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创新者碳捕获、利用和储存指南(CCUS)

CCUS工业的现状和未来展望。

背景为天空,中间为涡轮机的维恩图

什么是CCUS?

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的说法,如果不采取行动,就不可能实现净零目标清除大量二氧化碳在新选项卡/窗口中打开从环境出发。碳捕获、利用和储存(CCUS)技术可消除现有的二氧化碳排放,安全有效地储存,并为未来项目提供利用这些排放的机会。这些创新技术在实现能源行业的减排目标和将碳废物转化为高价值产品方面发挥了重要作用。

CCUS技术用于隔离CO2将重工业排放物注入永久性储存场所,并将其用于制造建筑材料和燃料等高价值产品。

  • 碳捕获包括预燃烧、后燃烧和氧气燃烧等方法以隔离CO2来自工业排放

  • 碳利用率是指主要通过催化作用将捕获的碳转化为基本产品

  • 碳储存涉及注入捕获的CO2进入地质构造,如盐层和枯竭的天然气储层,以便永久储存

随着全球对气候变化倡议的呼吁,各行各业必须投资于减排技术,以实现净零排放,并率先从环境中清除碳。一系列政府激励措施,如碳信用和项目拨款,已经开始帮助组织探索CCUS项目,作为实现气候目标的解决方案。

CCS与CCUS:对利用的新关注

虽然碳封存技术可以追溯到20世纪20年代,但捕获和储存CO的想法2真正地始于20世纪70年代末在新选项卡/窗口中打开自那时以来,该技术的实际应用主要集中在碳捕获和储存(CCS)上,而碳利用研究则是在这一背景下进行的。CCS和CCUS都采用相同的技术来捕获和存储碳,但不同之处在于捕获的碳会发生什么变化。

尽管CCS过程旨在无限期地储存捕获的碳,但它是气候变化问题的短期解决方案。相比之下,CCUS项目侧重于利用捕获的碳生产从碳氢化合物到水泥等多种产品的长期目标。 

该行业转向CCUS有三个主要原因。

碳储存的空间考虑

CCS是一种权宜之计,在任何地方都可以持续5到10年。研究表明,地球目前“有8000至55000亿吨(Gt)的二氧化碳地质储量”(来源:“为全球区域地质CO2储存容量开发一致的数据库在新选项卡/窗口中打开,能源媒体.)但储存空间的合格性还受到其他因素的影响,如地理位置的适宜性、与居民区的距离以及法律法规。

二氧化碳排放管理地图概述

来源:“大规模CO回顾2针对碳捕获、利用和储存的航运和海洋排放管理”(应用能量,第287卷在新选项卡/窗口中打开).

资源有限

碳利用并不是让捕获的碳被浪费,而是有潜力再生对能源工业至关重要的化学原料。未来,捕获的碳可能成为甲烷、乙酸和燃料等有价值产品的输入来源。虽然这是一个长期问题,但现在集中精力再生资源不仅可以减少开采对环境的影响,还可以建立可持续的商业模式。

经济考虑因素

虽然CCS项目支持净零倡议,但它们也需要大量的资金承诺,而不会给能源公司带来太多经济利益。建造新设施或改造现有空间的费用最初可能由政府拨款和信贷支付,但这不是一个可持续的解决方案。利用是一项长期金融投资,因为它创造了循环经济在新选项卡/窗口中打开资源用于生产和重用的地方。

碳捕获方法

碳捕获的三种主要方法包括后燃烧、预燃烧和氧气燃烧,后燃烧是当前的行业标准。

燃烧后集中捕集CO2主要应用技术示意图

资料来源:“二氧化碳捕获的全面概述:从材料、方法到工业现状”(《今日材料》第60卷在新选项卡/窗口中打开).

燃烧后捕获

在燃烧后捕获中,CO2燃烧后分离,最常见的是用液体胺洗涤器(称为胺气处理)。该方法使用烷基胺或胺的水溶液来隔离CO2精炼过程中产生的气体。

在ScienceDirect上了解更多关于烷基胺的信息。在新选项卡/窗口中打开

燃烧后碳捕获是能源公司最常见的碳捕获形式,因为它比燃烧前或燃烧后更容易实施。大多数设施已经具备了该工艺所需的组件,只需进行少量改装或更改,使后燃烧成为成本较低的选项。几十年来,燃烧后技术也在能源行业得到了深入研究和实际应用,天然气设施使用液体胺洗涤器来确保最终产品的高质量。

预燃

预燃烧捕获发生在预处理和燃烧阶段之间,这减少了CO的量2燃烧时的输入。由于成本、温度要求和性能限制,此过程目前不是行业标准,但它是一个高度研究的主题。目前预燃烧的一个实际应用是原料(最常见的是煤)的气化。煤在极端压力和温度下氧化生成合成燃料,合成燃料经过燃烧过程,生成较少的CO2因此。

