کربن‌دی‌اکسید (CO₂) به عنوان یکی از مهم‌ترین گازهای گلخانه‌ای، سهم قابل‌توجهی در تغییرات اقلیمی دارد. با این حال، در سال‌های اخیر نگاه به کربن‌دی‌اکسید از یک آلاینده اتمسفری به یک منبع راهبردی برای توسعه صنعتی و اقتصادی تغییر یافته است. این دگرگونی مفهومی عمدتاً به واسطه پیشرفت در فناوری‌های جذب، استفاده و ذخیره‌سازی کربن (CCUS) امکان‌پذیر شده است. این فناوری که می‌توانند بیش از ۹0 درصد از انتشارات صنعتی را بازیابی کند و کربن‌دی‌اکسید را در زنجیره‌ای جدید از محصولات جای دهد.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایندهای جذب و ذخیره‌سازی کربن دی اکسید (CCUS)” اینجا کلیک کنید.
تحلیل زنجیره ارزش کربن‌دی‌اکسید شامل بررسی فرایندهای تولید، جداسازی ، انتقال و فرآوری CO₂ در سه فاز گاز، مایع و جامد است. زنجیره ارزش و محصولات پایین دستی کربن‌دی‌اکسید نیز در هر یک از سه فاز گاز، مایع و جامد دارای مدل کسب و کار متفاوتی است.
منابع تولید کربن دی‌اکسید
کربن دی‌اکسید مورد استفاده در صنعت عمدتاً به عنوان محصول جانبی از فرایندهای صنعتی تولید می‌شود و در برخی موارد از منابع طبیعی زیرزمینی استخراج می‌شود. انتخاب منبع تأمین CO₂، نقش تعیین کننده‌ای در کیفیت، هزینه بازیابی و فراوری و همچنین نوع کاربرد آن در زنجیره پایین دستی دارد.
یکی از مهم‌ترین عوامل موثر در توسعه زنجیره ارزش کربن‌دی‌اکسید، امکان تامین پایدار کربن‌دی‌اکسید است. به طور کلی چهار منبع تامین کربن‌دی‌اکسید شامل موارد زیر وجود دارد:
- استفاده از کربن‌دی‌اکسید حاصل از سوخت‌های فسیلی
- استفاده از کربن‌دی‌اکسید خالص تولید شده در واحدهای پتروشیمیایی و پلایشگاهی
- استفاده از کربن‌دی‌اکسید حاصل از منابع بیوژنیک (BECCS)
- جذب مستقیم کربن از هوا (DAC)
در مجموع، منابعی که CO₂ خلوص بالا و قابلیت تامین پایدار دارند منجر به خلق ارزش افزوده بیشتر و توجیه پذیری اقتصادی بالاتری دارند.
زنجیره ارزش کربن دی‌اکسید در فاز گازی
کربن دی‌اکسید در فاز گازی ساده‌ترین و متداول‌ترین شکل عرضه این گاز در صنعت است. پس از استخراج یا جداسازی از منابع صنعتی، CO₂ می‌تواند بدون تغییر فاز مستقیماً در مصارف مختلف مورد استفاده قرار گیرد یا از طریق شبکه‌های انتقال، به محل‌های مصرف یا ذخیره‌سازی منتقل شود. زنجیره ارزش در این فاز معمولاً شامل خالص‌سازی، فشرده‌سازی اولیه، انتقال و استفاده نهایی است.
-
ویژگی‌های فنی فاز گازی
CO₂ در شرایط محیطی، گازی بی‌رنگ و بی‌بو است که در فشار بالا به‌صورت نسبتاً آسان فشرده می‌شود، اما برای مایع‌سازی نیازمند شرایط خاصی از دما و فشار است. بنابراین در بسیاری از کاربردهای صنعتی که نیاز به تغییر فاز ندارند، استفاده از CO₂ گازی ترجیح داده می‌شود. نگهداری و انتقال CO₂ گازی معمولاً با استفاده از سیلندرهای تحت فشار یا خطوط لوله انجام می‌شود که هزینه و پیچیدگی کمتری نسبت به فاز مایع یا جامد دارند.
-
کاربردهای صنعتی CO₂ گازی
کاربردهای گاز کربن دی‌اکسید بسیار متنوع است و در طیف وسیعی از صنایع استفاده می‌شود:
الف) بازیابی پیشرفته نفت (Enhanced Oil Recovery – EOR)
یکی از مهم‌ترین کاربردهای CO₂ گازی در صنعت نفت است. در این روش، CO₂ به درون مخازن نفتی تزریق می‌شود تا ویسکوزیته نفت را کاهش داده و برداشت آن را تسهیل کند. در ایالات متحده، بیش از ۷۰ درصد CO₂ تولیدی به این کاربرد اختصاص دارد. استفاده از CO₂ در EOR نه‌تنها به افزایش بهره‌وری مخازن کمک می‌کند، بلکه از منظر محیط‌زیستی نیز به‌عنوان روشی برای ذخیره‌سازی بلندمدت کربن مطرح است.
