CCS لالتقاط وتخزين CO2:

أجريت العديد من الدراسات في العقد الماضي لتقليل تركيز ثاني أكسيد الكربون المتزايد في الغلاف الجوي حيث توجد عدة طرق مثل ترشيد استهلاك الطاقة ، والمبادلة بالوقود بسلاسل الكربون أقصر ، واقتراح التقاط وتخزين CO2 ثم ظهر أن تقنية احتجاز الكربون وتخزينه
(CCS) يمكن أن تكون نهجا واعدا لإنقاذ المناخ حيث يتم حقن ثاني أكسيد الكربون في التكوينات الجيولوجية . في الواقع ، إذا نفذت هذه التقنية
بنجاح ، يمكن لـ CCS تقليل تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى 450 جزء في المليون بحلول عام 2100.

تم تقديم مفهوم CCS في عام 1977 ، عندما اقترح أن يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون من محطة توليد الفحم وحقنه في تكوينات جيولوجية مناسبة. عممت الوكالة الدولية للطاقة أن هذه التكنولوجيا لديها القدرة على تقليل 17 ٪ من انبعاثات CO2 العالمية بحلول عام 2050 ، وعلى هذا النحو يجب أن تكون CCS جزءا من السياسة المتبعة في كل بلد على مستوى العالم لتخفيف التأثير الحاد للاحتباس الحراري.

تم إطلاق ثلاثة مشاريع CCS كبيرة الحجم مؤخرًا في عامي 2016 و 2017 مع التفاصيل التالية:

(1) بدأ مشروع مظاهرة Tomakomai CCS في عام 2016 من خلال احتجاز ثاني أكسيد الكربون من منشأة لإنتاج الهيدروجين وحقنه في التكوينات الجيولوجية العميقة القريبة من الشاطئ.
(2) مشروع احتجاز وتخزين الكربون الصناعي في إلينوي هو أول مشروع واسع النطاق للطاقة الحيوية في العالم بدأ في عام 2017 لحقن ثاني أكسيد الكربون في تكوين ملحي عميق بمقياس 1 مليون طن سنويا.
(3) يعتبر مشروع التقاط الكربون في بيترا نوفا في تكساس بطاقة احتجاز ثاني أكسيد الكربون تبلغ 1.4 مليون طن سنويًا ، وهو أكبر مشروع  لالتلقاط ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق الذي بدأ في عام 2017.

لا تزال تكنولوجيا CCS حديثة العهد وتتطلب مزيدًا من الدراسات لضمان إمكانية التقاط ثاني أكسيد الكربون ونقله وحقنه وتخزينه بأمان في التكوينات الجيولوجية تحت السطحية دون تلوث الموارد السطحية / تحت السطحية. بذلت محاولات لتوفير نظرة أعمق في جوانب مختلفة لتوضح كيف يمكن تخزين ثاني أكسيد الكربون بأمان في تكوينات جيولوجية عميقة لفترة طويلة من الزمن.

من الناحية الفنية ، تنطوي ممارسة CCS على احتجاز ثاني أكسيد الكربون من محطات الطاقة والمواقع الصناعية وآبار الغاز الطبيعي ، و
نقله عبر خطوط أنابيب إلى موقع جيولوجي مناسب للتخزين الدائم. ومع ذلك ، هناك العديد من العوامل والعمليات والظواهر المدرجة في هذه الممارسة والتي يجب قياسها وتسجيلها ومراقبتها بعناية فائقة لضمان بقاء ثاني أكسيد الكربون المحقون محصورًا منذ آلاف السنين دون الرجوع إلى  السطح

التقاط co2

يمكن التقاط ثاني أكسيد الكربون من مصادر مختلفة وفقًا للضغط الجزئي وظروف التشغيل وتكوين خليط الغاز. تسمح التركيزات الأعلى لثاني أكسيد الكربون بفصل غير مكلف نسبيًا. يمكن أن يكون ثاني أكسيد الكربون متاحًا بشكل أساسي في كل عملية احتراق ، حيث أنه منتجه الرئيسي.

في محطات توليد الطاقة الحرارية ، بما في ذلك الوقود الأحفوري والكتلة الحيوية والنفايات البلدية والنفايات الأخرى لمحطات الطاقة ، يتم التقاط الكربون بعد عملية الاحتراق (التقاط ما بعد الاحتراق- PCC هناك بشكل عام نوعان أيضاً للاحتجاز : التقاط احتراق الأكسجين بالوقود ، حيث يتم استخدام الأكسجين النقي تقريبًا في الاحتراق ويتم إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون في عملية احتراق الأكسجين والتقاط ما قبل الاحتراق. بالإضافة إلى تكنولوجيا التغويز،  والتي استخدامها في الدورات المركبة المتكاملة مع التغويز (IGCC) في محطات توليد الطاقة الحرارية ،يوفر الفرصة لاستخدام لكل من الالتقاط ما بعد الاحتراق وما قبله. يمتلك قطاع محطات الطاقة الحرارية أكبر إمكانية لخفض الانبعاثات ، حيث يمكن أن يلعب احتجاز وتخزين الكربون دورًا حاسمًا .

