يبدأ احتجاز الكربون من فرضية بسيطة، وهي أن ثاني أكسيد الكربون المنبعث بالفعل في تيار غاز المداخن أو المنتشر في الغلاف الجوي المفتوح يمكن من حيث المبدأ فصله فيزيائياً مرة أخرى، لكن الكيمياء العملية وتكلفة الطاقة والبنية التحتية اللازمة لفعل ذلك على نطاق معتبر أكثر تطلباً بكثير مما توحي به الفرضية.
لماذا احتجاز الكربون أصعب كيميائياً مما يبدو
ثاني أكسيد الكربون مستقر كيميائياً، وخارج تيار المداخن الصناعي المركّز، مخفف للغاية، لا يشكل سوى جزء صغير من نسبة مئوية من الهواء العادي، مما يعني أن فصله عن كل ما يختلط به يتطلب التغلب على عقوبة ديناميكية حرارية حقيقية بدلاً من مجرد تصفيته ميكانيكياً.
كلما كان مصدر ثاني أكسيد الكربون أكثر تخفيفاً، احتاجت عملية الفصل عموماً طاقة أكبر لكل طن مُحتجز، وهذا هو السبب الأساسي وراء كون احتجاز ثاني أكسيد الكربون من غاز مداخن صناعي مركّز أكثر كفاءة من ناحية الطاقة بكثير من سحب الكمية نفسها مباشرة من الهواء المفتوح.
كيف يفصل الاحتجاز بعد الاحتراق ثاني أكسيد الكربون فعلياً
يمرر النهج الأكثر انتشاراً تجارياً، الاحتجاز بعد الاحتراق، غاز المداخن من محطة طاقة أو منشأة صناعية عبر مذيب كيميائي سائل، عادة مركب أمين، يرتبط انتقائياً بجزيئات ثاني أكسيد الكربون بينما يسمح لغازات أخرى في التيار بالمرور دون تأثر يُذكر.
ثم يُنقل المذيب الغني بثاني أكسيد الكربون إلى وعاء منفصل ويُسخَّن، مما يكسر الرابطة الكيميائية ويطلق تياراً مركّزاً من غاز ثاني أكسيد الكربون بينما يعيد تجديد المذيب لإعادة الاستخدام، دورة تتكرر باستمرار مع استمرار تدفق غاز المداخن عبر النظام.
لهذا النهج ميزة عملية تتمثل في إمكانية تركيبه بأثر رجعي على محطات الطاقة والمنشآت الصناعية القائمة دون إعادة تصميم عملية الاحتراق الأساسية نفسها، وهذا جزء من سبب بقائه التقنية التجارية المهيمنة رغم أن خطوة تجديد المذيب مكثفة الطاقة فعلياً.
كيف تختلف طريقتا ما قبل الاحتراق واحتراق الأكسجين النقي
يسلك الاحتجاز قبل الاحتراق طريقاً مختلفاً، محولاً الوقود إلى خليط من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون قبل حدوث الاحتراق فعلياً، ثم يفصل ثاني أكسيد الكربون من ذلك الخليط بينما يُحرَق الغاز الغني بالهيدروجين الناتج للحصول على الطاقة، وهو نهج يتطلب عموماً منشأة مصممة حوله من البداية بدلاً من مجرد تركيب لاحق.
يحرق احتراق الأكسجين النقي الوقود في أكسجين شبه نقي بدلاً من الهواء العادي، منتجاً غاز مداخن يتكون معظمه من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء بدلاً من أن يُخفَّف بالنيتروجين الذي يشكل معظم الهواء العادي، مما يبسّط بشكل كبير خطوة الفصل اللاحقة على حساب الطاقة اللازمة لإنتاج ذلك الأكسجين النقي مسبقاً.
يقايض كل من هذه الأساليب الثلاثة الواسعة تركيبة مختلفة من تكلفة التركيب اللاحق وعقوبة الطاقة ومتطلبات إعادة تصميم المنشأة، وهذا سبب اعتماد النهج المحدد الذي تتبناه منشأة صناعية معينة بشكل كبير على ما إذا كانت بناءً جديداً أو محطة قائمة يجري تعديلها.
