جذب، استفاده و ذخیره کربن رویکردی فن آورانه جهت مقابله با گرمایش جهانی
جذب، استفاده و ذخیره کربن رویکردی فن آورانه جهت مقابله با گرمایش جهانی
دکتر علیرضا واعظی
مهندس عمار قاسمیان عزیزی
مهندس مریم کرمی
دکتر حمید نظری
پیشگفتار
توسعه فعالیتهای صنعتی و افزایش مصرف انرژی در دهههای اخیر، با رشد قابلتوجه انتشار گازهای گلخانهای و در پی آن افزایش دمای میانگین کره زمین همراه بوده است. پیامدهای این روند، نگرانیهای گستردهای را درباره آینده اقلیم، محیطزیست و پایداری زندگی بشر به وجود آورده است. از مهمترین گازهای گلخانهای میتوان به دیاکسیدکربن، متان، بخار آب، اوزون و دینیتروژن مونوکسید (نیتروز اکسید) اشاره کرد. در این میان، دیاکسیدکربن جایگاهی ویژه دارد؛ زیرا بخش قابلتوجهی از انتشار آن ناشی از فعالیتهای انسانی و بهویژه فعالیتهای صنعتی است.
بر اساس آمار منتشرشده توسط آژانس بینالمللی انرژی در سال ۲۰۲۰، فعالیتهای صنعتی سالانه حدود ۸ میلیارد تن انتشار مستقیم دیاکسیدکربن ایجاد میکنند که نزدیک به ۷۰ درصد آن به صنایع سنگینی همچون تولید سیمان، آهن و فولاد و محصولات شیمیایی و پتروشیمیایی اختصاص دارد. با احتساب انتشار غیرمستقیم، صنعت در مجموع حدود ۴۰ درصد از کل انتشار جهانی دیاکسیدکربن ناشی از فعالیتهای انسانی را به خود اختصاص میدهد.
از سوی دیگر، انتظار میرود تقاضا برای محصولات و خدمات صنعتی دستکم تا میانه قرن حاضر همچنان روندی افزایشی داشته باشد. رشد جمعیت جهان و افزایش نیاز به مواد غذایی، پوشاک، مسکن، حملونقل و سایر خدمات، به توسعه فعالیتهای صنعتی و در نتیجه افزایش تقاضا برای انرژی و مواد اولیه منجر خواهد شد. برآوردها نشان میدهد که در صورت تداوم روند موجود، انتشار مستقیم دیاکسیدکربن صنایع میتواند از حدود ۸ میلیارد تن در سال به حدود ۱۰ میلیارد تن در سال ۲۰۶۰ افزایش یابد؛ در حالی که برای دستیابی به اهداف اقلیمی، این مقدار باید به حدود ۷/۴ میلیارد تن در سال کاهش پیدا کند. بنابراین، تحقق همزمان توسعه صنعتی و کاهش چشمگیر انتشار گازهای گلخانهای، مستلزم بهرهگیری گسترده از فناوریهای نوین و توسعه زنجیره ارزش مرتبط با آنهاست. بدون چنین فناوریهایی، دستیابی به هدف انتشار خالص صفر عملاً با چالشهای جدی مواجه خواهد بود.
تغییر اقلیم پدیدهای جهانی است و به مرزهای جغرافیایی و سیاسی محدود نمیشود؛ ازاینرو، مقابله با آن نیازمند همکاری و اقدام مؤثر همه کشورهاست. حرکت به سوی کاهش انتشار گازهای گلخانهای و دستیابی به انتشار خالص صفر، در آیندهای نزدیک به یکی از الزامات اساسی توسعه کشورها تبدیل خواهد شد. در این شرایط، جامعه علمی، فنی و مهندسی کشور باید با اتخاذ رویکردی آیندهنگر، سهم خود را در توسعه دانش و فناوریهای مرتبط ایفا کند. همچنین، عقبماندگی در این حوزه میتواند در آینده پیامدهای اقتصادی، سیاسی و زیستمحیطی قابلتوجهی برای کشورها به همراه داشته باشد.
در سالهای اخیر، اهمیت کاهش انتشار دیاکسیدکربن به اندازهای افزایش یافته است که سازمانها و نهادهای متعددی در سراسر جهان، توسعه راهکارهای دستیابی به انتشار خالص صفر را در دستور کار قرار دادهاند. در این میان، فناوری جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS) بهعنوان یکی از راهکارهای مهم برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای مطرح شده است. بر اساس دیدگاه نویسندگان این کتاب، با توجه به تجارب و مطالعات انجامشده در حوزه تغییر اقلیم، فناوری، صنعت و مهندسی، CCUS میتواند نقشی کلیدی در مسیر کاهش انتشار و دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر ایفا کند و انتظار میرود این فناوریها در فاصله سالهای ۲۰۴۰ تا ۲۰۵۰ به بلوغ بیشتری رسیده و کاربرد گستردهتری در جهان پیدا کنند.
