فناوری‌های جذب، ذخیره‌سازی و استفاده از کربن [1] (CCUS) یکی از کلیدی‌ترین ابزارها برای مقابله با تغییرات اقلیمی و دستیابی به اهداف کاهش انتشار کربن هستند. این فناوری‌ها با تمرکز بر جذب کربن‌دی‌اکسید از منابع مختلف، مانند صنایع سنگین، نیروگاه‌ها، و حتی جذب کربن‌دی‌اکسید به طور مستقیم از جو و ذخیره‌سازی آن در مخازن طبیعی و مصنوعی مناسب، امکان کاهش کربن از چرخه جو را فراهم می‌کنند. این فرایند، با کاهش قابل‌توجه انتشار کربن‌دی‌اکسید، نه تنها به مقابله با تغییرات اقلیمی کمک می‌کند، بلکه زمینه‌ساز فرصت‌های اقتصادی جدید نیز می‌شود. زنجیره CCUS از شناسایی منبع تا استفاده یا ذخیره‌سازی نهایی، نقش حیاتی در مدیریت پایدار کربن‌دی‌اکسید ایفا می‌کند و توسعه زیرساخت‌های آن گامی کلیدی برای دستیابی به اهداف کربن صفر است.
فرایند فناوری‌های جذب، استفاده و ذخیره‌سازی کربن (CCUS) با حذف کربن دی‌اکسید از جو با جذب و جداسازی این گاز آغاز می‌شود. فناوری CCUS به عنوان یکی از راهکارهای کلیدی و اثبات‌شده در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای شناخته می‌شود که هزینه‌های اجرای آن با پیشرفت فناوری به طور مداوم در حال کاهش است. هزینه‌های سرمایه گذاری و تولید در فرایند جذب کربن‌دی‌اکسید به منبع جذب کربن‌دی‌اکسید و روش جذب و جداسازی بستگی دارد.
جهت مطالعه مقاله “نگاهی کلان به چرخه کربن و فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCUS)” اینجا کلیک کنید.
همانطور که در شکل زیر قابل مشاهده است، زنجیره CCUS شامل پنج مرحله کلیدی است: ابتدا، منابع کربن‌دی‌اکسید شناسایی می‌شوند. در مرحله بعد، کربن‌دی‌اکسید بر اساس نوع فناوری‌های مورد استفاده از سایر گازها جدا شده و برای انتقال آماده می‌شود. این گاز سپس فشرده و به وسیله خطوط لوله یا کشتی به محل‌های ذخیره‌سازی یا استفاده منتقل می‌شود. در نهایت، کربن‌دی‌اکسید یا در مخازن زیرزمینی مانند آبخوان‌ها برای ذخیره‌سازی طولانی مدت تزریق می‌شود یا در تولید محصولات صنعتی مانند مواد شیمیایی، استفاده در صنایع غذایی (نوشیدنی گازدار) و یا مصالح ساختمانی استفاده می‌شود.
منابع انتشار کربن‌دی‌اکسید به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: 1- منابع متحرک (مانند وسایل نقلیه)، 2- منابع نقطه‌ای (مانند صنایع سیمان و فولاد)، و 3- جو (محیط).
جذب کربن‌دی‌اکسید از منابع متحرک چالش‌برانگیز هستند، در حالی که منابع نقطه‌ای به دلیل غلظت بالاتر کربن‌دی‌اکسید، هزینه و پیچیدگی کمتری برای جذب دارند. فناوری‌های جذب از جو نیز به دلیل غلظت پایین کربن دی‌اکسید از نظر اقتصادی توجیه پذیر نیست ما فناوری‌های مرتبط در حال توسعه هستند. در ادامه فناوری‌های جذب و ذخیره‌سازی با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار می‌گیرند.
فناوری‌های مختلف جذب، ذخیره سازی و استفاده از کربن
CCUS از منابع نقطه‌ای
فناوری‌های مختلف مهندسی‌شده می‌توانند با کارایی بیش از 90 درصد کربن‌دی‌اکسید را جذب کنند و هزینه جذب کربن‌دی‌اکسید بین ۱۰ تا ۱۰۰ دلار به ازای هر تن متغیر است. در این روش، کربن‌دی‌اکسید پیش از ورود به جو از صنایع مختلف مانند تولید سیمان، فولاد، تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی، زباله‌سوزی و تولید برق جذب می‌شود. کربن‌دی‌اکسید جذب‌شده سپس فشرده شده و با فشار بیش از ۱۰۰ اتمسفر به لایه‌های متخلخل سنگ در عمق بیش از یک کیلومتر زیر زمین تزریق می‌شود. این ذخیره‌سازی تحت سنگ‌های غیرقابل نفوذ انجام می‌شود که امکان نگهداری کربن‌دی‌اکسید را برای هزاران تا میلیون‌ها سال فراهم می‌کند. در روش دیگر، کربن‌دی‌اکسید می‌تواند در صنایع مختلف از جمله صنایع شیمیایی، صنایع غذایی و همچنین تولید مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد.
