카본 포집 및 이용

Carbon capture and utilization
회수된 이산화탄소의 격리 및 이용 비교

탄소포착 및 이용(CCU)은 이산화탄소(CO2)를 포획하여 [1]재사용하는 프로세스입니다.탄소 포집 및 활용은 주요 고정([2]산업) 배출국에서 발생하는 온실 가스 배출량을 크게 감소시켜야 하는 세계적인 과제에 대한 대응을 제공할 수 있다.CCU는 이산화탄소의 영구적인 지질 저장을 목표로 하지 않거나 초래하지 않는다는 점에서 탄소 포획 및 저장(CCS)과 다르다.대신, CCU는 생산 공정의 탄소 중립성을 유지하면서 회수된 이산화탄소를 플라스틱, 콘크리트 또는 바이오 연료와 같은 더 가치 있는 물질이나 제품으로 전환하는 것을 목표로 합니다.

포획된2 CO는 여러 제품으로 변환할 수 있다. 한 그룹은 바이오 연료 및 기타 대체 및 재생 에너지원으로 사용할 알코올이다.다른 상업용 제품으로는 플라스틱, 콘크리트 및 다양한 화학 [3]합성을 위한 반응물이 있다.

CCU가 대기에 양의 순 탄소를 발생시키지는 않지만 고려해야 할 몇 가지 중요한 고려사항이 있다.CO는 열역학적으로 안정된 형태의 탄소 생산물이기 때문에2 에너지 [4]집약적입니다.CCU에 투자하기 전에 제품을 만들기 위한 다른 원자재의 가용성도 고려해야 합니다.

포획과 이용에 대한 다양한 잠재적 선택지를 고려할 때, 화학 물질, 연료 및 미세 조류와 관련된 것은 CO 제거 가능성이2 제한적인 반면 건축 자재와 농업 용도와 관련된 것은 더 [5]효과적일 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

CCU의 수익성은 부분적으로 대기 중으로 방출되는 CO의2 탄소 가격에 달려 있다.

탄소원

CO는2 일반적으로 석유화학 [6]플랜트와 같은 중공업의 고정점 공급원에서 수집된다.이러한2 배기가스 흐름에서 포착된 CO의 농도는 다양합니다.일반적인 석탄 발전소는 연도 가스 배출 [7]흐름에서 10-12%의2 CO 농도를 가집니다.바이오 연료 정제소는 물과 [7]에탄올과 같은 소량의 불순물로 높은 순도의 CO를2 생성합니다(99%).분리공정 자체는 흡수, 흡착 또는 [8]막과 같은 분리공정을 통해 수행될 수 있다.

CCU 프로세스에서 채취할 수 있는 또 다른 원천은 플랜테이션의 사용이다.이 개념은 대기 중 CO 수준이2 연간 약 5ppm(ppm/m)의 변동을 겪는다는 킬링 곡선의 관측에서 비롯되었으며, 이는 북반구와 [9][10]남반구 사이의 식물 계절적 변화와 육지 질량의 차이에서 기인한다.그러나 발전소에 의해 격리된 CO는2 발전소가 죽으면 대기로 되돌아간다.따라서 빠른 성장과 높은 탄소포착률을 고려하여 C4 광합성으로 작물을 심은 후 토양에 영구적으로 [11]저장되는 바이오차르 등의 응용을 위한 바이오매스를 처리하는 것이 제안된다.

테크놀로지 및 응용 사례

시리즈의 일부
지속 가능한 에너지
A car drives past 4 wind turbines in a field, with more on the horizon
에너지 절약
재생 가능 에너지
지속 가능한 수송

CO2 전해

주요 기사:이산화탄소 전기화학적 저감
다음 항목도 참조하십시오.이종 촉매 작용

CO를2 다양한 부가가치 제품으로 환원하는 것은 수년간 개발되어 왔습니다.포름산염, 옥살산염, 메탄올 등이 주요 타깃으로 꼽히는데, 이는 CO로부터의2 전기화학적 형성이 매우 환경적으로 지속 가능한 [12]관행이기 때문이다.예를 들어, CO는2 수용성 촉매 작용 과정에서 [13][14]포집되어 탄소 중립 연료로 전환될 수 있다.이러한 방식으로 CO를2 직접 에탄올로 변환할 수 있으며, 에탄올은 가솔린 및 제트 [15]연료로 업그레이드할 수 있습니다.