ب) تولید اوره در صنعت کودسازی
در بسیاری از مجتمع‌های پتروشیمی، گاز CO₂ به عنوان خوراک اصلی برای تولید اوره از آمونیاک به کار می‌رود. این فرآیند در محل واحد تولید آمونیاک انجام می‌شود و نیاز به حمل و نقل ندارد. این نوع مصرف، نمونه‌ای از “جذب و استفاده در محل” محسوب می‌شود و هزینه‌های سرمایه‌گذازی را به‌شدت کاهش می‌دهد.
ج) جوشکاری و صنایع فلزی
در جوشکاری MIG/MAG، از گاز CO₂ به‌عنوان گاز محافظ برای جلوگیری از اکسیداسیون محل جوش استفاده می‌شود. این گاز در کنار آرگون به‌صورت ترکیبی نیز به‌کار می‌رود و در صنایعی مانند خودروسازی و ساخت سازه‌های فلزی بسیار رایج است.
زنجیره ارزش کربن دی‌اکسید در فاز مایع
کربن دی‌اکسید در فاز مایع (LCO₂) جایگاه ویژه‌ای در زنجیره تأمین این گاز دارد، زیرا امکان ذخیره‌سازی، حمل‌ونقل و کاربردهای گسترده‌تر را نسبت به فاز گازی فراهم می‌سازد. در این حالت، CO₂ تحت فشار بالا (معمولاً بالای 17 بار) و دمای پایین (زیر 31 درجه سانتی‌گراد) به مایع تبدیل می‌شود. این شرایط به آن اجازه می‌دهد تا در حجم فشرده‌تری حمل شده و در کاربردهایی با نیاز به کنترل دقیق‌تر دما و خلوص مورد استفاده قرار گیرد.
فرآیند مایع‌سازی و ذخیره‌سازی
برای تولید CO₂ مایع، گاز کربن دی‌اکسید ابتدا خالص‌سازی شده و سپس تحت فشرده‌سازی و سرمایش قرار می‌گیرد. این فرآیند معمولاً در واحدهای صنعتی در محل تولید انجام می‌شود. گاز مایع شده سپس در مخازن ایزوله و تحت فشار بالا ذخیره می‌شود. این مخازن می‌توانند در محل‌های صنعتی، مراکز توزیع یا اسکله‌های بارگیری قرار داشته باشند.
برای مطالعه مقاله “مروری بر تکنولوژی های تبرید و مایع سازی هیدروژن: نوآوری‌ها و چالش‌ها” اینجا کلیک کنید.
روش‌های انتقال و توزیع
برخلاف فاز گازی که بیشتر به شبکه‌های لوله متکی است، فاز مایع به طور گسترده با ناوگان حمل ویژه شامل تانکرهای تحت فشار، واگن‌های ریلی، کشتی‌های مخزن‌دار (Bulk LCO₂ Carriers) و اخیراً کشتی‌های تخصصی حمل CO₂ جابه‌جا می‌شود. پروژه‌هایی مانند CO₂L-BLUE در ژاپن از نمونه‌های پیشگام در این حوزه هستند.
حمل CO₂ مایع بین‌المللی به‌ویژه برای کشورهایی که منابع طبیعی یا فضای کافی برای ذخیره‌سازی زیرزمینی ندارند، راه‌حل مناسبی برای واردات یا صادرات این گاز به شمار می‌رود.
برای مطالعه مقاله “بررسی چالش‌ها و فرصت‌های انتقال هیدروژن و امکان استفاده از شبکه انتقال گاز طبیعی” اینجا کلیک کنید.
کاربردهای صنعتی CO₂ مایع
الف) صنایع غذایی و نوشیدنی
CO₂ مایع در صنایع نوشیدنی برای گازدارسازی، در بسته‌بندی مواد غذایی به‌عنوان گاز محافظ، و در صنایع گوشت و فرآورده‌های منجمد برای کنترل میکروبی استفاده می‌شود. استفاده از LCO₂ به دلیل خلوص بالا و دمای کنترل‌شده، در زنجیره سرد بسیار اهمیت دارد.
ب) پزشکی و داروسازی
در انتقال و نگهداری واکسن‌ها، داروهای حساس به دما و نمونه‌های زیستی، CO₂ مایع (گاهی با تبدیل به یخ خشک) نقش حیاتی دارد. همچنین در فرآیندهای استریلیزاسیون و حمل‌ونقل بیمارستانی به کار می‌رود.