فناوری‌های BECCS و DACCS
در شکل زیر فناوری‌های BECCS (انرژی زیست‌توده با جذب و ذخیره کربن)[1] DACCS (جذب مستقیم از هوا با ذخیره کربن) [2] که به‌عنوان دو فناوری پیشرفته برای حذف کربن‌دی‌اکسید از جو شناخته می‌شوند، نشان داده شده است. در BECCS، گیاهان کربن‌دی‌اکسید را از جو جذب می‌کنند و سپس هنگام سوزاندن زیست‌توده برای تولید انرژی، کربن‌دی‌اکسید تولیدشده مجدداً جمع‌آوری و در زیر زمین ذخیره می‌شود. این فرآیند با استفاده از لایه‌های متخلخل سنگی در عمق یک کیلومتر یا بیشتر انجام می‌شود که امکان ذخیره‌سازی طولانی‌مدت و ایمن را فراهم می‌کند. در مقابل، DACCS کربن‌دی‌اکسید را مستقیماً از جو جدا کرده و بدون نیاز به زیست‌توده، گاز جذب‌شده را در زیر زمین ذخیره می‌کند.
این دو فناوری قابلیت حذف کربن‌دی‌اکسید از هر منبع سوختی را دارند.. BECCS از نظر هزینه مقرون به صرفه‌تر است و بین ۵۰ تا ۲۰۰ دلار به ازای هر تن کربن‌دی‌اکسید هزینه دارد، در حالی که هزینه DACCS به دلیل پیچیدگی بیشتر، بیش از ۴۰۰ دلار در هر تن برآورد می‌شود. با این وجود، DACCS به دلیل عدم وابستگی به سیستم‌های طبیعی، انعطاف‌پذیری بالاتری دارد و می‌تواند مقادیر بیشتری از کربن‌دی‌اکسید را از جو حذف کند. این فناوری‌ها به عنوان ابزارهای کلیدی در دستیابی به اهداف کربن صفر و مقابله با تغییرات اقلیمی مطرح هستند.
انتقال و ذخیره‌سازی کربن‌دی‌اکسید
کربن‌دی‌اکسید جذب‌شده باید از طریق خطوط لوله یا کشتی به محل‌های ذخیره‌سازی ایمن منتقل شود. در حالی که در برخی مناطق دسترسی به محل‌های ذخیره‌سازی ساده‌تر است، حتی انتقال گاز از طریق خطوط لوله طولانی نیز می‌تواند با هزینه‌های سرمایه گذاری کمتر انجام شود. انتقال و تبادل کربن‌دی‌اکسید بین مناطق مختلف جهان نیازمند ایجاد استانداردهای بین‌المللی مشترک و تقویت همکاری‌های فراملی برای اطمینان از ایمنی و کارآمدی انتقال است. همچنین، ایجاد زیرساخت‌ها و اعتماد لازم برای سرمایه‌گذاری‌های بلندمدت در این حوزه از اهمیت بالایی برخوردار است تا ذخیره‌سازی به‌طور پایدار و بدون خطرات محیط‌زیستی انجام شود.
فناوری‌های ذخیره‌سازی کربن
ذخیره‌سازی در آبخوان‌ها
آبخوان‌ها ساختارهای زمین‌شناسی هستند که آب شور (آب نمکی) را در لایه‌های سنگ متخلخل خود نگه می‌دارند. این سازه‌ها معمولاً در لایه‌های سنگ رسوبی زیر سطح زمین و زیر سنگ‌های غیرقابل نفوذ قرار دارند. آبخوان‌ها در عمق بیش از یک کیلومتری یافت می‌شوند و به عنوان یکی از مهم‌ترین گزینه‌های ذخیره‌سازی کربن شناخته می‌شوند.
در فرآیند ذخیره‌سازی، کربن‌دی‌اکسید با فشار بالا (چگالی 200-800 کیلوگرم بر متر مکعب) به آبخوان‌ها تزریق می‌شود. کربن‌دی‌اکسید تزریق شده جایگزین آب شور می‌شود و در نقاط بالای آبخوان به صورت یک توده تجمع پیدا می‌کند. این فرآیند می‌تواند باعث تغییرات شیمیایی و افزایش اسیدیته شود که بر واکنش‌های طبیعی و زیست محیط آبخوان تأثیر می‌گذارد. طی ده‌ها هزار تا میلیون‌ها سال، کربن‌دی‌اکسید ممکن است به سنگ معدنی تبدیل شود.