كيف يسحب الاحتجاز المباشر من الهواء ثاني أكسيد الكربون من الهواء المفتوح
يستخدم الاحتجاز المباشر من الهواء مراوح كبيرة لسحب الهواء المحيط عبر ماصّ كيميائي، إما مذيب سائل أو مادة صلبة، يرتبط بثاني أكسيد الكربون رغم تركيزه المنخفض للغاية في الهواء المفتوح، ثم يطبق حرارة أو تغييراً في الضغط لإطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز كتيار مركّز، تماماً كالاحتجاز بعد الاحتراق لكن بدءاً من هواء مصدر أكثر تخفيفاً بكثير.
لأن تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أقل بكثير منه في تيار غاز مداخن مركّز، يتطلب الاحتجاز المباشر من الهواء معالجة حجم أكبر بكثير من الهواء لكل طن من ثاني أكسيد الكربون المحتجز، وهذا هو السبب الجوهري وراء بقائه أغلى بشكل معتبر للطن الواحد من احتجاز ثاني أكسيد الكربون مباشرة عند مصدر صناعي.
الجاذبية الحقيقية للاحتجاز المباشر من الهواء هي أنه يمكن من حيث المبدأ وضعه في أي مكان قريب من تخزين مناسب بدلاً من الحاجة إلى موقعه عند مصدر انبعاثات محدد، ويمكنه معالجة انبعاثات تشتتت بالفعل في الغلاف الجوي بدلاً من منع انبعاثات جديدة من منشأة محددة فقط.
لماذا يستهلك الاحتجاز طاقة كبيرة إلى هذا الحد
تشترك كل مسارات الاحتجاز في عبء ديناميكي حراري مشترك، وهو أن فصل غاز واحد من خليط وتركيزه يتطلب دائماً مدخلات طاقة، وهو قيد فيزيائي وليس مجرد قيد هندسي يمكن للتقنية الأفضل التخلص منه في النهاية بالكامل.
يتطلب تجديد المذيبات الكيميائية المستخدمة في الاحتجاز بعد الاحتراق والاحتجاز المباشر من الهواء تحديداً حرارة كبيرة، وهذا الطلب على الطاقة، الذي يُسمى أحياناً عقوبة الطاقة، يمكن أن يقلل بشكل معتبر من الناتج الصافي لمحطة طاقة رُكِّب فيها معدات احتجاز إذا استُمدت تلك الحرارة من توليد المحطة نفسها.
يواصل الباحثون تطوير مذيبات وماصّات صلبة تتطلب طاقة أقل للتجديد، إلى جانب تصاميم عمليات تستعيد وتعيد استخدام الحرارة المهدورة داخل نظام الاحتجاز نفسه، وكلاهما يقلل تدريجياً من عقوبة الطاقة هذه دون إلغائها تماماً.
طريقة مفيدة للتفكير في عقوبة الطاقة هي اعتبارها مقايضة حقيقية بدلاً من خلل هندسي قابل للإصلاح: محطة طاقة مزوَّدة بمعدات احتجاز تحرق وقوداً أكثر إلى حد ما لإنتاج نفس كمية الكهرباء القابلة للاستخدام، لأن جزءاً من ناتجها يُحوَّل فعلياً لتشغيل عملية الاحتجاز والضغط، وتظهر تلك المقايضة مباشرة في أرقام كفاءة المحطة الإجمالية.
كيف يُضغط ثاني أكسيد الكربون المحتجز ويُنقل
بمجرد فصله، يُضغط غاز ثاني أكسيد الكربون إلى حالة كثيفة شبيهة بالسائل فوق الحرجة، مما يقلل حجمه بشكل كبير ويجعل من العملي نقله عبر الأنابيب بطريقة مشابهة إلى حد كبير لكيفية نقل الغاز الطبيعي، رغم اختلاف ظروف الضغط ودرجة الحرارة الخاصة بخصائص ثاني أكسيد الكربون الفيزيائية.
