Kaliforniya'daki Los Angeles Limanı'nda tanklar ve borularla dolu iki mavna, iklim kriziyle mücadelede yeni bir sınır açmak için alışılmadık bir ortam sağlıyor. Onları çalıştıran start-up'lar, havadaki karbondioksiti yakalamak için okyanusun gücünden yararlanmaya yönelik artan çabanın bir parçası durumunda.

Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden çıkan bir spin off firması olan Captura ve Los Angeles'taki Kaliforniya Üniversitesi'nden Equatic'in, dünya okyanuslarından karbondioksiti uzaklaştırıp hapsederek iklim değişikliğine çözüm bulma konusunda cesur planları var. Elektrokimyasal sistemlerinin sonunda karbondioksiti ton başına 100 dolardan (80 £) daha düşük bir maliyetle ortadan kaldıracağından eminler. ABD Enerji Bakanlığı, 2032 yılına kadar karbon giderme için ton başına 100 dolar hedefliyor. Bu dönüm noktasına ne kadar hızlı ulaşılabileceği, teknolojinin ne kadar hızlı ölçeklenebileceğine ve yenilenebilir enerjinin gelecekteki maliyetlerine bağlı olacak ancak Equatic, bunu 2028 yılına kadar başarabileceğini öngörüyor. Karşılaştırma yapmak gerekirse, İzlanda'da yıllık 4000 ton kapasiteli doğrudan hava yakalama tesisi bulunan Climeworks, on yılın sonuna kadar maliyetlerin ton başına 250-300 dolar civarına düşmesini bekliyor.

Okyanus yakalama teknolojileri halihazırda önemli yatırımlar çekiyor.

Geçen yıl Captura, teknolojisini ticarileştirmek için 33 milyon dolardan fazla yatırım topladı. Yatırımcılar arasında Norveç'in batı kıyısında 1000 tonluk bir tesis geliştiren Norveç'in devlete ait enerji devi Equinor da yer alıyor. Tesis, uçtan uca operasyonun tamamını test edecek ve yakalanan karbondioksitin kalıcı depolama için deniz tabanı altına enjekte edilmesini sağlayacak. Captura'nın ilk ticari tesisinin yılda 50.000 ton karbondioksiti gidermesi planlanıyor.

Her iki teknoloji de kapalı sistemler olduğundan yakalanan karbondioksit miktarı hassas bir şekilde ölçülebiliyor. Bu, büyük ölçekli karbon gideriminin sağlanması açısından kritik öneme sahiptir. Şirketlerin taşınmayı önceden satın aldığı bir endüstri halihazırda gelişmektedir. Örneğin Boeing, süreç tarafından üretilecek 62.000 ton karbon giderme ve 2.100 ton yeşil hidrojen satın almak için Equatic ile beş yıllık bir anlaşma imzaladı. Bazı tahminler anlaşmanın en az 50 milyon dolar değerinde olduğunu öne sürüyor.

Enerji tüketimini azaltmak.

Deniz suyu hacim olarak havadan 150 kat daha fazla karbondioksit tutuyor ve bu da denizden uzaklaştırılmasının potansiyel olarak daha verimli olmasını sağlıyor. Ancak su daha ağırdır. Captura'nın CEO'su Steve Oldham, "Taşınma maliyeti daha fazla ama 150 kat daha fazla değil" diyor.

Ancak deniz suyunu pompalamanın enerji maliyetleri oldukça yüksektir. Her metreküp suyun tuzdan arındırma tesisine pompalanması yaklaşık 0,45kWh elektrik gerektirebilir. Equatic, deniz suyunun bileşimine dayanarak her metreküp sudan 4,6 kg karbondioksit çekebileceğini tahmin ediyor. Bu, 1 milyon ton su yakalayan bir tesisin, sırf deniz suyunu pompalamak için 97 GWh yenilenebilir enerjiye ihtiyaç duyacağı anlamına geliyor. Gelecekte, gelgitlerden veya okyanus akıntılarından yararlanmak gibi suyu taşımanın daha ucuz yolları olabilir, ancak şimdilik bu süreç enerji yoğun ve maliyetli olmaya devam ediyor. Equatic'in laboratuvar çalışmalarına göre, bir karbon yakalama tesisinin tuzdan arındırma tesisiyle birlikte konumlandırılması, her iki tesisin enerji ihtiyacını yalnızca %9 oranında azaltacaktır.

Hem Captura hem de Equatic, karbondioksiti çıkarmak için elektrokimyasal işlemlere güveniyor. Enerji maliyetlerinin büyük kısmı da burada düşüyor.