با این حال، مسائل زمین‌شناسی، فشار داخل آبخوان و خطرات نشت گاز یا آب شور به منابع آب آشامیدنی از چالش‌های ذخیره‌سازی در آبخوان‌ها هستند. نظارت دائمی با استفاده از تکنیک‌های لرزه‌نگاری و ابزارهای دیگر برای اطمینان از ایمنی ذخیره‌سازی ضروری است. ظرفیت ذخیره‌سازی این آبخوان‌ها بیش از یک تریلیون تن کربن‌دی‌اکسید تخمین زده شده و هزینه ذخیره‌سازی در محل تزریق کمتر از30 دلار به ازای هر تن برآورد می‌شود. شکل زیر، نمای ساده‌ای از یک آبخوان را نشان می‌دهد که توده‌ای از کربن دی‌اکسید به زیر سنگ‌پوش (Caprock) تزریق شده است. سنگ‌پوش به عنوان یک لایه غیرقابل نفوذ عمل می‌کند و از نشت کربن دی‌اکسید به بالا جلوگیری می‌کند. توده کربن‌دی‌اکسید تزریق شده درون سنگ‌های متخلخل (Porous Rock) که حاوی آب شور (Brine) هستند، جای می‌گیرد و به سمت بالای مخزن حرکت می‌کند. این فرآیند منجر به اشباع کربن‌دی‌اکسید در این سنگ‌ها می‌شود که غلظت آن در بخش‌های مختلف سنگ متفاوت است.
بازیابی بهبود یافته نفت (EOR)
بازیابی بهبود یافته نفت (EOR)[1] شامل تزریق کربن‌دی‌اکسید به چاه‌های نفت و گاز برای افزایش تولید است. فرایند بازیابی بهبود یافته نفت در شکل زیر نمایش داده شده است. در عمق بیش از 700 متر، کربن‌دی‌اکسید به حالت فوق بحرانی درمی‌آید و به‌عنوان یک حلال مؤثر عمل کرده و نفت و گاز را از لایه‌های سنگی آزاد می‌کند. این فرآیند می‌تواند به صورت ترکیبی با آب انجام شود و به عنوان یک تکنیک مرسوم از سال 1972 به‌طور گسترده استفاده شده است. یکی از مزایای EOR این است که پس از پایان تولید، کربن‌دی‌اکسید تزریق شده می‌تواند برای قرن‌ها یا هزاران سال در مخزن باقی بماند. برخی از مخازن ممکن است ظرفیت ذخیره‌سازی کربن‌دی‌اکسید تولید شده در اثر احتراق نفت استخراج شده را داشته باشند که در موارد خاص تولید کربن خنثی را امکان‌پذیر می‌کند.
چالش‌های اقتصادی و فنی شامل هزینه‌های بالای تجهیزات و تزریق کربن‌دی‌اکسید و همچنین رقابت با روش‌های دیگر بازیابی نفت (مانند استفاده از بخار، مواد شیمیایی یا پلیمرها) است. ظرفیت ذخیره‌سازی جهانی کربن‌دی‌اکسید از طریق EOR بین 50 تا 350 گیگاتن برآورد شده که بیش از 80 درصد آن در میادین نفت و گاز خشکی است.
فناوری‌های جذب، استفاده و ذخیره‌سازی کربن (CCUS) در برخی موارد، مانند جذب کربن‌دی‌اکسید از منابع با خلوص بالا یا استفاده از بازیابی بهبود یافته نفت (EOR) به‌عنوان یک گزینه ذخیره‌سازی، به سطح بلوغ نسبی رسیده‌اند. با این حال، اجرای پروژه‌های تجاری و یکپارچه CCS هنوز در مرحله توسعه و تحقیق قرار دارد.
جمع‌بندی
فناوری‌های CCUS از جمله ابزارهای اساسی برای دستیابی به اهداف کربن صفر و کاهش تغییرات خطرناک آب‌وهوایی هستند. فناوری‌هایی مانند BECCS و DACCS نشان‌دهنده قابلیت‌های پیشرفته برای جذب کربن‌دی‌اکسید از جو و ذخیره طولانی‌مدت آن در زیر زمین هستند. همچنین، استفاده از آبخوان‌ها و روش‌های بازیابی بهبود یافته نفت (EOR) ظرفیت‌های عظیمی برای ذخیره‌سازی کربن‌دی‌اکسید فراهم کرده و حتی می‌توانند به تولید نفت و گاز با انتشار کربن خنثی منجر شوند.
با وجود این، توسعه فناوری‌های CCUS نیازمند سرمایه‌گذاری گسترده، همکاری بین‌المللی و تدوین قوانین و استانداردهای مشترک است. ایجاد زیرساخت‌های پیشرفته برای انتقال و ذخیره‌سازیو تحقیقات بیشتر در زمینه کاهش هزینه‌ها از جمله اقداماتی هستند که باید در این راستا انجام شود. اگرچه مسیر پیش‌رو چالش‌برانگیز است اما فناوری‌های CCUS می‌توانند به یکی از ستون‌های اصلی استراتژی‌های جهانی برای مقابله با تغییرات اقلیمی تبدیل شوند و در نهایت به تحقق توسعه پایدار و حفاظت از محیط‌زیست کمک کنند.
مراجع
[1] Enhanced Oil Recovery
[1]Biomass Energy with Carbon Capture and Storage
[2] Direct Air Carbon Capture and Storage
[1] Carbon Capture Utilization and Storage