氧气燃烧

氧气燃烧通过去除氮来改变燃烧过程,而不是使用纯氧来产生更清洁的结果。氧燃烧在很大程度上处于研究和开发阶段,很少有大规模的实际应用。这一过程需要更高的能量利用率来隔离氧气,使其投入使用的成本更高。但目前正在进行有希望的研究——最值得注意的是,化学链燃烧等技术有可能完全去除CO2来自炼油厂排放物和过程中使用更少的能源。

阅读更多信息:2023年5项关键碳捕获技术趋势(附示例)

碳利用方法

碳利用正处于发展的早期阶段,研究人员仍在探索最有效的利用方法。生物转化和催化目前是主要的潜在选择。

生物转化

生物转化利用生物,如微生物,将有机物质转化为能源。最简单的说,就是种植树木、藻类或竹子,以鼓励自然光合作用,减少一氧化碳2在大气中。

但是,人工生物转化是一个稍微复杂一些的过程,研究工作被大量投资于寻找污染物生物转化的可行用途。一种方法是利用消耗CO的含碳微生物进行碳封存2建造生物质,然后将其转化为生物燃料等产品。

CO2的光依赖生物转化

资料来源:“光依赖的一氧化碳生物转化2"(焦耳,第4卷,第10期在新选项卡/窗口中打开).

生物转化在能源工业中的实际应用很难实现,因为这种碳利用方法仍在研发中。目前,在制药和食品工业中,最常见的是药物和添加剂的开发和生产。

阅读更多:如何通过二氧化碳转化关闭碳循环

催化作用

在催化过程中,催化剂用于加速化学反应,而不会在过程中受到损坏,从而使其能够循环使用。传统上,这是通过多相催化来实现的,其中多孔载体上的固体催化剂用于转化含有CO的流体2.

最近,研究人员研究了更复杂的催化系统,这些系统可以利用外部能源推动反应向前发展。其中包括利用入射光子促进表面反应的光催化剂,以及用于电化学电池的催化剂。最近,电解电池受到了特别的关注,阳极和阴极的反应条件受到催化剂添加的影响,电池的扩散受到离子交换膜使用的限制。

尽管研究仍在进行中,但真正可行的大规模CO分离方法2通过催化的分子仍然缺乏,因为这一过程通常是复杂的、昂贵的和高能耗的。但是突破,就像一个更有效的催化剂由斯坦福大学的Matteo Cargnello设计在新选项卡/窗口中打开移动催化作为CO的一种方法2利用率向前。催化的一个目前可行的应用发生在建筑材料行业,最显著的是在水泥生产中。

了解Knovel丰富的工程信息如何支持您的能量转换。

碳储存过程

实际工业应用中的碳储存主要依赖吸收,而吸附仍处于研究阶段。

吸收

吸收包括捕获气态CO2在液体上,最常见的是液体胺洗涤器。液胺吸收是能源行业的当前标准,因为它是可用的、经过充分研究的,并且已经实践了几十年。不过,它确实有缺点;在捕获过程中,它的容量低、能耗高且效率低。从可持续性的角度来看,吸收产生一氧化碳2捕获和存储CO2,使其成为一个不太理想的长期解决方案。

吸附

吸附是指将捕获的碳储存在固体结构中,如沸石、粘土或纳米碳。在吸附过程中,CO2分子被捕获到固体载体上的机制通常由表面积和扩散通道的可用性来定义,以访问活性表面位置。吸附可以通过物理方式进行,表面就像海绵一样吸附CO2分子或化学性质,其中CO2通过反应转化为化学物质。化学吸附的一个例子是将氧化钙与CO结合2制造碳酸钙。

物理吸附与化学吸附

这两种方法之间的定义差异之一是寿命。物理吸附产生弱吸附,允许CO2最终回到气态,而化学吸附有可能保留一氧化碳2无限期。虽然吸附仍处于研发阶段,但它被视为一种更好的长期碳储存解决方案,因为它效率更高,容量更大,而且更容易再生。

确定碳储存地点

研究碳储存地点需要考虑各种因素。位置尤其重要。目前正在五种类型的储存场地内进行碳储存:

  • 盐层

  • 枯竭(和枯竭)石油和天然气储层

  • 不可开采煤层

  • 玄武岩地层

  • 有机页岩地层

盐层和枯竭或耗尽的天然气储层是两个最常见的碳储存场所,因为它们的可用性和有利条件。其他类型的存储站点以较小规模使用。

使用Scopus更快地找到相关的碳储存研究。

无论您的组织选择何种类型的场地,都应该考虑一系列因素,包括许可要求、泄漏和地震活动潜力以及孔隙度和渗透率等地质特性。与此同时,政府的法律法规也需要同样的重视。

例如,能源公司寻求在美国境内建造储存场地,需要从环境保护局(EPA)在新选项卡/窗口中打开贯穿四个关键阶段:

  • 施工前

  • 预注入

  • 喷射

  • 注射后

每个阶段都是一个多步骤的过程,涉及从现场筛选到申请人培训和风险分析的方方面面。该过程旨在减轻环境风险并确保CO的长期效力2储存地点。

阅读更多有关ScienceDirect如何支持碳存储研发的信息。

什么是碳会计?