شبكات أنابيب ثاني أكسيد الكربون القائمة، التي بُنيت على مدى عقود بشكل أساسي لتزويد عمليات الاستخلاص المعزز للنفط، تنقل بالفعل كميات معتبرة من ثاني أكسيد الكربون المضغوط عبر مسافات طويلة في عدة مناطق، مما يوفر نموذجاً للبنية التحتية للأنابيب الأكبر بكثير التي سيتطلبها انتشار احتجاز الكربون على نطاق أوسع.
حيث لا توجد بنية تحتية للأنابيب بعد، يمكن أيضاً نقل ثاني أكسيد الكربون المحتجز بواسطة السفن بطريقة مشابهة لنقل الغاز الطبيعي المسال، وهو خيار يحظى باهتمام متزايد تحديداً لربط مصادر الانبعاثات الصناعية بمواقع تخزين بحرية مناسبة تفتقر إلى الوصول المباشر عبر الأنابيب.
كيف يحافظ التخزين الجيولوجي فعلياً على ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض
يتضمن التخزين الدائم عادة حقن ثاني أكسيد الكربون المضغوط عميقاً تحت الأرض في تكوينات صخرية مسامية، عادة خزانات نفط وغاز مستنفدة أو طبقات مياه جوفية مالحة، مغطاة بطبقة صخرية غير منفذة تمنع ثاني أكسيد الكربون المحقون من الهجرة صعوداً نحو السطح مرة أخرى عبر الزمن الجيولوجي.
تُحدَّد مواقع التخزين المناسبة من خلال مسح جيولوجي واسع لتأكيد كل من سعة صخرية مسامية كافية لاحتواء الحجم المحقون وطبقة صخرية غطائية غير منفذة فعلياً فوقها، إذ إن الموقع الذي يفتقر إلى أي من الخاصيتين يخاطر إما بفشل ثاني أكسيد الكربون في البقاء محتوى بحجم كافٍ أو تسربه ببطء مرة أخرى نحو السطح.
بمرور الوقت، يخضع ثاني أكسيد الكربون المحقون أيضاً لآليات احتجاز كيميائية وفيزيائية تدريجية داخل التكوين الصخري نفسه، بما في ذلك الذوبان في المياه الجوفية المحيطة، وعلى مقاييس زمنية أطول بكثير، التفاعل مع المعادن في الصخر لتكوين مركبات كربونات صلبة مستقرة، وكلاهما يقلل أكثر من الاحتمال العملي لهجرة ثاني أكسيد الكربون المخزَّن.
لماذا تهم مراقبة مواقع التخزين إلى هذا الحد
تتطلب الأطر التنظيمية في الولايات القضائية التي تسمح بالتخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون عموماً مراقبة موسّعة لمواقع الحقن، باستخدام تقنيات تشمل المسح الزلزالي وقياس الضغط، تحديداً لتأكيد أن ثاني أكسيد الكربون المخزَّن يتصرف كما هو متوقع ولم يبدأ بالهجرة خارج تكوين التخزين المقصود.
يستمر التزام المراقبة هذا عادة لعقود بعد انتهاء الحقن، مما يعكس المقياس الزمني الطويل حقاً الذي يجب إثبات دوام التخزين خلاله قبل أن يمكن اعتبار المسؤولية عن ثاني أكسيد الكربون المخزَّن قد أُوفيت بالكامل بشكل معقول.
كانت حالات فشل التخزين الموثقة نادرة نسبياً مقارنة بعدد مشاريع الحقن النشطة، لكن متطلب المراقبة نفسه يعكس نهجاً تنظيمياً حذراً بشكل مناسب تجاه تقنية حيث إن عواقب تسرب غير مكتشف، رغم عدم كونها خطيرة حاداً عند التركيزات النموذجية، من شأنها أن تقوّض بشكل معتبر الغرض المناخي الذي كان التخزين يهدف إلى خدمته.
كيف يُعقّد الاستخلاص المعزز للنفط القصة المناخية
استُخدمت حصة معتبرة من ثاني أكسيد الكربون المحتجز تاريخياً للاستخلاص المعزز للنفط، بحقن ثاني أكسيد الكربون في خزان نفط مستنفد جزئياً للمساعدة في دفع نفط إضافي نحو آبار الاستخراج، وهي تقنية كانت مربحة تجارياً منذ زمن طويل بغض النظر عن أي دافع مناخي.