ج) استخراج فوق بحرانی (Supercritical CO₂)
در فشار و دمای بحرانی (بالای 31.1°C و 73.8 atm)، CO₂ به حالت «سوپرکریتیکال» وارد می‌شود که ویژگی‌هایی بین مایع و گاز دارد. این حالت در استخراج کافئین از قهوه، اسانس‌ها و داروهای گیاهی کاربرد گسترده‌ای دارد. مزیت آن، خلوص بالا، ایمنی محیط‌زیستی و عدم باقی‌ماندن حلال در محصول است.
د) تصفیه آب، جوشکاری و آتش‌نشانی
CO₂ مایع در تصفیه آب به‌عنوان تنظیم‌کننده pH، در جوشکاری به‌عنوان گاز محافظ و در کپسول‌های آتش‌نشانی صنعتی استفاده می‌شود.
زنجیره ارزش کربن دی‌اکسید در فاز جامد (یخ خشک)
فاز جامد کربن دی‌اکسید که به‌صورت رایج با عنوان یخ خشک (Dry Ice) شناخته می‌شود، یکی از اشکال ارزشمند و تخصصی CO₂ در صنایع مختلف است. یخ خشک در واقع CO₂ خالصی است که در دمای حدود منفی ۷۸.۵ درجه سلسیوس منجمد شده و بدون عبور از فاز مایع، مستقیماً از جامد به گاز تبدیل می‌شود (تصعید). این ویژگی منحصربه‌فرد، آن را برای کاربردهایی که نیازمند سرمایش شدید، بدون رطوبت و کنترل‌پذیر هستند، ایده‌آل می‌سازد.
فرآیند تولید و توزیع
یخ خشک معمولاً از کربن دی‌اکسید مایع تولید می‌شود. CO₂ مایع پس از آزادسازی کنترل‌شده فشار، دچار کاهش دما شده و بخشی از آن به برفک (snow) CO₂ تبدیل می‌شود. این برفک سپس تحت فشار، فشرده شده و به‌شکل پلت، بلوک یا گرانول فرم‌دهی می‌شود.
پس از تولید، یخ خشک باید در محفظه‌های عایق حرارتی نگهداری و در سریع‌ترین زمان ممکن به محل مصرف منتقل شود، زیرا حتی در دمای محیط نیز به‌سرعت تصعید می‌شود و قابل ذخیره‌سازی بلندمدت نیست.
کاربردهای صنعتی و تخصصی
الف) زنجیره سرد دارویی و غذایی
یخ خشک یکی از مؤثرترین ابزارها برای حفظ دمای پایین در حمل‌ونقل و نگهداری داروهای حساس، نمونه‌های آزمایشگاهی، واکسن‌ها و غذاهای منجمد است. در جریان توزیع جهانی واکسن کرونا (مانند فایزر)، یخ خشک به‌عنوان راهکار کلیدی در حفظ دمای منفی ۷۰ درجه مورد استفاده قرار گرفت.
ب) تمیزکاری صنعتی (Dry Ice Blasting)
در این روش، یخ خشک به‌صورت ذرات پرفشار به سطح مورد نظر پاشیده می‌شود. برخورد ذرات باعث انفجار حرارتی و مکانیکی آلودگی از سطح شده و بدون باقی‌گذاشتن رطوبت یا ضایعات ثانویه، فرآیند پاک‌سازی را انجام می‌دهد. این روش به‌ویژه در صنایع الکترونیک، هوافضا، چاپ و تجهیزات حساس بسیار کاربرد دارد.
ج) صنایع سرگرمی، جلوه‌های ویژه و نمایشگاهی
استفاده از یخ خشک برای تولید مه مصنوعی، جلوه‌های نمایشی، آزمایشگاه‌های آموزشی و شوهای تلویزیونی، از جمله کاربردهای خاص و کم‌حجم آن است. تصعید سریع در تماس با آب داغ، باعث تولید دود غلیظ و غیرسمی می‌شود.
کاربردها و فرصت‌های پایین‌دستی کربن دی‌اکسید
با رشد فناوری‌های جذب و تبدیل CO₂، نگاه به این گاز از یک آلاینده محیط‌زیستی به یک خوراک صنعتی ارزشمند تغییر یافته است. امروزه کربن دی‌اکسید در تولید طیف متنوعی از محصولات پایین‌دستی نوین به کار می‌رود و مسیرهایی جدید برای بازیافت، ذخیره و استفاده اقتصادی از آن ایجاد شده است.
در حوزه انرژی، CO₂ با ترکیب با هیدروژن سبز، به سوخت‌های سنتزی مانند متانول و سین‌گاز تبدیل می‌شود. این سوخت‌ها به‌عنوان حامل‌های انرژی پاک و قابل ذخیره‌سازی، نقش مهمی در گذار به اقتصاد کم‌کربن ایفا می‌کنند.