Equatic'in sistemi, karbonat mineralleri formundaki karbondioksiti yakalıyor ve deniz suyunun elektrolizi yoluyla temiz hidrojen üretiyor. Karbonat oluşumu söz konusu olduğunda UCLA Karbon Yönetimi Enstitüsü müdürü ve Equatic'in kurucularından Gaurav Sant, 'biz sadece okyanusların yaptıklarını taklit ediyoruz' diyor.

Elektroliz, Equatic'in toplam enerji ihtiyacının %80-90'ını tüketir. 'Gerçekten büyük miktarda suyu hareket ettiriyor olsanız bile, elektroliz çok daha fazla enerji gerektirir. Temel olarak odadaki fil budur' diye ekliyor.

Başlangıçtaki laboratuvar sisteminden, sürecin genel enerji ihtiyacını %10'un üzerinde azaltarak yaklaşık 2MWh/ton karbondioksit miktarına düşürdüler. Paris Anlaşması limitleri dahilinde kalmak için yaklaşık 10 gigaton emisyonun ortadan kaldırılması gerekebilir; bu, yalnızca bu rotayla emisyonun ortadan kaldırılması için 2050 yılına kadar 20.000 TWh yenilenebilir elektriğin gerekli olacağı anlamına geliyor. ABD 2022'de 974 TWh yenilenebilir elektrik üretti.

Denklemin diğer tarafında Equatic süreci de hidrojen üretiyor. Günümüzün elektrolizörlerinin bağımsız üretimi, 42–65 kWh/kg arasında hidrojen ve bir tatlı su kaynağı gerektirir. Ancak sisteme güç sağlamak için bir yakıt hücresinde kullanılmadığı sürece, üretilen hidrojeni sıkıştırmak ve taşımak için enerji gerekecektir.

Equatic'in geliştirdiği elektrotlar, deniz suyuyla maksimum yüzey teması için levhalar şeklini alıyor ve yaygın alaşımlardan ve az miktarda platin grubu metallerden oluşuyor. Normalde deniz suyunun elektrolizi klor üretimine yol açardı ancak araştırmacılar artık klor oluşumunu bastırabiliyor. Sant, “Bu gerçekten büyük bir atılım” diyor. “Equatic prosesinin mümkün olduğunca enerji açısından verimli olmasını sağlamak ve aynı zamanda hidrojen üretimi için deniz suyu elektrolizini yönlendirmek için tüm yolu açmak amacıyla elektrot mühendisliği ve elektrot tasarımı üzerine çok fazla zaman ve çaba harcadık.”

Karbonat kimyası

Sistem, karbondioksiti yakalamak için deniz suyundaki magnezyum ve kalsiyum iyonlarının bolluğundan yararlanıyor. Bunlar, katottaki karbondioksiti bağlayarak kalsiyum karbonat ve hidratlı magnezyum karbonatlar üretir; böylece deniz suyunda bulunan karbondioksiti hapseder. Bunlar elektrot ağından sürekli olarak 'kazınabilir'. Daha sonra, ortaya çıkan alkali, karbondioksiti tükenmiş deniz suyu akışından hava kabarcıkları geçirilir, böylece atmosferden daha fazla karbondioksit uzaklaştırılır.

Anotta, deniz suyunun asit akışının, denize geri gönderilmeden önce alkaliliğinin yeniden sağlanması gerekir. Bu, olivin gibi bol miktarda mineral eklenerek yapılabilir. Kıyıdaki hava koşulları, okyanusta mineral biriktirerek alkaliliğin yeniden sağlanmasına yardımcı olur, ancak günümüzde okyanuslar karbondioksiti bu doğal sürecin telafi edebileceğinden daha hızlı bir oranda emmektedir. Alkali minerallerin eklenmesi diğer şirketler tarafından da sürdürülüyor ancak ortaya çıkan karbondioksit düşüşünün hesaplanması belirsizliklerle dolu.

Mineral karbonatların okyanusa geri gönderilmesi, karbon tutumunun sıkıştırma ve taşıma maliyetlerinden herhangi birini ortadan kaldırır. Equatic doğal bir süreci 'sadece' hızlandırıyor olsa da ekosistemler üzerinde olumsuz bir etki yaratmadan bunun ne kadar hızlandırılabileceğini kimse bilmiyor. Derin okyanusun hâlihazırda yaklaşık 37.000 Gt karbon depoladığı tahmin ediliyor. Sant, "Bizim konumumuz, gerçekten ayrıntılı çevresel etki değerlendirmeleri yürütmek, olup biteni en ince ayrıntısına kadar inceleyebilmek ve ilerledikçe daha fazla bilgi elde edebilmektir" diyor.