هذا يخلق سؤال محاسبة مناخية معقداً حقاً، إذ ينتهي المطاف بثاني أكسيد الكربون المحقون فعلياً مخزَّناً تحت الأرض، لكن النفط الإضافي الذي يساعد الحقن على استخراجه سيُحرَق هو نفسه في النهاية ويطلق انبعاثات ثاني أكسيد كربون إضافية، مما يعني أن الفائدة المناخية الصافية للتخزين المرتبط بالاستخلاص المعزز للنفط أكثر إثارة للجدل بكثير من التخزين دون أي استخراج وقود أحفوري مرتبط.
تؤكد مشاريع التخزين الأحدث بشكل متزايد على التخزين الجيولوجي المخصص دون أي مكوّن للاستخلاص المعزز للنفط تحديداً لتجنب هذا التعقيد المحاسبي، رغم أن الاستخلاص المعزز للنفط لا يزال حالة الاستخدام التجارية المهيمنة تاريخياً التي ساعدت في تمويل بنية أنابيب وحقن ثاني أكسيد الكربون المبكرة.
ماذا يفعل استخدام الكربون فعلياً بثاني أكسيد الكربون المحتجز
إلى جانب التخزين تحت الأرض، يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون المحتجز كمادة خام لمنتجات تجارية متنوعة، بما في ذلك كربنة المشروبات، وبعض المواد البلاستيكية والعمليات الكيميائية، ومواد بناء ناشئة تدمج كيميائياً ثاني أكسيد الكربون في الخرسانة المتصلبة أثناء التصنيع.
تستهلك معظم مسارات الاستخدام الحالية جزءاً صغيراً حقاً من ثاني أكسيد الكربون المحتجز مقارنة بالتخزين الدائم، وبعض تطبيقات الاستخدام، مثل كربنة المشروبات، تطلق في النهاية ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي بسرعة نسبية بدلاً من عزله على المدى الطويل.
يوفر الاستخدام في مواد متينة مثل الخرسانة المتصلبة شكلاً من التخزين أطول عمراً من التطبيقات قصيرة الدورة، ويستمر في جذب البحث والاستثمار التجاري المبكر تحديداً لأنه يمكن أن يولّد إيرادات من ثاني أكسيد الكربون المحتجز بدلاً من معاملة التخزين كتكلفة بحتة.
لماذا يصعب إزالة الكربون من الأسمنت والصلب بشكل خاص
ينتج إنتاج الأسمنت والصلب كلاهما كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون من خلال الكيمياء الأساسية لعملية التصنيع نفسها، وليس فقط من الطاقة المستخدمة لتشغيل المصنع، مما يعني أن التحول إلى الكهرباء المتجددة وحده لا يمكنه القضاء على انبعاثاتهما بالطريقة التي يمكن بها ذلك للعديد من العمليات الصناعية الأخرى.
يطلق تصنيع الأسمنت ثاني أكسيد الكربون عندما يُكسَّر الحجر الجيري كيميائياً عند درجة حرارة عالية لإنتاج الكلنكر، وهو تفاعل كيميائي لا مفر منه بغض النظر عن الوقود المستخدم لتوليد تلك الحرارة، وهذا سبب اعتبار احتجاز الكربون مكوناً ضرورياً حقاً لإزالة الكربون العميقة من صناعة الأسمنت بدلاً من مجرد خيار واحد من بين عدة خيارات.
ينتج إنتاج الصلب باستخدام الأفران العالية التقليدية بالمثل ثاني أكسيد الكربون من خلال الاختزال الكيميائي لخام الحديد، رغم أن أساليب أحدث تستخدم الهيدروجين بدلاً من الكربون كعامل اختزال بدأت تظهر كمسار بديل يتجنب التفاعل المُنتج لثاني أكسيد الكربون بدلاً من الحاجة إلى احتجازه لاحقاً.