در حال حاضر، صنایع نفت و گاز و تولید برق از مهمترین بخشهایی هستند که توجه ویژهای به فناوری CCUS نشان دادهاند و بخش قابلتوجهی از پروژههای این حوزه را به خود اختصاص دادهاند. بااینحال، کاربرد CCUS به این صنایع محدود نمانده و بهتدریج وارد مرحلهای شده است که از آن با عنوان «صنعتیسازی» یاد میشود. منظور از صنعتیسازی، گسترش کاربرد این فناوری در طیف وسیعی از صنایع با منابع و الگوهای متفاوت انتشار دیاکسیدکربن است. در سالهای اخیر، علاوه بر صنایعی مانند سیمان و آهن و فولاد، کاربرد CCUS در حوزههای نوظهوری همچون تولید هیدروژن آبی نیز مورد توجه قرار گرفته است. یکی از نخستین نمونههای بزرگمقیاس و تجاری استفاده از فناوری CCUS در نیروگاههای تولید برق، پروژه SaskPower Boundary Dam در کانادا بود که در سال ۲۰۱۴ به بهرهبرداری رسید.
پیشبینی میشود در دهه آینده تعداد واحدهای فعال CCUS حدود ۷۰ درصد افزایش یافته و تا سال ۲۰۳۰ به حدود ۱۲۰ پروژه برسد. همزمان، انتظار میرود ظرفیت متوسط این واحدها نیز افزایش یابد و حجم فعالیت آنها از کمتر از یک میلیون تن در سال به حدود پنج میلیون تن در سال برسد. توسعه پروژهها و هابهای بزرگ تولید هیدروژن آبی نیز از عوامل مؤثر در افزایش ظرفیت CCUS خواهد بود. این روند تا حد زیادی تحت تأثیر سیاستها و فشارهای قانونی برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای قرار دارد؛ از جمله وضع مالیات بر کربن و تعیین اهداف ملی برای دستیابی به انتشار خالص صفر. بر اساس سناریوی انتشار خالص صفر (NZE)، انتظار میرود فناوری CCUS در سال ۲۰۵۰ حدود ۸ درصد از کل کاهش تجمعی انتشار گازهای گلخانهای را به خود اختصاص دهد.
هیدروژن آبی، فولاد و سیمان از جمله حوزههایی هستند که کاربرد CCUS در آنها هنوز در مراحل توسعه قرار دارد و انتظار میرود سرمایهگذاری در این بخشها طی سالهای آینده افزایش یابد. صنایع فولاد و سیمان، به دلیل شدت بالای انتشار دیاکسیدکربن، از مهمترین حوزههای بالقوه برای استفاده از این فناوری به شمار میروند. در سالهای اخیر، CCUS در واحدهای آزمایشی و پایلوت صنایع آهن و فولاد و سیمان مورد استفاده قرار گرفته و در تعداد محدودی از پروژههای بزرگمقیاس نیز به کار گرفته شده است. پیشبینی میشود تعداد پروژههای بزرگمقیاس این صنایع از سه واحد در سال ۲۰۲۰ به هفت واحد در سال ۲۰۳۰ افزایش یابد.
در سالهای پیشرو، صنایعی مانند تولید محصولات شیمیایی و هیدروژن آبی نیز بیش از گذشته به سمت استفاده از فناوری CCUS حرکت خواهند کرد. برای نمونه، برخی کشورها از جمله انگلستان در تلاشاند بخشی از سوخت مصرفی خود را از سوختهای فسیلی به سمت هیدروژن سوق دهند و هیدروژن آبی را بهعنوان جایگزینی برای گاز طبیعی توسعه دهند. در همین راستا، انجام مطالعات گسترده، اجرای پروژههای پایلوت و بررسی کاربرد CCUS در مقیاسهای مختلف در دستور کار قرار گرفته است.
همچنین، استفاده از فناوری CCUS در نیروگاههای تولید برق با سوخت زغالسنگ، سوختهای هیدروکربنی مایع یا گاز و حتی سوخت زیستتوده میتواند به کاهش چشمگیر انتشار دیاکسیدکربن کمک کند. این فناوری میتواند امکان تداوم فعالیت بخشی از این زیرساختها را در مسیر گذار به یک نظام انرژی کمکربن فراهم سازد.
هدف از تدوین این کتاب، فراهم کردن زمینهای برای آشنایی جامعه علمی و مهندسی، قانونگذاران و سیاستگذاران کشور با مفهوم CCUS و تبیین نقش و جایگاه آن در آینده صنعت و انرژی است. CCUS در واقع یک فناوری منفرد نیست، بلکه مجموعهای از فناوریها و فرایندهای مکمل را دربرمیگیرد که هر یک بخشی از چرخه مدیریت دیاکسیدکربن را پوشش میدهند. مهمترین این فناوریها عبارتاند از:
جذب: فرایند جداسازی و جذب دیاکسیدکربن از منابع تولید یا جریانهای گازی حاوی CO2 که روشهایی مانند پیشاحتراق، پسااحتراق و اکسیاحتراق را شامل میشود.