탄소 중립 연료

주요 기사: 탄소 중립 연료

대기 중 포집된2 CO를 주 탄화수소원으로 하여 탄소중립연료를 합성할 수 있다.그런 다음 연료가 연소되고 연소2 과정의 부산물인 CO가 다시 공기 중으로 방출됩니다.이 과정에서 대기 중에 방출되거나 제거되는 순 이산화탄소가 없으므로 탄소 중립 연료라고 합니다.

메탄올 연료

탄화수소를 생산하는 검증된 과정은 메탄올을 만드는 것이다.전통적으로 메탄올은 천연가스로 [16]생산된다.메탄올은 CO와2 H에서 쉽게2 합성되며, 이를 바탕으로 메탄올 경제라는 아이디어가 탄생했다.

메탄올 또는 메틸알코올은 화학식이 CHOH인3 알코올 유기 화합물 제품군 중 가장 단순한 구성원입니다.메탄올 연료는 회수된 이산화탄소를 사용하여 재생 에너지로 제조할 수 있다.따라서 메탄올 연료는 탄소 중립적 [17][18]지속가능성을 달성하기 위해 발전 시 화석 연료의 대안으로 검토되어 왔다.아이슬란드 그린다비크에 생산 시설을 가진 카본 리사이클링 인터내셔널은 현재 연간 4,000톤 규모의 재생 가능한 [19]고옥탄 메탄올 연료를 판매하고 있습니다.

화학 합성

바람직한1 C(1탄소) 화학원료로서 미리 포집한 CO를2 다양한 제품으로 전환할 수 있다.이러한 생성물 중 일부는 폴리카보네이트(아연 기반 촉매 경유) 또는 [20]아세트산,[20] [21]요소 및 PVC와 같은 기타 유기물을 포함합니다.현재 요소 생산의 75%(1억1200만t), 메탄올 생산의 2%, 살리실산 생산의 43%(3만t), 순환 탄산염 생산의 50%(4만t)가 CO를 [22]공급원료로 사용하고2 있다.지방족(직선 사슬) 화합물이 분해되어 이르면 6개월 [21]내에 대기 중으로 CO를 방출할2 수 있기 때문에 화학적 합성은 CO의 영구2 저장/활용이 아니다.

강화된 오일 회수(EOR)

주요 기사:강화된 오일 회수

EOR에서는 포획된2 CO를 유정에 의해 추출되는 유량을 증가시키기 위해 고갈된 유전에 주입한다.이 방법은 오일 배출량을 5~40%[21] 증가시키는 것으로 입증되었습니다.

Enhanced Gas recovery

탄소 분리 및 가스 회수 강화(CSEGR)는 가스 저장고 깊숙이 CO를 주입하고2, 그 결과 어느 정도 떨어진 가스정에서 메탄4(CH)을 생성하는 공정입니다.CO의 활성2 주입에 의한 이 과정은 억제 및 메탄 치환을 유발하므로, 수력 구동 또는 고갈 구동 [23]작업에 비해 가스 회수가 향상됩니다.

탄소광물화

주요 기사:광물화(토양과학)

연도 가스 등의 소스로부터의 이산화탄소와 산화 마그네슘, 산화칼슘 등의 미네랄을 반응시켜 안정된 고체 탄산을 형성한다.이러한 광물은 채굴하거나 기존의 염수 및 폐공업 광물(슬래그 포함)을 [24]재사용할 수 있습니다.생산된 탄산염은 건설, 소비자 제품 및 탄소 포획 및 격리(CCS)의 대안으로 사용될 수 있습니다.

미네랄 탄산염이 [24]3.7톤 생성될 때마다 약 1톤의 CO가2 공기 중에서 제거됩니다.

미세조류의 바이오 연료

주요 기사:조류 연료
연료는 조류에서 생산될 수 있다.

미세조류가 대체 [25]에너지원으로 사용될 수 있다는 연구결과가 나왔다.미세조류 연못에 연도 가스 등의 이산화탄소원을 공급하고 미세조류를 증식시킨다.녹조는 수확되고 얻은 바이오매스는 바이오 연료로 전환된다.생성된 건조 조류 바이오매스 1톤당 약 1.8톤의 CO를2 공기 중에서 제거할 수 있지만,[26] 이 수치는 실제로 종류에 따라 다릅니다.수집된2 CO는 생성된 바이오 연료가 연소되고 CO가2 다시 공기 중으로 방출되기 때문에 비영구적으로 저장됩니다.그러나 방출된 이산화탄소는2 대기에서 먼저 포착되어 다시 대기 중으로 방출되면 연료가 탄소 중립 연료로 변하게 됩니다.이 기술은 [27]아직 성숙하지 않았다.