 
 

استخدامات co2:

يستكشف احتجاز الكربون واستخدامه (CCU) استخدام co2 في تطبيقات أخرى غير التخزين. ثاني أكسيد الكربون يستخدم بالفعل في مجموعة متنوعة من القطاعات والعمليات. خاصة أن الاستخلاص المعزز للنفط والغاز له أعلى إمكانات بالنسبة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينهccs  على المدى القريب في مناطق محددة.

على الرغم من أنه يفرض قيودًا جغرافية مماثلة لمواقع التخزين غير الصالحة لجميع بواعث ثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي يتم بحث الخيارات الأخرى. أطلقت المفوضية الأوروبية العديد من المكالمات ذات الصلة داخل Horizon 2020 (SPIRE و BIOTEC و LCE 25 و NMBP 19 و 20) لدعم البحث في استخدام ثاني أكسيد الكربون كنهج قابل للتطبيق للإنتاج المستدام للوقود والمواد الكيميائية . بدأت العديد من المبادرات الأوروبية في تطوير تقنيات إعادة استخدام ثاني أكسيد الكربون ، بينما في الولايات المتحدة تدعم وزارة الطاقة أيضًا البحث في مجالات استخدام الكربون ومناطق إعادة استخدام التكنولوجيا.

استخدام ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يكون في تطبيقات في قطاع المواد الكيميائية والنفط والطاقة ، في قطاع الأغذية والأدوية ، وفي صناعة اللب والورق ، وفي صناعة الصلب وكذلك في الاستخدامات الأخرى. يمكن تصنيف استخدامه إلى استعادة الموارد (مثل الاستخلاص المحسن للنفط والغاز ، الاسترداد المحسن لميثان طبقة الفحم) .

استخدام co2 لتقنيات الوقود (تقنية الطاقة إلى وقود)

تشير الطاقة إلى الوقود إلى الطاقة للغاز ، إما الهيدروجين أو SNG أو في إنتاج أنواع أخرى من الوقود السائل مثل الميثانول وثنائي ميثيل الأثير
(DME) ، إثيرات أوكسي ميثيلين (OMEs) ، مواد كيميائية ومشتقات أخرى. يتم تحقيق الجمع بين استخدام ثاني أكسيد الكربون وتخزين الطاقة تحت تقنية الطاقة إلى الوقود ، حيث يتم خلط وضغط ثاني أكسيد الكربون المحتجز والهيدروجين المنتج قبل إدخاله في المفاعلات المحفزة.

 تم إنتاج الميثانول عن طريق استخدام ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين الذي تم إنتاجه عن طريق التحليل الكهربائي للماء في مصنع إنتاج 4000 طن من الميثانول من ثاني أكسيد الكربون سنويًا ، ومصنع جورج أولا في سفارتسينغي ، أيسلندا ، الذي تم بناؤه وتشغيله بواسطة شركة إعادة تدوير الكربون الدولية.

تكوين محطة الطاقة الحالية ومحطة PtM  (  power to methanol) يوضح الشكل. التكامل مع محطة الطاقة أو محطة (الحرارة والطاقة المجمعة) CHP   حيث  يتم استخراج غاز المداخن وتوفير الحرارة المستخرجة من دورة البخار من أجل تغطية احتياجات إعادة الغليان لالتقاط ما بعد الاحتراق. تتأثر اقتصاديات هذا المقياس بشكل كبير من قبل أ) سعر الميثانول النهائي وكذلك ب) اللوائح المتعلقة بسوق الكهرباء ، ج) سوق الوقود والكيماويات وبشكل خاص د) توجيه الطاقة المتجددة (RED) و ه) توجيه جودة (FQD)  الوقود.

في المستقبل ، يمكن لسيارات خلايا الوقود القائمة على الميثانول أن تحقق كفاءات جيدة مقارنة بالوقود الاصطناعي الآخر
لقد قامت بالارد و SFC Energy و Serenergy بتسويق هذه التكنولوجيا بالفعل. تقوم Serenergy في الدنمارك بتوصيل خلية وقود الميثانول للسيارات الكهربائية. هذا وقد بدأت نيسان باختبار سيارات خلية وقود الايتانول الحيوي في 2016.
على الرغم من أن القيمة النهائية لخفض بصمة الكربون تعتمد على التطبيق المحدد وبصمة ثاني أكسيد الكربون للكهرباء المستخدمة ، هناك العديد من جوانب حماية البيئة والفوائد الاقتصادية المرتبطة بتقنية انتاج الميتانول من الطاقة (power to methanol)  يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون وإعادة استخدامه لاستبدال الوقود الأحفوري وانبعاثاته الناتجة من التنقيب والنقل والمعالجة مما يقلل انبعاثات أكاسيد النيتروجين وأكسيد الكبريت والسخام في قطاع النقل بالإضافة إلى الاعتماد على الطاقة في أوروبا بطريقة مستدامة واقتصادية.

