由内而外:开车直接空气捕捉成本高效吸附剂

介绍

毫无疑问,向大气中排放的二氧化碳是导致气候变化。最新的联合国政府间气候变化专门委员会报告概述了不仅需要控制排放,但也积极消除二氧化碳(有限公司₂)使用大量的二氧化碳从大气中清除(CDR)解决方案(联合国政府间气候变化专门委员会,2021)。公司的数量₂从大气中清除是immense-the IPCC估计,全球变暖限制在2°C,在全球范围内我们需要把十亿吨的有限公司₂从大气中,到2025年,2050年100亿吨,1000亿吨世纪之交(联合国政府间气候变化专门委员会,2021)。和许多国家目前低于他们的巴黎协议目标,能够满足IPCC排放目标及时应对气候变化是减少(联合国气候变化框架公约》,2021年)。即使全球社区能够立即逮捕所有公司₂排放,当前大气CO的浓度₂,达到420 ppm,仍高出140 ppm水平(工业革命之前美国国家海洋和大气管理局,2021)。这意味着没有进一步的排放,还有~ 3000亿吨的有限公司₂从大气中删除(劳伦斯,2021)。鉴于今天没有办法完全停止有限公司₂排放,与公司₂除需要在这个巨大的尺度,许多CDR的解决方案将需要部署到遏制不断增长的公司₂威胁。

一个有前途的CDR方案有可能被部署在全球范围内直接空气捕捉(DAC) (Beuttler et al ., 2019)。DAC是通过处理环境空气通过一个有限的接触器₂与固体或液体吸附剂分离CO₂从空气中,并允许净化空气出口回大气层。的有限公司₂然后封存或随后利用扩大眠Carbon-to-Value(式C2V)行业,专注于替代石化能源的碳的转换公司吗₂成有用的化学品、燃料和其他终端产品。但是越来越多的式C2V公司依赖于找到一个高效和低成本的来源有限公司₂喂养过程(国际能源署,2019)。封存同样依赖于这些高效,低成本的来源有限公司₂作为低成本DAC采用系统将加速全球和部署这个关键CDR方案。

构建未来Mega-Industry

一个DAC-focused Climeworks公司最近受到关注,最近委托他们的虎鲸DAC系统在冰岛捕获4000吨的二氧化碳的能力₂每年(Climeworks 2021)。这是一个很好的开始解决这个问题,但是它将全球DAC ~ 11300吨CO去除能力₂每年(Carbon180 2021)。看着虎鲸系统具体地说,然而,根据政府间气候变化专门委员会删除目标,世界将需要部署这些系统达到2025的250000除十亿吨的目标。删除目前全球每年排放400亿吨,1000万个系统需要部署。删除公司₂工业化前的水平,一个惊人的7500万系统是必要的。的角度来看,整个美国汽车行业每年生产1000万辆汽车(美国运输部2021)。虽然不是所有的公司₂通过DAC将被删除,与增长相关的供应链和财务挑战从今天的规模甚至一百万系统所需的规模是巨大的。虽然不是一个棘手的问题,DAC大小的需要成为一个行业,汽车制造商或石油和天然气公司,接管了一个世纪来达到他们当前的尺度(彼得斯,2021)。

世界没有豪华等待一个世纪允许DAC行业达到这些尺度有十年或二十年。大多数公司在DAC空间是小公司和start-ups-they既没有达到也没有杠杆建立全球供应链所需的规模。即使政府融资的支持和战略合作伙伴关系,如1 pointfive氧低碳企业之间的协作和碳工程,构建全新的全球供应链所需饲料DAC的尺度会很长,耗时和昂贵的过程(碳工程,2020)。此外,还有真正的担忧与制造业相关的碳排放规模,关注周围土地利用系统的规模和数量,以及担忧这许多系统运行所需要的能量(Leibling et al ., 2021)。而赖特的法律固有的边干边学的方法将不可避免地降低成本和提高效率,没有一个技术方面的,我们是有限的在改善曲线设置使用今天的系统(赖特,1936)。