碳核算是生命周期分析在新选项卡/窗口中打开(生命周期评价)。它试图评估和说明制成品从自然资源到成品这一过程的每个阶段对环境的影响。碳会计不仅衡量了该行业实现净零目标的进展,还量化了碳减排,以获得政府拨款、申请税收抵免和衡量投资回报。

碳核算的挑战

为了将碳废物转化为商业上可行的产品,各行业需要一种标准化的碳捕获核算方法,这本身就是一个挑战。在考虑碳构成的同时很多的挑战,两个常见的因素是天然碳循环和配方标准化。

电力LCA

来自“发电系统生命周期分析”的煤制电的生命周期评价(能源百科全书在新选项卡/窗口中打开).

自然碳循环

碳核算的核心挑战之一是准确测量CO的含量2你实际上是因为自然碳循环而从大气中排出的。当组织使用技术去除CO时2,环境自然而然地采用了自己的复杂过程系统。

例如,假设一家公司试图测量CO的含量2他们正在工程海水中捕获。海洋也有自己的过程来消耗和转换CO2变成像石灰石一样的金属碳酸盐-只是碳循环的一小部分。这些系统相互平衡,因此从海洋中清除碳会影响空气和陆地中的碳浓度。那么,您如何衡量您的CCUS技术在该过程中捕获了什么?

多面公式

另一个关键挑战在于碳捕获公式的标准化。出现了多个问题,包括:

  • 公式中包含哪些因素? 

  • 你考虑了获取资源所需的能量吗? 

  • 实际捕获、存储和利用CO所需的能量2进入公式? 

  • 应CO2包括物流方面的排放,如成品运输? 

  • 你测量了多少CO吗2你是捕获或者你是多少钱移除? 或者两者兼而有之?

所有这些考虑因素,以及无数其他因素,使得碳核算公式化变得困难。更大的挑战是,为了确保组织遵循CCUS的一套标准程序,这些公式必须在全球范围内(或至少在全国范围内)被接受。

当前碳核算问题的解决方案

一些组织试图建立衡量捕获碳的基准,其中最引人注目的是政府间气候变化专门委员会(IPCC)。

IPCC发布了2006年IPCC国家温室气体清单指南在新选项卡/窗口中打开,涵盖五卷,包括整个CCUS流程的详细细分以及报告方法。2019年,IPCC增加了新方法报告在新选项卡/窗口中打开以最新研究为特色,结合2006年指南使用:

估算、验证和报告CO2储存场所的排放

1.场地特征

确认已对储存场地的地质进行了评估,并确定了当地和区域的水文地质和泄漏途径。

2.泄漏风险评估

确认已通过结合现场特征和实际模型对泄漏可能性进行了评估,这些模型预测了CO2随时间和可能发生排放的位置的移动。

3.监测

确保制定适当的监测计划。监测计划应识别潜在的泄漏途径,测量泄漏和/或验证更新模型(视情况而定)。

4.报告

报告储存场所注入的二氧化碳和排放量。

资料来源:《2006年政府间气候变化专门委员会国家温室气体清单指南》第2卷Chp中估算CO2储存场所排放量的程序。5(政府间气候变化专门委员会在新选项卡/窗口中打开).

政府税收抵免还要求各行业遵守某些准则。美国组织需要遵循以下指示表格8933在新选项卡/窗口中打开例如,在申请碳税抵免时。表8933还对通过工业过程捕获、储存和利用碳的计算公式进行了标准化。

例如,第45Q(a)(1)条在新选项卡/窗口中打开允许“您使用碳捕获设备捕获的每公吨合格的碳氧化物20美元的抵免,该设备(1)最初于2018年2月9日之前在合格的设施中投入使用,(2)由您在安全的地质储存中处置,以及(3)您在合格的提高采收率(EOR)中未将其用作三次注入剂或您以第45Q(f)(5)节所述方式使用的天然气回收项目。”