Alternatif olarak, karbonat mineralleri inşaatlarda veya yükselen deniz seviyesinden etkilenen kıyı şeridini desteklemek için kullanılabilir; ancak bunların tesisten taşınması için enerji gerekli olacaktır.

Karbon yakalamanın yumuşatılması.

Captura'nın prosesinde filtrelenmiş deniz suyu sürekli olarak tesisten geçiyor. Enerji tüketimini azaltmak için deniz suyu alımının yalnızca %0,5'i elektrodiyaliz aşamasından geçmektedir. Önce yumuşatılır (magnezyum ve kalsiyum iyonlarını uzaklaştırmak için) ve ardından bir dizi elektrikli membrandan geçirilir. Malzemeler şimdilik gizli tutuluyor ancak Oldham bunların nadir toprak elementleri içermediğini söylüyor.

Su molekülleri hidroksil ve hidrojen iyonlarına ayrışır. Asit akışı, tesisten geçen deniz suyunun ana akışına geri eklenir ve burada pH 8,1'den yaklaşık 4'e çıkar. Asitlikteki değişiklik, bikarbonat iyonlarının karbondioksiti bırakmasına neden olur ve bu, bir gaz aracılığıyla sudan uzaklaştırılır.  Testler yakalama oranlarının %95 civarında olduğunu gösteriyor. Captura, prosesin verimliliğini daha da artırmak amacıyla sudan oksijeni uzaklaştırmayan bir membran geliştirmek üzere endüstriyle birlikte çalışıyor.

Elektrodiyaliz işleminden çıkan diğer (alkali) akım daha sonra asitliği nötralize etmek ve pH'ı yeniden 8,1 civarına getirmek için tekrar suya eklenir. Santralden çıkan sudaki karbondioksit giderildiği için, okyanus yüzeyinde kalması şartıyla atmosferden daha fazla çekilmesi gerekiyor. Yüzey suları tarafından tam olarak ne kadar emileceği henüz kesin olarak kanıtlanmamıştır.

Bununla birlikte, elektrodiyaliz adımı oldukça enerji yoğundur; toplam proses enerjisi ihtiyacının yaklaşık %70'ini emer. Captura rakamları yayınlamadı ancak enerji talebini azaltmak ve maliyetleri düşürmek için elektrodiyaliz ünitesini yoğun olmayan yenilenebilir enerji kaynaklarıyla çalışabilecek şekilde aşırı inşa etmeyi planlıyor. Günde altı saat boyunca yoğun olmayan elektrik kullanılarak, sürecin 24 saat devam etmesine yetecek kadar asit ve baz üretilebiliyor. Diğer bir avantaj ise membranların ömrünü dört katına çıkarmasıdır. Günümüzün ticari olarak temin edilebilen membranlarının kullanım ömrü 10.000 saatin üzerindedir.

Oldham, "Elektrodiyaliz performansında termodinamik sınıra oldukça yakınız" diyor, ancak "membranın fiziksel boyutu üzerinde çalışmaya devam edeceğiz; ne kadar büyük olursa o kadar iyi, ancak performansı korumalısınız". Karbondioksitin sıkıştırılıp depolanması için taşınması için ek bir enerji maliyeti ortaya çıkacaktır. Bir yaşam döngüsü analizi, sıkıştırma için gereken enerjinin yakalanan karbondioksitin 111kWh/ton olduğunu ve onu bir kuyuya enjekte etmek için gereken enerjinin ise 7kWh/ton olduğunu ortaya koydu.

Yakın zamanda yapılan bir analiz, bu süreçleri tuzdan arındırma ile eşleştirmenin karbondioksit giderme potansiyelini yılda 10 milyon tonun altına sınırlayacağını öne sürüyor. Ancak bu tür santraller Orta Doğu gibi bölgelerde bulunuyor ve güneş enerjisini kendilerine güç sağlayacak şekilde ölçeklendirme potansiyeline sahip.

Captura için ortak konumlandırma bir 'pazara giriş stratejisidir'. Equinor ile olan yeni ortaklığının, devlete ait petrokimya firmasının denizde sondaj kuleleri gibi yapılar inşa etme deneyiminden faydalanmasını sağlayacağını umuyor.

Sektör ölçeklendirmeye ve sistemlerinin okyanus sağlığına fayda sağladığını göstermeye odaklanırken, maliyet sorunu devam ediyor. “Neden önemli olduğuna dair hiçbir soru yok. Yapılması gerektiğine hiç şüphe yok” diyor Sant. 'Soru şu ki, bunun bedelini nasıl ödeyeceğiz? Peki bunun bedelini kim ödeyecek?'

Kaynak: https://www.chemistryworld.com/