为此,领先全球恒温器和Climeworks solid-sorbent DAC技术开发人员采用“模块化”的方法在较小的大小(例如,50 - 4000吨/年)大小的设备是大规模的DAC的重复单元部署利用收益生产规模(Carbon180 2021)。然而,除非可以找到替代方案来改善DAC性能和消除需要构建和数以千万计的操作系统,我们很可能被困在等待技术达到规模有机。幸运的是,有一个新兴的技术解决方案可以产生巨大的影响减少DAC系统——的规模高容量、高效吸着剂,改善DAC系统性能和降低DAC成本。

方面的分离性能

分离在工业过程无处不在,消耗超过10%的世界能源(Sholl明快,2016)。例如,大多数的加氢裂化装置的成本和复杂性是下游分离的结果需要克服催化剂选择性和转换的效率低下。同样的,今天的碳捕捉系统主要是为了克服低效率的公司₂分离技术的核心过程。虽然液体和基于solid-sorbent DAC技术正在开发中,气液界面之间的传质速率相对较低,在液态系统需要使用大表面积的接触器。此外,液态DAC系统消耗大量的水在干旱或资源有限的地区部署挑战(基斯et al ., 2018;NASEM 2019)。固体吸附剂的内部孔隙度可以克服这些限制也应该允许固体吸附剂系统优于液态系统由于固有的优越的气固传质特性。因此,下面的讨论将集中在固体sorbent-based技术提高DAC性能。

在CDR领域领先企业,特别是在DAC,采取了第一代设计过程的重要的第一步,将吸附剂材料集成到这些过程。然而,固体吸附剂用于当前DAC系统缺乏捕捉大量的能力有限公司₂从环境空气容量的限制。由美国国家科学院最近的一份报告,工程和医学估计吸附剂将占80%的DAC成本(NASEM 2019)。同样,能源期货计划指出,“(DAC)资本成本是由吸附剂材料…其他组件都不那么重要了相应解决除非吸附剂材料成本可以大幅减少”(能源期货倡议,2019)。显然显著改善吸附剂的性能需要降低DAC的成本。

马赛克是致力于开发有机框架材料(MOF) solid-sorbents气体分离。具体来说,马赛克发展amine-appended mof稀释下显示高能力有限公司₂像环境空气条件(麦当劳et al ., 2012,2015年)。此外,由于合作化学吸收作用机制独特的吸着剂类他们为公司演示高选择性₂在其他组件,导致低co吸附其他组件(麦当劳et al ., 2012)。推动马赛克材料吸附剂表现的重点,解决成本和规模问题的DAC的核心系统,即。的吸着剂材料。

DAC的主要驱动因素是公司的成本₂吞吐量,CO的浓度相对较低₂在大气中。最大化公司₂吞吐量,有两个alternatives-move更多的空气(过程改进)或捕获更多的公司₂(吸着剂的改进)。鉴于目前的吸着剂的低能力,流程改进后首先被更好的路径,并且领先企业追求。然而,一旦设计过程,该系统将有一个严格的操作窗口。因此,未来“不速之客”吸着剂将受到那些操作窗口或需要一个显著的流程重新设计利用技术优势。现在,吸着剂与更高的能力被商业化,关键是考虑材料性能,以及随后的工艺条件优化材料性能,配合流程设计。优化物料流程接口使用的这两个方面是至关重要的一个最大限度分离系统,以减少DAC的成本。

显著减少DAC的成本和突破200美元/吨有限公司₂捕获的价格点,低于目前的联合定价250美元从加州的疲劳性能和联邦45问税收抵免,吸附剂材料的效率必须增加。我们认为这样做有三个主要方法:(1)降低生产成本的材料,(2)增加材料的循环稳定性(减少退化),和(3)增加材料的能力。这里,我们假设所需的尺度全球有限公司₂水平降低,吸着剂制造成本将下降到相同的相对水平无论技术提供了不需要任何外来或稀土组件;因此,示范关注公司的数量₂吸附剂材料预计将捕捉在其使用寿命。我们的初步估计,结合开放文学价值观表明当前吸附剂技术捕获约130公斤有限公司₂捕获/公斤吸附剂对其有用的生活(道依茨Bardow, 2021)。NASEM报告估计,在适度的情况下,220到580公斤有限公司₂捕获/公斤吸附剂材料在其可用的一生(NASEM 2019)。

