تقنية جديدة من ETH Zurich قد تحول مصانع الأسمنت إلى مراكز لإزالة ثاني أكسيد الكربون

مقدمة: إعادة التفكير في إنتاج الأسمنت

تعد صناعة الأسمنت واحدة من أكبر المصادر الصناعية لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، حيث تمثل حوالي 8% من إجمالي انبعاثات CO2 العالمية. لعقود، ركزت جهود إزالة الكربون من هذا القطاع على احتجاز الكربون وتخزينه (CCS)، لكن التكلفة العالية للطاقة والتكلفة المالية أعاقت التبني الواسع النطاق. الآن، كشف باحثون في ETH Zurich عن نهج جديد لا يمكنه فقط تقليل الانبعاثات من مصانع الأسمنت ولكن أيضًا تمكينها من إزالة CO2 من الغلاف الجوي، مما يحول الشرير المناخي إلى بطل مناخي.

تحدي إزالة الكربون من الأسمنت

يطلق إنتاج الأسمنت ثاني أكسيد الكربون من مصدرين رئيسيين: احتراق الوقود الأحفوري لتسخين الفرن (حوالي 40% من الانبعاثات) والعملية الكيميائية لتكليس الحجر الجيري (حوالي 60% من الانبعاثات). هذا الأخير متأصل في العملية ولا يمكن تجنبه بالتحول إلى الطاقة المتجددة. طرق احتجاز الكربون التقليدية تلتقط CO2 من غازات المداخن، لكنها تتطلب طاقة كبيرة للفصل والضغط، مما يجعلها مكلفة وتقلل من كفاءة المصنع.

ابتكار ETH Zurich

التقنية الجديدة، التي طورها فريق بقيادة البروفيسور ماركو مازوتي، تتبع نهجًا مختلفًا. بدلاً من التقاط CO2 من غاز المداخن، تدمج العملية احتجاز الكربون مباشرة في خط إنتاج الأسمنت. المفتاح هو استخدام دورة كالسيوم looping، حيث يتم استخدام مادة ماصة قائمة على الكالسيوم (مثل أكسيد الكالسيوم) لامتصاص CO2 من غاز المداخن، لتكوين كربونات الكالسيوم. ثم يتم تسخين الكربونات في مفاعل منفصل لإطلاق تيار نقي من CO2، يمكن تخزينه أو استخدامه، ويتم إعادة تدوير أكسيد الكالسيوم.

ما يجعل هذا الابتكار فريدًا هو طريقة دمجه مع فرن الأسمنت. يتم استخدام الحرارة المهدرة من الفرن لدفع عملية تكليس كربونات الكالسيوم، مما يقلل من عقوبة الطاقة. علاوة على ذلك، يمكن تصميم العملية لتعمل في وضع 'الانبعاثات السلبية': باستخدام الكتلة الحيوية كوقود أو عن طريق التقاط CO2 من الهواء في خطوة مسبقة، يمكن للمصنع إزالة CO2 من الغلاف الجوي أكثر مما ينبعث منه.

كيف يعمل: نظرة عامة خطوة بخطوة

• يتم تمرير غاز المداخن من فرن الأسمنت عبر مفاعل كربنة يحتوي على أكسيد الكالسيوم (CaO).
• يتفاعل CaO مع CO2 لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3)، مما يزيل CO2 من تيار الغاز.
• ثم يتم نقل CaCO3 إلى مكلفن، حيث يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية (حوالي 900 درجة مئوية) باستخدام الأكسجين والوقود، مما يطلق تيار CO2 نقي.
• يتم ضغط CO2 ويكون جاهزًا للتخزين أو الاستخدام، بينما يعاد CaO المتجدد إلى الكربنة.
• يتم توفير الحرارة للمكلفن عن طريق حرق الوقود في بيئة غنية بالأكسجين (احتراق الأكسجين والوقود)، ويكون غاز المداخن الناتج تقريبًا CO2 نقي، مما يجعل الالتقاط أسهل.

التأثير المحتمل على الانبعاثات

وفقًا للباحثين، يمكن لهذه التقنية التقاط ما يصل إلى 90% من انبعاثات CO2 من مصنع الأسمنت. إذا تم دمجها مع وقود الكتلة الحيوية أو التقاط الهواء المباشر، يمكن أن تحقق انبعاثات سلبية صافية. سيكون هذا بمثابة تغيير جذري لصناعة الأسمنت، التي تتعرض لضغوط متزايدة لتقليل بصمتها الكربونية. نظام تداول الانبعاثات في الاتحاد الأوروبي وآليات تسعير الكربون الأخرى تجعل المنتجات عالية الكربون أكثر تكلفة، لذا فإن منتجي الأسمنت حريصون على حلول فعالة من حيث التكلفة.

الجدوى الاقتصادية وقابلية التوسع

أجرى فريق ETH Zurich تحليلًا تقنيًا اقتصاديًا يظهر أن عملية كالسيوم looping يمكن أن تكون منافسة اقتصاديًا مع طرق احتجاز الكربون الأخرى، خاصة عند النظر في إمكانية بيع CO2 لاستخدامه في الوقود الاصطناعي أو المواد الكيميائية. يمكن تعديل التقنية لتناسب المصانع الحالية، مما يقلل من تكاليف رأس المال. يعمل الباحثون الآن على مصنع تجريبي لإظهار العملية على نطاق أوسع، مع آمال في النشر التجاري خلال العقد القادم.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

بينما التقنية واعدة، هناك تحديات يجب التغلب عليها. درجات الحرارة المرتفعة المطلوبة للتكليس والحاجة إلى إمدادات الأكسجين تضيف إلى تكاليف التشغيل. متانة المادة الماصة على مدى دورات عديدة هي أيضًا مصدر قلق، حيث يمكن أن تتدهور بمرور الوقت. يستكشف الفريق طرقًا لتعزيز استقرار المادة الماصة وتقليل استهلاك الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتطلب التكامل مع عمليات المصنع الحالية هندسة دقيقة لتجنب الاضطرابات.

آثار أوسع للعمل المناخي

إذا نجحت، يمكن أن تكون هذه التقنية مساهمًا رئيسيًا في أهداف المناخ العالمية. تعتبر صناعة الأسمنت 'صعبة التخفيف' بسبب الانبعاثات المتأصلة في العملية. من خلال تمكين الانبعاثات السلبية، يمكن أن يساعد هذا النهج في تعويض الانبعاثات من قطاعات أخرى. كما يتماشى مع الاهتمام المتزايد بتقنيات إزالة ثاني أكسيد الكربون (CDR)، والتي تعتبر ضرورية لتحقيق أهداف صافي الصفر بحلول منتصف القرن.

الخلاصة

يمثل ابتكار ETH Zurich خطوة مهمة إلى الأمام في مكافحة تغير المناخ. من خلال تحويل مصانع الأسمنت إلى مرافق لإزالة CO2، يقدم حلاً عمليًا وقابلاً للتطوير لواحد من أكثر القطاعات الصناعية تحديًا. بينما هناك حاجة إلى مزيد من البحث والتطوير، الفوائد المحتملة هائلة. بينما يسعى العالم إلى إزالة الكربون، يمكن أن تلعب هذه التقنية دورًا حاسمًا في بناء مستقبل مستدام.

تستند هذه المقالة إلى تقارير من Interesting Engineering. اقرأ المقال الأصلي.