尽管政府间气候变化专门委员会对碳核算和政府税收抵免法规作出了贡献,但各行业仍然缺乏全球标准化的方法。目前,公司至多遵循国家或国家指导方针或私人碳会计公司制定的公式。标准化碳核算流程是未来大规模部署CCUS技术的关键挑战。

鼓励使用CCUS技术

在工业流程中实施CCUS技术可能很复杂,但短期和长期利益的结合可以激励组织。

提高石油采收率(EOR)是能源公司目前的一项激励措施,因为EOR的技术和工艺已经过充分研究,并准备实施。提高采收率(EOR)是一种在一次和二次采油技术用尽后,从正在枯竭的储层中开采石油的技术。但提高采收率有几个缺点,最重要的是,地震活动增加对环境的影响。因此,碳利用正在转向生产原料,而不是石油。

有意将CCUS技术应用到其工作流程中的组织有两个主要的短期财务激励措施需要探索:

赠款和税收抵免的目标是激励公司研究以成本效益方式实施CCUS技术的方法,并帮助扭转经济平衡,以利于碳捕获。但长期目标是找到使碳捕获不仅在经济上可行而且有利可图的方法。解决方案是CO2利用原料和燃料等其他产品的制造,将碳废物转化为有利可图的商业模式。

活跃的CCUS项目和应用

虽然碳利用还不是一个大规模的操作,但几个工业部门的先驱组织已经在CCUS技术的支持下建立了成功的企业。

开拓低碳能源

基于冰岛国际碳回收在新选项卡/窗口中打开自2012年以来,CRI一直在工业规模上生产“以二氧化碳和氢气为原料的可再生甲醇,用于更可持续的燃料、化学品和产品”。该公司使用水力和地热将捕获的碳与氢气结合,生产甲醇,然后出售用于生物柴油或汽油生产。CRI投资于更高效CCUS工艺的研发,并与全球能源合作伙伴合作将其产品付诸实践。

加拿大人碳工程在新选项卡/窗口中打开首创了空气燃料能源技术,利用大气捕集的碳生产碳中性燃料。它的过程“将可再生能源发电、直接空气捕集、绿色氢气生产和可持续燃料合成这四个不断发展的领域整合在一起,以提供高度可扩展的清洁燃料解决方案。它提供的是低生命周期碳强度、与生物燃料具有成本竞争力的可滴入燃料。”最终结果是碳氢化合物燃料在实际应用中立即可行,并与现有车辆发动机兼容。

建设一个碳负的世界

碳8在新选项卡/窗口中打开总部位于英国,已将整个CCUS设施压缩成两个40英尺的容器,称为二氧化碳容器。根据碳8在新选项卡/窗口中打开,“二氧化碳容器在源头捕获二氧化碳,二氧化碳成为运往垃圾填埋场的碳酸盐工业残留物的成分。该解决方案在该过程中每年可处理多达12000吨残留物。”最终产品是一种碳负骨料,具有各种实际应用的潜力,如水泥生产、屋顶和道路填料。

加拿大公司卡比克里特在新选项卡/窗口中打开创造了一项技术,允许混凝土制造商通过用捕获的碳养护磨碎的钢渣来制造“无水泥、碳负混凝土”。据CarbiCrete称,最终产品可将成本降低10%至20%,并减少3公斤CO2每个混凝土砌块(CMU)。该公司通过管理技术的安装和为合作伙伴提供材料,简化了实施过程。

将碳废物转化为家用产品

埃柯尼克在新选项卡/窗口中打开是一家总部位于英国的公司,利用催化作用转化CO2采用独特的技术将其转化为短链聚合物,从而降低过程的能耗。该工艺不仅能有效利用CO2,但它也具有经济效益。根据埃柯尼克在新选项卡/窗口中打开,该技术确保“高达50%的废弃CO2用于替代化石燃料原料,“这意味着降低材料成本和更高的节约。最终产品可用于制造日常用品,如绝缘材料、粘合剂和泡沫。

基于美国新光科技在新选项卡/窗口中打开开创了一项基于自然力量的开创性技术,利用“海洋中发现的微生物转化空气和温室气体(CO2e) 变成一种我们可以熔化并形成产品的天然生物材料:我们称之为空气碳。”最终产品是一种碳中性、可堆肥、高强度的颗粒,可以熔化形成从家具到电子产品到包装的多种产品。

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信息图表:爱思唯尔和CCUS研发

结账下面的交互式信息图在新选项卡/窗口中打开了解能源公司如何利用爱思唯尔的创新智能解决方案来推进碳捕获、利用和储存方面的研发。这些用户工具提供了工程师实现组织可持续发展目标所需的知识。

CCUS信息图预览图像

通过爱思唯尔的交互式信息图,探索CCUS研发的现代状态,可在此处查看。在新选项卡/窗口中打开

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