我们内部的DAC成本分析和模型表明,三种方法减少DAC成本,大大减少这些成本的最有效的策略是提高吸附能力。加倍吸附剂能力相当于材料制造成本减半或翻材料一生,也有额外的好处的降低资本支出(资本支出)和运营支出(OpEx) DAC的系统。马赛克以上证明材料的性能的“最佳案例”NASEM场景1.5摩尔/公斤,加上深入捕捉分数所示图1动态气体测试演示了一个工作能力2.7摩尔/公斤(NASEM 2019)。这两个指标结合,使DAC的重要成本节约。马赛克的短期目标是一个高容量的发展,高效吸附剂材料,可以使300公斤有限公司₂捕获/公斤吸附剂对其生活,> 1000公斤有限公司的长期目标₂捕获/公斤吸附剂。然而,而不是专注于特定的材料性能,下面讨论了级联效应高容量、高性能吸附剂可以为DAC分离收率。

获取分数的影响,公司的百分比₂进入系统被吸附剂,对CapEx和OpEx有一个相当简单的影响。随着系统捕获分数上升,更少的空气需要搬来捕获一个给定的有限公司₂。因为公司的浓度₂空气是如此之低,小获取分数的变化转化为大型空气处理的差异需要捕获大量的公司₂。作为图2显示,增加获取分数从60到80% ~ 500000 m减少空气处理要求³/吨有限公司₂。这意味着可以大小的小球迷,降低资本支出,将需要更少的能量(OpEx)降低经营由于其较小的尺寸。为简单起见,使用6/10^解说幂律工程经验法则,这将导致资本支出减少~ 25%。此外,减少气流将导致减少压降在接触器进一步降低运营成本。或者对于一个给定的系统设计,捕捉更高分数导致更高的吞吐量有限公司₂,又导致更低的捕捉每吨成本有限公司₂。

高容量对CapEx和OpEx有着更广泛的影响比捕获效率。如果吸附剂可以持有更多的公司₂每公斤的吸着剂材料少需要给定的有限公司₂。吸着剂容量增加50%,再次调用6/10^解说规则简单,导致资本支出减少了35%。这层叠好处需要更少的接触器,减少系统规模,因此资本要求,以及减少再生能源需求更少的材料需要加热/冷却在每个吸附剂的吸附/解吸周期和更少的热量将失去了通过吸附剂的寄生热载荷和接触器合理的加热。除了这些CapEx和OpEx,节省更高的能力还可以延长使用寿命的吸着剂材料由于吸附剂将骑车少。就像如果你驾驶你的车更少的英里每一年,你的轮胎持续时间更长,如果你循环吸着剂少,吸着剂将持续更长时间,降低周期性吸附剂床更换成本。

这些级联效应的更高的能力和获取分数降低CapEx和OpEx产生戏剧性的影响在全球DAC部署。只看数量的DAC系统,吸着剂容量翻倍所需的系统数量下降了50%。早些时候重新审视我们的示例中,系统需要解决当前的年度排放的数量从1000万年到500万年下降。和马赛克已经证明能力在实验室环境中可以达到三倍NASEM温和的能力,这意味着系统的数量减半,降至2.5,或目前的预测低75%。资本支出的节约、能源需求和土地资源需求大量减少在这些级别的系统。除了更可行的实现,增加有限公司₂捕获每个系统还捕获的成本下降,使更广泛的采用DAC成本低于一些现有的政府激励的水平,如加州的低碳燃料标准,和全球碳信贷市场,允许企业做正确的事对它们的盈利能力和改善地球的持续健康。

需要是什么?

