Wykorzystanie CO₂ do przekształcenia odpadów w cenny surowiec wtórny

Wychwytywanie dwutlenku węgla to rozwiązanie umożliwiające zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych (GHG) przez przemysł. Po wychwyceniu dwutlenku węgla ze strumienia gazów procesowych jest on zwykle transportowany z miejsca jego pozyskiwania do miejsca długoterminowego składowania pod ziemią. Jednak sama technologia i ciągłe monitorowanie składowisk są bardzo kosztowne.

Aby częściowo zrekompensować te koszty, wychwytywany CO₂ może być ponownie wykorzystany do tworzenia wartości zamiast jedynie składowany. Praktyka ta znana jako recykling dwutlenku węgla jest częścią technologii wychwytywania, wykorzystania i magazynowania dwutlenku węgla (CCUS), czyli kompleksowego rozwiązania, które ma pomóc w osiągnięciu zerowej emisji netto do 2050 roku i ograniczyć zagrożenia dla klimatu.

Obecnie ilość dwutlenku węgla wychwytywanego ze strumieni gazów spalinowych wynosi 45 mln ton rocznie, co stanowi około 0.1% globalnej wielkości emisji wszystkich branż przemysłu. Według modeli klimatycznych Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu oraz Międzynarodowej Agencji Energetycznej do 2030 roku technologie CCUS mogą zapewnić wychwytywanie zawrotnej ilości 1 mld ton CO₂ rocznie, a do roku 2050 kilka mld ton. Gdyby po osiągnięciu tego pułapu wielkość emisji dwutlenku węgla przez przemysł i inne sektory otrzymywała się mniej więcej na tym samym poziomie, wielkość emisji gazów cieplarnianych mogłaby zostać zmniejszona o około 10%.

Technologie CCUS wymagają wiarygodnych pomiarów w kluczowych punktach, aby zapewnić jakość i bezpieczeństwo procesów. Zwykle obejmuje to pomiary poziomu, przepływu, temperatury, ciśnienia, pomiary analityczne cieczy, oraz, coraz częściej, analizy gazów za pomocą spektroskopii ramanowskiej i analizatorów TDLAS.

Zważywszy na wysoki koszt wychwytywania CO₂, firmy wykorzystujące technologie CCUS są zainteresowane możliwościami przekształcania znacznych ilości tego gazu w cenny produkt. Wykorzystanie dwutlenku węgla może być korzystne w wielu zastosowaniach i branżach przemysłu, dla przykładu:

Budownictwo, znane z wysokiego zużycia energii i dużego śladu węglowego, może wykorzystać technologie wychwytywania i wykorzystania CO₂ do stworzenia bardziej zrównoważonych materiałów budowlanych. Konwencjonalne technologie produkcji cementu wykorzystujące zwykle olej opałowy ciężki, gaz ziemny lub inne paliwa pozyskiwane z odpadów, przewidują podgrzewanie materiałów do temperatur powyżej 1450°C (2642°F). Poza tym reakcja chemiczna zwykle wykorzystywana do produkcji cementu wymaga przekształcenia węglanu wapnia w związki podobne do tlenku wapnia, a produktem ubocznym jest CO₂. Łączna wielkość emisji stanowi około 7% światowej produkcji gazów cieplarnianych.

Można ją jednak ograniczyć, gromadząc dwutlenek węgla z gazów spalinowych za pomocą oczyszczania aminowego i wtłaczając go do świeżego betonu podczas procesu mieszania. Wtłaczany CO₂ reaguje z jonami wapnia występującymi w mieszance betonowej tworząc węglan wapnia, naturalnie występujący środek wiążący. Wzbogaca to beton poprzez zwiększenie jego wytrzymałości na ściskanie i trwałe związanie dwutlenku węgla, co eliminuje konieczność jego magazynowania i monitorowania w formacjach geologicznych. 