حدّدت اقتصادات خليجية ذات قطاعات أسمنت وصلب كبيرة، إلى جانب خبرة قائمة معتبرة في أنابيب النفط والغاز، احتجاز الكربون تحديداً كتقنية ذات صلة استراتيجية لأن المنطقة تمتلك بالفعل تكوينات جيولوجية وقدرة هندسية مناسبة لحقن ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع، حتى مع بقاء الجدل المناخي الأوسع حول دور الاحتجاز الإجمالي غير محسوم.
أعلنت عدة شركات طاقة وصناعة في المنطقة عن مشاريع تجريبية لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون من مصانع الأسمنت ومنشآت معالجة الغاز الطبيعي، مستفيدة من تكوينات صخرية قريبة سبق دراستها جيداً بحكم عقود من عمليات استكشاف وإنتاج النفط والغاز في نفس المناطق الجغرافية.
ما الذي يحدد جدوى مشروع الاحتجاز اقتصادياً
يعتمد اقتصاد مشروع احتجاز محدد بشكل كبير على تركيز ثاني أكسيد الكربون في تيار المصدر، إذ إن المصادر الأكثر تركيزاً مثل تخمير الإيثانول أو معالجة الغاز الطبيعي تتطلب طاقة وتكلفة أقل بكثير للاحتجاز من غاز مداخن محطة طاقة تعمل بالفحم الأكثر تخفيفاً.
أصبحت الحوافز الحكومية، بما في ذلك الإعفاءات الضريبية المحسوبة لكل طن من ثاني أكسيد الكربون المخزَّن بشكل دائم، عاملاً مهماً حقاً في جدوى المشروع في عدة ولايات قضائية، مما يغيّر بشكل معتبر اقتصاد المشاريع التي لن تكون تنافسية تجارياً لولا ذلك مقابل مجرد إطلاق ثاني أكسيد الكربون دون احتجاز.
يؤثر القرب من تخزين جيولوجي مناسب أو شبكة أنابيب ثاني أكسيد الكربون قائمة بشكل كبير أيضاً على تكلفة المشروع، إذ إن نقل ثاني أكسيد الكربون المحتجز لمسافات طويلة للوصول إلى تخزين مناسب يضيف نفقات معتبرة يمكن أن تحدد ما إذا كان مشروع معين سيمضي قدماً في موقع صناعي محدد.
لماذا يشكك النقاد في دور احتجاز الكربون
يثير منتقدو احتجاز الكربون عموماً مخاوف مترابطة، وهي أن التقنية يمكن استخدامها لتبرير استمرار تشغيل بنية تحتية للوقود الأحفوري كان يمكن سحبها من الخدمة لولا ذلك، وأن معدلات الاحتجاز في الممارسة العملية قد قصرت أحياناً عن المستويات التي صُممت المشاريع وسُوِّقت لتحقيقها.
يرد المؤيدون بأنه بالنسبة للقطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها حقاً مثل الأسمنت والصلب، ولإدارة ثاني أكسيد الكربون الجوي القائم بالفعل من خلال الاحتجاز المباشر من الهواء، يصعب استبدال شكل ما من احتجاز الكربون بالكامل بأساليب بديلة، مما يجعل الجدل أقل حول ما إذا كانت للتقنية أي دور وأكثر حول حجم الدور الذي ينبغي أن تلعبه بالنسبة لتقليل الانبعاثات في المقام الأول. مصدر انتقاد أصغر لكنه متكرر يتعلق بدقة القياس: لأن معدل الاحتجاز يُبلَّغ عنه عادة كنسبة مئوية من تيار ثاني أكسيد الكربون الخاص بالمنشأة نفسها بدلاً من التحقق منه بشكل مستقل مقابل إجمالي انبعاثات المحطة بما في ذلك أي تسرب في المراحل المبكرة، فإن مقارنة الأداء المُدَّعى عبر مشاريع ومشغّلين مختلفين أصعب حقاً مما توحي به الأرقام النسبية المُعلنة.