有三个主要领域,更多的关注和支持,可以对新生的CDR经济影响最大。这些地区,一般来说,使供应,增加需求,协调整个CDR景观。解决第一个区域,使供应,确保公司可以专注于开发和部署的关键使CDR所需的核心技术和解决方案。工作使供应必须首先集中在基础设施。在DAC的情况下,如果一个行业的大小汽车行业是必要的,在哪里建材系统将从何而来?将吸附剂所需的化学物质从何而来?我们有必要的劳动和技能来构建、安装和操作这些系统吗?一旦被俘,运输和储存的基础设施有限公司₂吗?这些问题指向一个更集中的和广泛的可用的基础设施解决方案集,这是一个政府最好可以杠杆的作用,如在最近颁布了两党合作的基础设施交易(过早,2021)。虽然政府可以帮助财务补贴和投资新技术,以确保一个有意义的技术开发,更实质性的影响可通过建立基础设施,以便每个技术解决下游有一组标准化的假设,从而确保公司可以专注于他们的核心挑战,建筑,扩展和部署他们的CDR方案而不是把资源用在插到更广泛的基础设施。

虽然有政府补贴CDR最初是一个必要的和有益的活动,企业必须建立长期存在以外的政府援助。CDR方案需求增加,公司和组织逐步向前继续购买碳从验证项目将创建所需的真实市场允许CDR成长。企业领导人在这个空间的继续支持,比如最近公告的瑞士再保险等Shopify,和微软,有必要在建立这种需求(克兰西,2021)。这个想法甚至可以扩大对小型和中型公司通过创建一个类型的集团采购组织为这些小,环保公司购买早期碳移除项目。扩大这些早期的协议的可访问性和动量将扩大和民主化CDR方案。企业领导人购买少量的碳现在高价加速发展和降低未来获取成本等,当大部分的组织正在实施内部碳税和购买碳抵消,然后CDR方案可用在CDR方案价格使投资一个容易的决定为每一个组织。

最后,鉴于解决所需的数十亿吨CDR方案,多种方法是必要的。不大可能会有一个“银弹”的方法,可以足够迅速地扩展。因此,我们应该构建培养成功的多个系统和奖励方法。多个公司和CDR方案出来,一个包罗万象的合作方法,框架需要确保公司互相学习和部署尽快成功的解决方案。通过利用集体知识,识别机会可以大大受益于一个CDR的解决方案,和协作监督以确保在CDR方案一致的指标,CDR行业可以扩大的速度比任何一家公司都可以。

结论

二氧化碳排放带来的越来越多的气候挑战需要几个CDR方案达到大规模鳞片去除有限公司₂从大气中。其中一个CDR方案,直接空气捕捉,需要数以千万计的系统解决公司的数十亿吨₂已经在atmosphere-roughly等效与建筑行业规模的汽车工业在未来十年。而第一代系统现在需要启动过程,专注于吸附剂材料的发展,特别是在提高吸附剂能力和捕获效率,使级联过程改进,可以减少系统和相关材料,土地,和能量的一个数量级。这将使更快的推出和更有效地使用资金和资源在解决碳排放。在建立供应链的主要挑战所需的规模和持续增长的需求,特别是在CDR的早期阶段,需要大量的协调。内部和之间的协作政府、企业和行业本身将被要求确保新发展,和很多其他的新技术,可以部署及时缓解日益增长的气候挑战。科学家们一直强调碳排放和气候变化的影响和规模有一段时间了,最后有广泛的内动力,科学、公共和私营部门之间,我们需要继续加速。这个挑战是一个开创性的时刻对我们这一代人时间一起工作现在。

数据可用性声明

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作者的贡献

两位作者同样的工作做出了贡献,批准发布。

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意见和计算提出了在本文的观点和工作JCH GBW。

的利益冲突

作者是马赛克材料的员工,公司。

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确认

作者要感谢这个期刊的编辑的邀请提交一篇文章负排放技术前沿的气候,和另外谢谢条纹资金开放获取费用在这个至关重要的研究课题。雷竞技rebat我们还要感谢这篇文章的评论。

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