Zwiększona wytrzymałość betonu umożliwia zmniejszenie ilości materiałów stosowanych w budynkach, co powoduje oszczędności częściowo rekompensujące koszty oczyszczania aminowego. Poza tym, wtłaczanie CO₂ można zintegrować z dotychczas stosowanymi technologiami produkcji betonu, przy minimalnych modyfikacjach istniejącej infrastruktury. 

Dwutlenek węgla może być również wykorzystywany do produkcji syntetycznych kruszyw, które są ważnym składnikiem betonu i mogą zastąpić konwencjonalne kruszywa kopalne. Innowatorzy pracują również nad opracowaniem opartych na biomasie alternatyw dla betonu o ujemnym śladzie węglowym, których proces produkcji pochłania więcej CO₂ niż emituje.

Wykorzystanie dwutlenku węgla może przynosić korzyści sektorowi transportowemu, uzależnionemu w dużym stopniu od paliw kopalnych. W wyniku różnych procesów chemicznych, wychwytywany CO₂ może być przekształcany w paliwa odnawialne takie, jak metanol i zrównoważone paliwo lotnicze (SAF), zmniejszając w ten sposób ślad węglowy branży lotniczej.

W procesie produkcji odnawialnego metanolu, wychwytywany dwutlenek węgla jest poddawany reakcji z zielonym wodorem w obecności katalizatora, w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Metanol może być bezpośrednio wykorzystywany jako paliwo do pojazdów lub jako surowiec do produkcji innych paliw, np. biodiesla. 

Według prognoz S&P Global, rynek odnawialnego metanolu ma ogromny potencjał i w roku 2050 roku powinien osiągnąć wielkość 400 milionów ton rocznie. Wciąż jednak istnieją pewne trudności jeśli chodzi o wykorzystanie metanolu przez sektor transportowy, w tym konieczność budowy specjalnej infrastruktury. 

Aby zmniejszyć zależność od paliw kopalnych, badane są również możliwości wykorzystania paliwa SAF w lotnictwie. W procesie produkcji SAF wychwytywany dwutlenek węgla jest najpierw łączony z wodorem w procesie znanym pod nazwą odwróconej konwersji gazu wodnego, co prowadzi do wytwarzania gazu syntezowego, czyli mieszaniny tlenku węgla i wodoru. 

Gaz syntezowy jest następnie przekształcany w mieszaninę węglowodorów w procesie Fischera-Tropscha, a mieszanina węglowodorów poddawana jest hydroprzetwarzaniu w celu usunięcia zanieczyszczeń i uzyskaniu paliwa o odpowiednich właściwościach. Właściwości paliwa lotniczego, w tym wartość energetyczna, temperatura zapłonu i temperatura zamarzania, muszą być dokładnie monitorowane i kontrolowane.

Mimo, że paliwo SAF jest wciąż na we wstępnej fazie rozwoju, według szacunków Międzynarodowego Stowarzyszenia Transportu Lotniczego, może przyczynić się do 65% redukcji emisji gazów cieplarnianych przez sektor lotniczy.

Obecnie przemysł chemiczny jest w dużym stopniu uzależniony od paliw kopalnych, ale w wielu przypadkach dwutlenek węgla może być wykorzystywany jako alternatywny surowiec do produkcji wielu chemikaliów i polimerów. Są to m.in. mocznik nawozowy, tworzywa sztuczne i materiały opakowaniowe. 

Reakcja CO₂ z amoniakiem w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury prowadzi do powstania karbaminianu amonu. W wyniku rozkładu tej substancji chemicznej powstaje mocznik i woda, które można poddać dalszej obróbce do postaci stałej i granulować, a potem wykorzystywać jako nawóz. 

Dwutlenek węgla może być również wykorzystywany do produkcji poliwęglanów. Te trwałe i przezroczyste polimery są powszechnie stosowane w elektronice, na okulary i części samochodowych. Polimery te powstają w obecności katalizatora w wyniku bezpośredniej reakcji CO₂ z epoksydami, należącymi do cyklicznych eterów. 