در صنایع ساختمانی، از CO₂ برای تولید بتن کربن‌گیر و سنگدانه‌های مصنوعی استفاده می‌شود که علاوه بر کاهش انتشار، خواص مکانیکی بهبود‌یافته‌ای دارند. در شیمی سبز نیز، این گاز به‌عنوان ماده اولیه در تولید پلی‌کربنات‌ها، اوره و مشتقات آن جایگزین برخی ترکیبات فسیلی شده است.
زیست‌فناوری نیز نقش کلیدی در جذب CO₂ دارد؛ میکروجلبک‌ها از آن برای رشد و تولید زیست‌سوخت یا خوراک دام استفاده می‌کنند و برخی میکروارگانیسم‌ها توانایی تبدیل آن به مواد زیستی قابل‌تجزیه دارند.
این کاربردهای نوین نه‌تنها به کاهش انتشار کمک می‌کنند، بلکه زمینه‌ساز خلق بازارهای جدید، توسعه فناوری‌های بومی و تحریک زنجیره‌های تأمین سبز نیز هستند.
مزایای اقتصادی و محیط‌زیستی زنجیره ارزش CO₂
زنجیره ارزش کربن دی‌اکسید، ظرفیت‌هایی فراتر از فناوری در اختیار می‌گذارد. این زنجیره به صنایع کمک می‌کند تا در مسیر تحقق اهداف اقلیمی و هم‌زمان، افزایش بهره‌وری اقتصادی حرکت کنند.
از منظر اقتصادی، استفاده مجدد از CO₂ می‌تواند به کاهش هزینه‌های تولید، ارتقاء ارزش محصولات و ایجاد بازارهای صادراتی منجر شود. همچنین در کشورهایی که مالیات کربن یا سیستم تجارت انتشار وجود دارد، بهره‌گیری از CO₂ بازیافتی راهی برای کاهش هزینه‌های قانونی و رقابتی ماندن در بازار است.
از منظر محیط‌زیستی، بهره‌برداری از CO₂ در فرآیندهای صنعتی، به‌ویژه اگر با حذف انتشار از اتمسفر همراه باشد، می‌تواند نقش مهمی در کاهش دمای زمین و حفظ تعادل اقلیمی ایفا کند.
پیش‌نیاز تحقق این فرصت‌ها، توسعه زیرساخت، سرمایه‌گذاری، مشوق‌های دولتی و حضور فعال بخش خصوصی و دانشگاهی است. کشورهایی که زودتر در این مسیر حرکت کنند، می‌توانند در آینده‌ای نه‌چندان دور، در جایگاه صادرکنندگان فناوری و محصولات کربن‌پایین قرار گیرند.
برای مطالعه مقاله “مروری بر مفهوم ردپای کربن (Carbon footprint)” اینجا کلیک کنید.
نتیجه‌گیری
زنجیره ارزش کربن‌دی‌اکسید نشان می‌دهد که این گاز، برخلاف تصور سنتی، صرفاً یک آلاینده نیست، بلکه می‌تواند به‌عنوان ماده‌ای راهبردی در خدمت صنعت، محیط زیست و اقتصاد قرار گیرد. استفاده از CO₂ در سه فاز گازی، مایع و جامد، امکان بهره‌گیری گسترده در بخش‌های متنوعی از جمله انرژی، شیمی، غذا، دارو، حمل‌ونقل، و مصالح ساختمانی را فراهم کرده است.
منابع تأمین این گاز، اعم از واحدهای صنعتی یا منابع طبیعی زیرزمینی، در صورتی که با فناوری‌های مناسب بازیافت و انتقال همراه شوند، می‌توانند نیاز صنایع را به شکلی پایدار و اقتصادی پاسخ دهند. از سوی دیگر، تبدیل CO₂ به محصولات پایین‌دستی نوین مانند سوخت‌های سنتزی، پلیمرهای زیستی، بتن کربن‌گیر و پروتئین‌های خوراکی، چشم‌اندازی تازه برای توسعه اقتصاد کم‌کربن و افزایش بهره‌وری منابع پدید آورده است.
موفقیت در بهره‌برداری از این زنجیره، نیازمند نگاهی هم‌زمان به فناوری، سیاست‌گذاری، سرمایه‌گذاری و آموزش است. اگر صنایع و نهادهای سیاست‌گذار بتوانند این عناصر را در کنار یکدیگر قرار دهند، کربن‌دی‌اکسید نه‌تنها به چالش محیط‌زیستی تبدیل نخواهد شد، بلکه به عامل محرک نوآوری، رقابت‌پذیری و پایداری صنعتی در آینده نزدیک بدل خواهد شد.
