آیا تبدیل CO2 به سوخت از طریق کاهش الکتروشیمیایی یا ترموشیمیایی می‌تواند بازدهی انرژی بالایی داشته و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهد؟

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) :تبدیل الکتروشیمیایی و یا ترموشیمیایی[1] (گرما شیمیایی) CO₂ به سوخت،ازجمله فناوری‌های مهم تبدیل کربن برای کاهش انتشار کربن هستند. مطالعات بسیاری، تجزیه و تحلیل‌های فنی-اقتصادی و زیست محیطی به منظور بررسی سیستم‌های تبدیل CO₂، بر اساس CO₂ جذب شده را بررسی کرده‌اند. با این حال، آنالیز زنجیره کامل کربن، شامل استفاده از فناوری‌های تبدیل کربن در کنار تولید‌کننده‌های عمده کربن مانند نیروگاه‌های ذغال سنگ و صنایع شیمیایی و محاسبه بهره‌وری انرژی و کاهش میزان انتشار در کل زنجیره امری است که تا کنون مورد بررسی قرار نگرفته است. در پژوهش حاضر، با در نظر گرفتن یک نیروگاه یکپارچه ذغال ‌سنگ به‌عنوان منبع کربن، یک تجزیه و تحلیل سیستمی از زنجیره کامل از سه فناوری تبدیل CO₂ (نا­م‌گذاری شده به‌عنوان مسیرهای 1، 2 و 3) ارائه شده است. مسیرهای 1، 2 و 3، CO₂ منتشر شده را به ترتیب از طریق الکترولیز CO₂، الکترولیز MEA-CO₂ و هیدروژن‌دار کردن CO₂ به سوخت تبدیل می‌کنند. عملکرد سه مسیر از نظر بهره‌وری انرژی و انتشار کربن به‌طور جامع مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. این کار همچنین پتانسیل بهبود بهره‌وری انرژی سه مسیر را بررسی می‌نماید. نتایج نشان می‌دهد که بازده انرژی مسیر 1 بیشترین میزان را خواهد داشت. مسیر 2 از دیدگاه کاهش میزان انتشار، مسیر بهینه خواهد بود. با توجه به نتایج، فاکتورهای اصلی برای افزایش بهره‌روی و بهبود عملکرد زنجیره کامل کربن، بهبود بهره‌وری تولید برق از انرژی خورشید و توسعه جاذب‌های CO₂ با مصرف انرژی کم هستند. نتایج همچنین نشان داد که در فرآیند تبدیل CO₂ به گاز سوختی CO، از منظر بهره‌وری انرژی و انتشار گاز کربن، تا به امروز هیچ مسیری نسبت به نیروگاه‌های ذغال سنگ با جذب و ذخیره کربن[2] (CCS) یا تولید مستقیم گاز سنتز[3] از تبدیل گازی ذغال سنگ[4]، عملکرد بهتری نداشته است. با این حال، با توجه به نتایج بررسی، از نقطه‌نظر یکپارچه‌سازی کاهش انتشار کربن و ذخیره برق تجدیدپذیر ممکن است سایر روش‌های تبدیل کربن از جمله تبدیل CO₂ به محصولات با ارزش افزوده بالاتر، اهمیت بیشتری داشته باشد.

نتیجه‌گیری

در این پژوهش، به‌طور جامع عملکرد سه سیستم زنجیره کامل (مسیرهای 1، 2، و 3) با استفاده از فناوری‌های تبدیل الکتروشیمیایی/ ترموشیمیایی CO₂ از جنبه‌های بهره‌وری انرژی و انتشار کربن تحلیل شده است. عملکرد مسیرهای 1، 2، و 3 با دو سیستم زنجیره کامل مرجع دیگر بر اساس فن‌آوری‌های مرسوم کاهش CO₂ (CCS و تبدیل گازی ذغال‌سنگ) مقایسه شدند. علاوه بر این،پتانسیل‌های بهبود عملکرد مسیرهای 1، 2 و 3 مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج اصلی به شرح زیر ارائه می‌شوند:

1.  بهره‌وری انرژی مسیر 1 در بین مسیرهای 1، 2، و 3 بالاترین میزان را خواهد داشت. مسیر 2 بالاترین درجه یکپارچگی و کمترین میزان انتشار CO₂ را در پی  دارد. مسیر 3 کمترین بهره‌وری انرژی و پیچیده‌ترین سیستم را به خود اختصاص داده است. نتایج نشان داد که تبدیل الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی CO₂ می‌تواند به‌طور موثر انرژی تجدیدپذیر را ذخیره نماید. علاوه بر این، بهره‌وری انرژی زنجیره کامل با یکپارچگی بالا و مصرف انرژی کم بهتر بوده و درجه یکپارچگی و انرژی‌های تجدیدپذیر نقش موثری در کاهش انتشار زنجیره کامل خواهند داشت. بنابراین، کاهش الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی CO₂ باید با رویکرد بهبود بهره‌وری انرژی و درجه یکپارچگی سیستم صورت پذیرد.
2.   بهبود راندمان تولید برق خورشیدی[5] و توسعه جاذب‌های کم مصرف از عوامل کلیدی برای بهبود عملکرد مسیرهای 1، 2 و 3 هستند. بهبود راندمان تولید برق خورشیدی نقش به سزایی در بهره‌وری سیستم و کاهش انتشار بر عهده دارد.

    3. در این پژوهش CCS و تبدیل گازی ذغال سنگ به‌عنوان فناوری‌های کاهش کربن مرجع مقایسه، در زنجیره کامل انتخاب شدند. نتایج مقایسه نشان داد که مسیرهایی که از کاهش الکتروشیمیایی/ترموشیمیایی CO₂ استفاده می‌کنند،نسبت به مسیرهایی که از روش‌های کاهش کربن مرجع استفاده می‌کنند، بازده انرژی کمتر اما انتشار CO₂ بالاتری دارند.

به‌طور خلاصه، نتایج شبیه‌سازی نشان داد که تبدیل CO₂ به سوخت از طریق کاهش الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی هیچ مزیتی در بهره‌وری انرژی و انتشار کربن نسبت به دو مسیر مرجع ندارد. با این حال، کاهش الکتروشیمیایی و ترموشیمیایی CO₂ می‌تواند در زمان کم باری، برق بادی یا خورشیدی که دارای ارزش اقتصادی و اثر ذخیره انرژی قابل توجهی است، را مصرف نماید. علاوه بر این، برای تسهیل تجزیه و تحلیل سیستمی زنجیره کامل، پژوهش حاضر فقط CO را به‌عنوان محصول مسیرهای 1-3 انتخاب نموده است. تبدیل CO₂ به مواد شیمیایی ممکن است عملکرد فنی-اقتصادی بهتری به دلیل ویژگی ارزش افزوده بالای آن داشته باشد، که باعث می‌شود مسیر فناوری ” انرژی بادی / خورشیدی + تبدیل CO₂ ” امیدوارکننده‌تر باشد.

[1] Thermochemical

[2] Carbon Capture and Storage (CCS)

[3] Syngas

[5] Coal gasification

[6] Photovoltaic (PV)

 CO2 conversion; CO2 utilization; CCS Energy efficiency; Carbon emission reduction

:refrence

 Yang, D.; Li, S.; He, S.; Zheng, Y. Can conversion of CO2 into fuels via electrochemical or thermochemical reduction be energy efficient and reduce emissions?. Energy Conversion and Management. 2022, 273, 116425.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890422012031

ترجمه و ویرایش : علیرضا دهقان