Kolejnym ważnym zastosowaniem dwutlenku węgla w przemyśle chemicznym jest produkcja poliuretanu. Znane ze swojej uniwersalności i możliwości stosowania w piankach, powłokach i materiałach izolacyjnych, poliuretany są tradycyjnie wytwarzane z polioli pochodzących z paliw kopalnych. Producenci mogą jednak zastąpić je poliolami na bazie dwutlenku węgla, co zmniejsza zależność od paliw konwencjonalnych i zmniejsza ślad węglowy produktów na bazie poliuretanów.  

Te zrównoważone technologie w ramach gospodarki o obiegu zamkniętym są obiecujące, ale stają w obliczu wyzwań związanych z konkurencyjnością w stosunku do produktów wytwarzanych tradycyjnymi technologiami, opartymi na paliwach kopalnych, ze względu na wyższy koszt związany z wychwytywaniem dwutlenku węgla. 

Sektor rolniczy również może czerpać korzyści z wykorzystania dwutlenku węgla, zarówno w nawozach mocznikowych, jak i poprzez bezpośrednie wykorzystanie. Wykorzystanie dwutlenku węgla w szklarniach może sprzyjać wzrostowi roślin i zwiększaniu plonów. Ponadto wychwytywany CO₂ może być wykorzystywany do uprawy glonów, które mogą być przetwarzane na biopaliwa, paszę dla zwierząt i produkty żywnościowe.

Wdrożenie technologii CCUS, mimo że nie naruszają one równowagi ekologicznej, napotyka na duże przeszkody. Bardzo kosztowne jest zwłaszcza wdrożenie technologii wychwytywania dwutlenku węgla. Powiększenie skali produkcji celem ograniczenia emisji gazów cieplarnianych będzie wymagało znacznych nakładów inwestycyjnych w infrastrukturę i rozwój rynku. Dużą część niezbędnego kapitału będą prawdopodobnie musiały zapewnić organy administracji państwowej i organizacja pozarządowe. 

Poza tym, aby wychwytywanie i wykorzystywanie dwutlenku węgla mogło odbywać się w sposób zrównoważony, procesy te muszą być zasilane energią ze źródeł odnawialnych. Wykorzystanie paliw kopalnych w technologiach CCUS przyniosłoby efekt przeciwny do zamierzonego i zniweczyłoby korzyści dla środowiska. 

W miarę upływu czasu badania i rozwój przyczynią się do optymalizacji procesów i zwiększenia ich efektywności, co spowoduje zmniejszenie kosztów operacyjnych technologii CCUS. Opłacalność ekonomiczna, a przynajmniej opłacalność wychwytywania dwutlenku węgla, ma kluczowe znaczenie dla powszechnego stosowania w całym przemyśle, zwłaszcza że coraz więcej firm i konsumentów na całym świecie stawia na zrównoważony rozwój.  

Dalsze badania w zakresie wychwytywania i wykorzystania dwutlenku węgla pomogą zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i przekształcić szkodliwy produkt uboczny w cenny surowiec. Wykorzystanie dwutlenku węgla to jeden z wielu sposobów na zmniejszenie jego emisji przez różne gałęzie przemysłu, który przyczyni się do bardziej zrównoważonej przyszłości. 

Wychwytywanie dwutlenku węgla to rozwiązanie umożliwiające zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych (GHG) przez przemysł. Po wychwyceniu dwutlenku węgla ze strumienia gazów procesowych jest on zwykle transportowany z miejsca jego pozyskiwania do miejsca długoterminowego składowania pod ziemią. Jednak sama technologia i ciągłe monitorowanie składowisk są bardzo kosztowne.

Aby częściowo zrekompensować te koszty, wychwytywany CO₂ może być ponownie wykorzystany do tworzenia wartości zamiast jedynie składowany. Praktyka ta znana jako recykling dwutlenku węgla jest częścią technologii wychwytywania, wykorzystania i magazynowania dwutlenku węgla (CCUS), czyli kompleksowego rozwiązania, które ma pomóc w osiągnięciu zerowej emisji netto do 2050 roku i ograniczyć zagrożenia dla klimatu.