농업

주요 기사:바이오차

기후변화 완화 노력으로도 제안된 접근방식은 발전소 기반 탄소 [28]포집을 수행하는 것이다.생성된 바이오매스는 연료로 사용될 수 있으며, 바이오카르의 부산물은 토양 강화제로 농업에 응용될 수 있습니다.쿨플래닛은 캘리포니아 카마릴로에 R&D 공장을 둔 민간기업으로 농업용 바이오차 개발을 진행했으며, 토양건강과 영양소 [29][unreliable source?]보유 개선을 통해 농작물 수확량을 12.3% 높이고 투자수익률을 3배 높일 수 있다고 주장했다.그러나 기후변화 완화를 위한 식물 기반 탄소 포획의 효과에 대한 주장은 상당한 [30]회의론을 받았다.

환경에 미치는 영향

Global CCS [31]Institute의 2011년 보고에 따르면 탄소 회수 및 활용 프로젝트 및 개발 현장.

기존 CCS에 대한 4가지 주요 CCU 기술(화학합성, 탄소광물화, 바이오디젤 생산, 강화된 오일 회수(EOR))의 영향을 평가하기 위해 16가지 라이프 사이클 환경 영향을 분석했습니다.이러한 기술은 산성화 잠재력, 부영양화 잠재력, 지구 온난화 잠재력 및 오존 파괴 잠재력과 같은 10가지 LCA(Life-Cycle Assessment) 영향에 기초하여 평가되었다.16개 모델의 결론은 화학 합성이 지구 온난화 잠재성이 가장 높고(CCS의 216배), 석유 회수 강화가 지구 온난화 잠재성이 가장 낮다는 것이었다([1][clarification needed]CCS의 1.8배).

