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未来把铝冶炼过程中产生的二氧化碳变成石头

 大气中二氧化碳招致全球气候变化曾经是一个不争的事实,在二氧化碳减排方面,冰岛的做法并不是把二氧化碳全部排放到天空中,而是把它们局部变成石头。

冰岛是北大西洋中的一个岛国。位于大西洋和北冰洋的交汇处,北欧五国之一,疆土面积为10.3万平方千米,人口约为36.4万,是欧洲人口密度最小的国度。首都是雷克雅未克,也是冰岛的最大城市,首都左近的西南地域人口占全国的2/3。

在冰岛斯特拉姆斯维克有两个红白相间的铝冶炼厂,每个从冰岛国际机场前往首都雷克雅未克的人在远处都可以很显眼的看到它。

这些筒仓建筑物里寄存着一种叫做氧化铝的原料,它是消费电解铝的原资料。

氧化铝经过一个自动化系统进入三个灰色的、长长的电解铝消费车间。这些车间或许没有那些高塔那么引人瞩目,但它们在减少冰岛的碳排放方面发挥着至关重要的作用。

依据冰岛环境署的数据,除土地运用和林业产生的温室气体外,冰岛的重工业排放了该国48%的二氧化碳。

虽然这些工业设备运用水力发电和地热能等可再生能源,但在消费铝等金属的过程中也会释放二氧化碳。该国范围较大的工业设备用于消费钢铁制造的硅金属和铝,其中很大一局部用于出口并用于汽车工业。

目前,冰岛的三家铝冶炼厂、两家制造厂和能源企业雷克雅未克能源正在研讨在2040年前完成碳中和。这些设备每年总共排放约176万吨二氧化碳。从这个数字降到零似乎是一个很高的请求,特别是在冰岛的重工业曾经大量依赖可再生能源的状况下。

但关于剩余的碳,还有另一种办法,就是捕获从工厂烟囱排放的二氧化碳,将其注入左近的冰岛玄武岩中,等候其变成石头。这一概念被称为碳捕获和存储(CCS),该技术的各种版本曾经实验和测试多年。

通常,碳捕获和贮存包括捕获二氧化碳,将其与其他气体别离,经过管道或轮船将其运输到适宜的地点,然后将其注入公开深处。

它能够注入大面积的堆积岩或衰竭的油气田,以及其他地点。它通常被贮存在至少一公里的深处,随着时间的推移,它会变成一种无害的碳酸盐矿物,比方方解石(大理石和石灰石的主要成分之一)。

许多碳捕获和贮存工厂如今曾经开端运作,或者从发电厂或其他工业设备中搜集二氧化碳,但是大多数都是小范围或仍在建立中。

目前只要美国的佩特拉诺瓦碳捕捉和加拿大的边境大坝两个大型电厂在运转CCS。世界各地还有十几座核电站处于不同的开展阶段。当需求提取高浓度的二氧化碳时,这项技术的效果最好。在大型燃煤发电厂,CCS每年至少能捕获80万吨二氧化碳。在通常排放较少二氧化碳的自然气发电站,这个数字接近每年40万吨。

在冰岛,碳的吸取和贮存曾经顺应了这个火山岛著名的黑色玄武岩。雷克雅未克能源企业的子企业ON Power采用了一种名为CarbFix的改进办法来处置冰岛的岩石。它自2014年以来不断在操作Hellishei?i地热发电厂,冰岛首都以东约30公里,到2020年1月曾经固定的二氧化碳超越了50000吨。

削减碳排放

在传统的碳捕获和贮存中,二氧化碳是在高压下以气态、液态或超临界相(液体的温度和压力超越了它通常变成气体的温度和压力)的方式注入堆积盆地。不透水的盖层岩石通常能够避免二氧化碳走漏回地表。但是在冰岛没有这种不透水罩。

这里正在开发一种替代办法,在将二氧化碳注入多孔玄武岩之前或注入过程中将其溶解在水中。二氧化碳的溶解降低了它的浮力,而充溢二氧化碳的流体倾向于经过岩石下沉,减少了二氧化碳走漏到大气中的风险。

在冰岛,溶解的气体被注入大约500米深的玄武岩和活性岩层中,在那里二氧化碳能够疾速转化为矿物。在Hellishei?i地热发电厂大约需求两年95%的二氧化碳矿化。在其他站点,这个过程可能需求或多或少的时间,这取决于一些要素。一个是碳注入的深度,另一个是岩层的温度,温度越高,矿化过程的速度通常越快。

冰岛位于地球结构板块的主要断层线上,招致岛上构成了数百座火山。因而,岛上有多个高温区,公开温度在1km深度内可达250℃,在“低温”区,1km深度内可达150℃。但在Hellishei?i,岩层的温度大约是20-50C,足够快速的矿化作用。