يعمل احتجاز الكربون عن طريق فصل ثاني أكسيد الكربون كيميائياً من تيار غاز، سواء كان غاز مداخن صناعياً مركّزاً أو هواء مفتوحاً مخفَّفاً، ثم ضغطه ونقله وإما تخزينه بشكل دائم أو استخدامه تجارياً، مع تقييد المسار بأكمله طوال الطريق بتكلفة الطاقة الديناميكية الحرارية الحقيقية لفصل غاز وتركيزه.
تلك التكلفة الأساسية للطاقة، أكثر من أي عقبة هندسية واحدة، هي ما لا يزال يشكّل أين تُنشَر تقنية الاحتجاز أولاً، مفضّلاً المصادر الصناعية المركّزة والقطاعات التي يصعب إزالة الكربون منها على التنظيف الجوي الواسع، بينما يضيّق البحث المستمر في مذيبات وماصّات ومراقبة تخزين أرخص تدريجياً الفجوة بين ما يمكن للتقنية تحقيقه اليوم والنطاق الذي تستدعيه أهداف المناخ في النهاية.
المصادر
- ويكيبيديا — نظرة عامة على تقنية احتجاز وتخزين الكربون
- الوكالة الدولية للطاقة — بيانات وتحليلات عالمية حول انتشار احتجاز الكربون
- الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ — تقييم علمي لدور احتجاز الكربون في التخفيف المناخي
- وزارة الطاقة الأمريكية — بيانات البحث والمشاريع حول احتجاز وتخزين الكربون
- معهد CCS العالمي — تتبع صناعي لمشاريع احتجاز وتخزين الكربون حول العالم
الأسئلة الشائعة
هل يزيل احتجاز الكربون فعلياً ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي؟
معظم الاحتجاز الحالي واسع النطاق يستهدف ثاني أكسيد الكربون المركّز في غاز المداخن قبل وصوله إلى الغلاف الجوي؛ أما الاحتجاز المباشر من الهواء فيزيله من الهواء المحيط لكنه لا يزال أكثر كثافة في استهلاك الطاقة وأصغر نطاقاً بكثير.
هل يُخزَّن الكربون المحتجز بشكل دائم؟
عند حقنه في تكوينات جيولوجية عميقة مناسبة ومراقبته بشكل صحيح، يُعتبر التخزين عموماً دائماً فعلياً على المقاييس الزمنية البشرية، رغم أن التزامات المراقبة طويلة المدى تستمر عادة لعقود.
لماذا يستهلك احتجاز الكربون طاقة كبيرة إلى هذا الحد؟
فصل غاز مخفف من خليط ثم ضغطه للنقل والحقن أمر شاق من الناحية الديناميكية الحرارية، وإعادة تجديد المذيبات الكيميائية المستخدمة لربط ثاني أكسيد الكربون يتطلب حرارة كبيرة.
هل يُحقَن ثاني أكسيد الكربون المحتجز تحت الأرض دائماً؟
لا — يُستخدم بعض ثاني أكسيد الكربون المحتجز تجارياً، بما في ذلك في الاستخلاص المعزز للنفط، وكربنة المشروبات، ومواد بناء ناشئة، رغم أن أكبر فائدة مناخية تأتي من التخزين الجيولوجي الدائم.
هل يمكن لاحتجاز الكربون أن يجعل محطات الوقود الأحفوري محايدة مناخياً؟
حتى أنظمة الاحتجاز المُدارة جيداً تزيل عادة نحو 85 إلى 95 بالمئة من ثاني أكسيد الكربون في المحطة وليس كله، والانبعاثات في مراحل استخراج الوقود المبكرة لا يعالجها نظام الاحتجاز نفسه عموماً.
عن الكاتب
نعتمد على ويكيبيديا، والوكالة الدولية للطاقة، والهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ، ووزارة الطاقة الأمريكية، ومعهد CCS العالمي لشرح خلفية هذا الموضوع والفهم الحالي له.
أعجبك المقال؟
شاركه عبر واتساب ← شاركه عبر واتساب
احصل على المزيد من الأدلة في بريدك — اشترك في نشرتنا البريدية لقصص مفاجئة أسبوعية من مصر والسعودية ودبي وأكثر.