انرژی زیستی همراه با جذب و ذخیره کربن (BECCS): مجموعه فناوریهایی برای جذب و ذخیره دیاکسیدکربن حاصل از زیستتوده که از منابع انرژی تجدیدپذیر محسوب میشود.
جذب مستقیم از هوا (DAC): فرایند جذب مستقیم دیاکسیدکربن از اتمسفر، به جای تمرکز بر منابع نقطهای انتشار، با هدف استفاده مجدد یا ذخیرهسازی آن. این فناوری از منظر ایجاد انتشار منفی در آینده اهمیت ویژهای دارد.
ترسیب: فرایند بهداماندازی و ذخیره دیاکسیدکربن جذبشده در سازندهای زمینشناختی و سایر مخازن مناسب.
استفاده: بهرهگیری از دیاکسیدکربن جذبشده در کاربردهای مختلف، از جمله تولید مواد شیمیایی، سوخت و سایر محصولات صنعتی.
جذب کربن سیار: فناوریهایی که امکان جذب CO2 را از منابع متحرک فراهم کرده و دیاکسیدکربن جذبشده را برای ذخیرهسازی، ترسیب یا استفاده بعدی مدیریت میکنند.
صنعت تقریباً نیمی از مصرف انرژی، انتشار دیاکسیدکربن و مصرف مواد خام جهان را به خود اختصاص میدهد. ازاینرو، حرکت به سوی صنعتی پایدار و کمکربن، مستلزم تصمیمگیریهای بلندمدت و کوتاهمدت، بازنگری در زنجیرههای ارزش و ایجاد تغییرات اساسی در شیوه تأمین مواد اولیه و انرژی است. صنعت طی دهههای گذشته عمدتاً بر مواد خام و منابع فسیلی همچون زغالسنگ، نفت و گاز متکی بوده و بسیاری از زیرساختها و فرایندهای آن بر همین اساس شکل گرفتهاند. چالش اصلی امروز، یافتن مسیرهایی برای گذار به صنعتی کمکربن، پایدار و در نهایت خنثی از نظر انتشار کربن است؛ مسیری که در آن تولید محصولات با اتکا به انرژیهای پایدار و تجدیدپذیر و ایجاد زنجیرههای ارزش سبز امکانپذیر باشد. این گذار، در کنار فرصتهای فراوان، با ابهاماتی همچون دسترسی و عرضه انرژیهای تجدیدپذیر، تأمین مواد اولیه پایدار، تغییر قوانین و تحول تقاضای بازار نیز همراه خواهد بود.
در ادامه مجموعه کتابهای منتشرشده با موضوع «تغییر اقلیم و سیر تکامل انرژیهای تجدیدپذیر و همچنین انرژیهای زیستی و هیدروژنی: راهکاری برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای» در پژوهشکده علوم زمین (RIES)، این جلد با هدف ارائه تصویری جامع از وضعیت تحقیق، توسعه و نمایش فناوری جذب، استفاده و ذخیره کربن در بخش برق و صنایع تدوین شده است. در این اثر، طیف گستردهای از فرایندهای مرتبط با احتراق و فناوریهای قابل استفاده در نیروگاههای سوخت فسیلی و همچنین کاربردهای CCUS در صنایع با ردپای کربن بالا مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی آن است که با تبیین اهمیت کاهش انتشار گازهای گلخانهای و نقش آن در تکمیل چرخه توسعه پایدار و افزایش تابآوری اقلیمی، مفهوم و کاربرد CCUS در مقیاس صنعتی برای جامعه علمی و دانشجویی، سیاستگذاران، مدیران صنایع و سایر علاقهمندان به آینده پایدار ایران، به زبانی روشن و قابل استفاده ارائه شود.
در این کتاب تلاش شده است ضمن معرفی و تشریح فناوریهای مختلف CCUS، جایگاه و نقش آنها در آینده صنعت و مدیریت انتشار کربن تبیین شود و زمینهای برای آشنایی بیشتر متخصصان و تصمیمگیران کشور با ظرفیتهای این فناوری فراهم آید. در این مسیر، توسعه دانش و زیرساختهای داخلی در تمامی حوزههای مرتبط با CCUS اهمیت ویژهای دارد تا از یکسو وابستگی به دانش و فناوری خارجی کاهش یابد و از سوی دیگر، وابستگی به واردات مواد اولیه، بهویژه مواد شیمیایی مورد استفاده در فرایندهای CCUS، به حداقل برسد.
امید است این اثر، هرچند گامی کوچک، بتواند در مسیر توسعه دانش و فناوریهای مرتبط با کاهش انتشار گازهای گلخانهای و دستیابی به آیندهای پایدار برای کشور مؤثر واقع شود و چشماندازی تازه از این حوزه را پیش روی دانشجویان، پژوهشگران، متخصصان، مدیران و آیندهسازان ایران قرار دهد.
در پایان، مؤلفان از همکاری و همراهی صمیمانه جناب آقای عرفان شعبانزاده، تصویرگر کتاب، صمیمانه قدردانی میکنند.