CarbFix的项目经理Edda Aradottir说,浸透率(即岩石的多孔性或裂痕性),也会影响二氧化碳矿化的速度,多孔性越大,反响速度越快。这些要素加在一同会产生很大的影响;在世界上其他地质条件较差的中央,二氧化碳的矿化需求数千年的时间。

只需基岩中含有足够数量的钙、镁和铁,这种办法也能够在世界其他地域靠近辐射源的中央运用。这些金属是必需的,由于它们与二氧化碳反响构成碳酸盐矿物,需求永世贮存二氧化碳。

碳固化物还能够用来去除其他水溶性气体,如硫化氢。这种气体经常从地热发电站排放出来,而且浓度很高,具有毒性和腐蚀性。它还有令人厌恶的臭鸡蛋的气息。Hellishei?i的处置工厂能够处置12000吨二氧化碳,7000吨的硫化氢,每年约33%和75%的电厂年度排放量。

据Aradottir说,在其他中央,被称为SOx和NOx(硫氧化物和氮氧化物)的污染物也能够经过碳固定来捕获。这两种物质都是汽车尾气的组成局部,而硫氧化物通常也由发电厂和工业过程(包括铝冶炼厂)消费,可惹起各种呼吸问题。由于碳固定能够捕获不纯的气体混合物,它在经济上更可行。

不过,这个过程也有一些环境方面的缺陷。固碳需求丰厚的水,在Hellishei?i,每处置1吨二氧化碳需求大约27吨水。这会给缺水地域带来问题吗?不,Aradottir说,由于水能够在矿化后重新应用。传统的碳捕获和贮存办法也引发了公开水污染的问题,而公开水被用作饮用水的来源。理论研讨标明,假如溶解的气体在矿化之前逸出,它们可能会使公开水源的污染物程度超越平安程度。但在注入前将二氧化碳溶解在水中的办法有助于降低这种风险,由于含二氧化碳的水密度更高,而且倾向于下沉而不是向上逸出。

另一个应战是世界上许多地域的淡水短缺,这就是为什么Aradottir和她的同事正在开发在沿海地域运用海水的过程。但是,海水比淡水更耗水。CarbFix的研讨人员Sandra Osk Sn、bjornsdottir说,海水使这个过程愈加复杂,由于海水中溶解的元素干扰了这个过程的化学成分。

Aradottir对从冰岛重工业中捕获二氧化碳持悲观态度,但他也供认,当气体浓度较低时,这一过程可能会很复杂。她说:“可能会有一些小的调整,特别是在捕捉阶段。”但只需二氧化碳浓度高于阈值程度,这个过程就应该有效。

其别人则在亲密关注冰岛项目的停顿。国际地热协会主席、地热能资讯网站ThinkGeoEnergy的开创人亚历山大·里希特说,这是“用正确的思想方式能够完成什么的一个极好的例子”。与此同时,Aradottir正在德国、意大利和土耳其运用他们的技术停止调查,这些国度将于明年开端停止二氧化碳注入实验。

净化空气

在二氧化碳浓度高的设备中固定碳是一回事。但最大的目的是直接从大气中去除并固定二氧化碳,即所谓的直接空气捕捉。

目前,虽然直接空气捕捉技术惹起了极大的兴味,并且重点放在了这类技术的开展上,但由于过于昂贵而不能大范围运用,目前全球有15个工厂正在运转。但是,这些电厂的本钱是十分高的,由于它们捕获的是特别稀释的二氧化碳流,而不是在点源捕获。

虽然如此,Aradottir说直接捕捉空气是“处理计划不可防止的一局部,特别是当大家思索到21世纪下半叶”。她指出,风能和太阳能等可再生能源的本钱曾经大幅降低,并倡议直接纳集空气也能够采用同样的办法。她说:“现场采集点源总是更低价。”“但关于航空和其他类型的排放,大家不能运用现场捕获,然后直接空气捕获是处理计划的一局部。”

结合国政府间气候变化特地委员会(IPCC)曾表示,假如大家想在本世纪将全球变暖控制在1.5-2摄氏度以内,就有必要采取措施消弭大气中的二氧化碳。当触及到碳捕获和贮存时,依据一项估量,实践上这意味着在将来30年内在世界各地装置10000到14000口注入井。

Aradottir预测应用海上设备固定碳并将其贮存在海底。她说:“当然,大家能够运用钻井平台,就像石油和自然气行业目前用于油气消费的方式一样,只需复原这个过程,注入二氧化碳,针对玄武岩地层,然后它在海底矿化。”事实上,挪威曾经在北海一处油气田的一个方案中的大型碳捕获和贮存设备上挖了一口井。

冰岛是一个小国,人口只要36.4万,可再生能源却得到了充沛的应用。但是,即便冰岛的排放基准相对较低,其他较大、碳密集的国度也能够从冰岛的做法中学到一些东西,即便是最严重的工业也能够减少二氧化碳排放。


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