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Cuéllar-Franca, Rosa M.; Azapagic, Adisa (March 2015). "Carbon capture, storage and utilisation technologies: A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impacts". Journal of CO2 Utilization. 9: 82–102. doi:10.1016/j.jcou.2014.12.001.
  2. ^ "Carbon Capture". Center for Climate and Energy Solutions. Retrieved 2020-04-22.
  3. ^ Dibenedetto, Angela; Angelini, Antonella; Stufano, Paolo (March 2014). "Use of carbon dioxide as feedstock for chemicals and fuels: homogeneous and heterogeneous catalysis: Use of carbon dioxide as feedstock for chemicals and fuels". Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 89 (3): 334–353. doi:10.1002/jctb.4229.
  4. ^ Smit, Berend; Reimer, Jeffrey A; Oldenburg, Curtis M; Bourg, Ian C (2013-06-18). Introduction to Carbon Capture and Sequestration. The Berkeley Lectures on Energy. Imperial College Press. doi:10.1142/p911. ISBN 9781783263271.
  5. ^ Hepburn, Cameron; Adlen, Ella; Beddington, John; Carter, Emily A.; Fuss, Sabine; Mac Dowell, Niall; Minx, Jan C.; Smith, Pete; Williams, Charlotte K. (6 November 2019). "The technological and economic prospects for CO2 utilization and removal". Nature. 575 (7781): 87–97. Bibcode:2019Natur.575...87H. doi:10.1038/s41586-019-1681-6. PMID 31695213.
  6. ^ "Carbon capture, utilisation and storage - Fuels & Technologies". IEA. Retrieved 2022-06-08.
  7. ^ a b Xu, Yixiang; Isom, Loren; Hanna, Milford A. (May 2010). "Adding value to carbon dioxide from ethanol fermentations". Bioresource Technology. 101 (10): 3311–3319. doi:10.1016/j.biortech.2010.01.006. PMID 20110166.
  8. ^ De Ras, Kevin; Van de Vijver, Ruben; Galvita, Vladimir V; Marin, Guy B; Van Geem, Kevin M (December 2019). "Carbon capture and utilization in the steel industry: challenges and opportunities for chemical engineering". Current Opinion in Chemical Engineering. 26: 81–87. doi:10.1016/j.coche.2019.09.001. S2CID 210619173.
  9. ^ Keeling, Charles D. (January 1960). "The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere". Tellus. 12 (2): 200–203. Bibcode:1960Tell...12..200K. doi:10.3402/tellusa.v12i2.9366.
  10. ^ Keeling, Charles D.; Bacastow, Robert B.; Bainbridge, Arnold E.; Ekdahl Jr., Carl A.; Guenther, Peter R.; Waterman, Lee S.; Chin, John F. S. (January 1976). "Atmospheric carbon dioxide variations at Mauna Loa Observatory, Hawaii". Tellus. 28 (6): 538–551. Bibcode:1976Tell...28..538K. doi:10.3402/tellusa.v28i6.11322.
  11. ^ X, the moonshot factory, We Solve for X: Mike Cheiky on negative carbon liquid fuels, retrieved 2018-12-08
  12. ^ Robert Francke; Benjamin Schille; Michael Roemelt (2018). "Homogeneously Catalyzed Electroreduction of Carbon Dioxide—Methods, Mechanisms, and Catalysts". Chem. Rev. 118 (9): 4631–4701. doi:10.1021/acs.chemrev.7b00459. PMID 29319300.
  13. ^ Song, Yang; Peng, Rui; Hensley, Dale K.; Bonnesen, Peter V.; Liang, Liangbo; Wu, Zili; Meyer, Harry M.; Chi, Miaofang; Ma, Cheng; Sumpter, Bobby G.; Rondinone, Adam J. (2016-11-16). "High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO 2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode". ChemistrySelect. 1 (19): 6055–6061. doi:10.1002/slct.201601169.
  14. ^ Kim, Dohyung; Kley, Christopher S.; Li, Yifan; Yang, Peidong (2017-10-03). "Copper nanoparticle ensembles for selective electroreduction of CO2 to C2–C3 products". Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (40): 10560–10565. doi:10.1073/pnas.1711493114. PMC 5635920. PMID 28923930.
  15. ^ Pacific Northwest National Laboratory (4 October 2018). "PNNL, Lanzatech team to make new jet fuel". Ethanol Producer Magazine.
  16. ^ Garcia‐Garcia, Guillermo; Fernandez, Marta Cruz; Armstrong, Katy; Woolass, Steven; Styring, Peter (18 February 2021). "Analytical Review of Life‐Cycle Environmental Impacts of Carbon Capture and Utilization Technologies". ChemSusChem. 14 (4): 995–1015. doi:10.1002/cssc.202002126. ISSN 1864-5631. PMC 7986834. PMID 33314601.
  17. ^ Olah, George A. (29 April 2005). "Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy". Angewandte Chemie International Edition. 44 (18): 2636–2639. doi:10.1002/anie.200462121. PMID 15800867.
  18. ^ Hagen, David LeRoy (1976). Methanol: its synthesis, use as fuel, economics, and hazards (Thesis). University of Minnesota. OCLC 43007998. OSTI 7113633.
  19. ^ "Vulcanol". CRI - Carbon Recycling International. Retrieved 2018-12-08.
  20. ^ a b Council, National Research (2001-06-27). Carbon Management: Implications for R & D in the Chemical Sciences and Technology (A Workshop Report to the Chemical Sciences Roundtable). doi:10.17226/10153. ISBN 9780309075732. PMID 20669488.
  21. ^ a b c "Accelerating the uptake of CCS: industrial use of captured carbon dioxide" (PDF). globalccsinstitute.com. Global CCS Institute. March 2011. Retrieved 3 October 2020.
  22. ^ Erdogan Alper; Ozge Yuksel Orhan (2017). "CO2 utilization: Developments in conversion processes". Petroleum. 3: 109–126. doi:10.1016/j.petlm.2016.11.003.
  23. ^ Oldenburg, Curtis M. (8 April 2003). "Carbon sequestration in natural gas reservoirs: Enhanced gas recovery and natural gas storage". Office of Scientific and Technical Information. U.S. Department of Energy. OSTI 813580.
  24. ^ a b Report: Greenhouse Gas Removal (PDF). 2018. p. 54. ISBN 978-1-78252-349-9.
  25. ^ Oncel, Suphi S. (October 2013). "Microalgae for a macroenergy world". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 26: 241–264. doi:10.1016/j.rser.2013.05.059.
  26. ^ "Accelerating the uptake of CCS: Industrial use of captured carbon dioxide". Global CCS Institute. Archived from the original on 16 September 2012. Retrieved 7 October 2021.
  27. ^ "Mechanical CO2 sequestration improves algae production". March 2019.
  28. ^ Matovic, Darko (April 2011). "Biochar as a viable carbon sequestration option: Global and Canadian perspective". Energy. 36 (4): 2011–2016. doi:10.1016/j.energy.2010.09.031.
  29. ^ "Cool Planet Completes 100th Independent Trial of Cool Terra®" (PDF). Cool Planet. 19 March 2018.
  30. ^ Popper, Ben (2014-04-14). "The inventor of everything". The Verge. Retrieved 2018-12-08.
  31. ^ "Demonstration projects Global CCS Institute". hub.globalccsinstitute.com. Archived from the original on 2019-04-12. Retrieved 2018-12-07.

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