استخدام co2  كوسيط عمل في الدورات الحرارية:

تتولد الحرارة الضائعة بشكل رئيسي من غازات العادم في المراجل ، الأفران ، توربينات ، محركات ، ومعدات أخرى في الصناعة الحرارية والمعالجة ، وكذلك في المناجم وغيرها بما في ذلك المواقع السكنية. توجيه الاتحاد الأوروبي لكفاءة الطاقة يتضمن تقييما شاملا للإمكانات الوطني التوليد المشترك والتدفئة  والتبريد في كل دولة عضو في الاتحاد الأوروبي. وفقاً لعام 2012 كان هدف زيادة كفاءة الطاقة بحوالي 20% بحلول عام 2020وفي نوفمبر 2016 تم اقتراح تعدل هذه القيمة إلى 30%. يمكن الاستفادة من الحرارة المهدورة لإنتاج الكهرباء (حرارة مهدورة إلى طاقة) أو بتحولها إلى ميكانيكي ينتج الماء الساخن أو البخار لزيادة كفاءة الطاقة.
تنخفض الجدوى الاقتصادية لاستعادة الحرارة المهدورة مع انخفاض درجة الحرارة ومعدل التدفق. تم استخدام الدورات التيرموديناميكية مثل رانكين ودورة رانكين البخارية (SRC) ودورة رانكين العضوية (ORC) ودورة كالينا ودورة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة (CO2).  تم استخدام ثاني أكسيد الكربون كوسيط عامل في عمليات الدورات الحرارية (transcritical + supercritical). حيث تم استخدامه في آلات التبريد والمضخة الحرارية على نطاق تجاري مع زيادة سوقه في التطبيقات المنزلية والصناعية.
 لقد وجدت المضخات الحرارية CO2 ذات النطاق المحلي على وجه الخصوص العديد من التطبيقات في صناعة تسخين المياه بسبب قدرتها على توصيل المزيد من الحرارة بنفس المقدار من الكهرباء مقارنة بتركيبات سخانات المياه الكهربائية التقليدية. بلغت الحصة السوقية لثاني أكسيد الكربون كمبرد طبيعي 35٪ في عام 2012 ، مع قيام اليابان بتأسيس سوق ناضجة باستخدام نظام Ecocute.
حقق سخان المياه بمضخة حرارة بوسيط تبريدESA30-25 CO2 أعلى COP في الصناعة 4.3 لتطبيق kW 30.
يمكن تجميع وحدات المضخات الحرارية المعيارية معًا للوصول إلى أعلى مقاييس. في إمدادات الحرارة الصناعية ، يمكن لمضخات الحرارة اليوم إنتاج هواء ساخن يصل إلى 120 درجة مئوية والبخار حتى 165 درجة مئوية لتحل محل المراجل في العديد من العمليات الصناعية.

استخدام co2 في دورات برايتون super-critical co2 brayton cycle:

تم استخدام ثاني أكسيد الكربون في ثاني أكسيد الكربون في دورات برايتون فوق الحرجة لإنتاج الكهرباء في التطبيقات المتوسطة الحجم.
استخدام ثاني أكسيد الكربون في دورات برايتون فوق الحرجة له مزايا كبيرة تتعلق بالكثافة العالية لثاني أكسيد الكربون فوق الحرج الذي ينتج عنه أحجام معدات أصغر ومدمجة. باستثناء الثبات والخمول النسبي وعدم السمية والوفرة والتكلفة المنخفضة ، ينخفض ​​عامل الانضغاط حول النقطة الحرجة مما يؤدي إلى انخفاض نسب الضغط في الدورة واستهلاك أقل للطاقة. البارامترات الحرجة لثاني أكسيد الكربون هي ضغط 7.38MPaودرجة حرارة 30.98℃.  التصميم الأساسي لدورة برايتون CO2 فوق الحرجة في نظام مغلق
يتضمن خطوة الضغط ، مصدر تسخين حيث يتم تحقيق زيادة المحتوى الحراري من خلال مبادل حراري ، وتوربين لتقليل الضغط وتوليد الطاقة في وقت واحد ومبرد لطرح الحرارة. ويبين الشكل التكوينات المختلفة لهذه الدارة.

تم الإبلاغ في الادبيات عن أعلى الكفاءات النظرية مع الشروط التالية عند مدخل التوربين: درجة حرارة 700 درجة مئوية وضغط 20 ميجا باسكال بكفاءة 53٪  ، درجة حرارة 620 درجة مئوية وضغط 20 ميجا باسكال بكفاءة 52.4٪ ، درجة حرارة 700 درجة مئوية ونسبة ضغط مثالية تبلغ 4.4 بكفاءة 52.1٪ ودرجة حرارة 750 درجة مئوية وضغط 20 ميجا باسكال بكفاءة 52٪. يعزى الفرق في النتائج إلى التكوين المستخدم والافتراضات التي تم إجراؤها على المردود الايزوانتروبي والميكانيكي للضاغط والتوربين ، وفرق درجات الحرارة والفعالية وضياع الضغط في المبادلات الحرارية وأجهزة الاسترجاع ودرجة حرارة التبريد 

إعداد م. راما الشيخ