راه‌حل تغییرات اقلیمی: استفاده از کربن‌دی‌اکسید برای تولید برق

جهان از این موضوع آگاه است که برای دفع اثرات نامطلوب حاصل از تغییرات اقلیمی باید کربن‌دی‌اکسید را از اتمسفر بیرون بکشد. در این راستا، دانشمندان و مهندسان تکنیک‌های مختلفی را پیشنهاد کرده‌اند اما بیشتر آن‌ها بسیار گران بوده و هیچ درآمدی حاصل نمی‌کنند. کسی هم نمی‌خواهد هزینه‌ی این کار را پرداخت کند.

اکنون و در نتیجه‌ی یک مطالعه‌ی شبیه‌سازی جدید، روشی که پیش‌تر پیشنهاد شده بود، ممکن است به عملی شدن نزدیک شده باشد. فرایند مذکور شامل پمپاژ کربن‌دی‌اکسید هوا درون هیدرات‌های متان است. هیدرات‌های متان ذخایر بزرگی از آب یخ‌زده و متان هستند که در بستر دریا و زیر آب‌های دارای عمق ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ متر قرار دارند. در این روش، کربن‌دی‌اکسید ورودی موجب خارج شدن متان می‌شود. گاز متان می‌تواند به سطح فرستاده شده و برای تولید برق یا تأمین انرژی عملیات برداشت کربن از اتمسفر یا دیگر کاربردها مصرف شود.

بسیاری از ذخایر هیدرات متان در امتداد سواحل خلیج مکزیک و دیگر خطوط ساحلی وجود دارند. نیروگاه‌های بزرگ و تأسیسات صنعتی که کربن‌دی‌اکسید را منتشر می‌کنند، نیز در آن حوالی قرار گرفته‌اند، بنابراین یک گزینه این است که گاز را به‌طور مستقیم از دودکش‌ این تأسیسات برداشت کرد و خود این کارخانه‌ها و صنایع می‌توانند بازاری آماده برای برق تولیدی باشند.

توزیع مخازن هیدرات‌های متان در جهان

هیدرات متان ساختاری متشکل از ملکول‌های منجمد و مشبک آب است. شبکه‌ای که دارای حفره‌های خالی (قفس) و دارای اندازه‌ی مولکولی زیادی است که می‌تواند ملکول‌های متان را به دام اندازد. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نشان داده است که خارج کردن متان به کمک کربن‌دی‌اکسید، اگر غلظت بالایی از نیتروژن نیز تزریق شود، به‌میزان زیادی افزایش می‌یابد و این تبادل گاز یک فرایند دو مرحله‌ای است.

نیتروژن به‌آسانی در هر جایی در دسترس است زیرا ۷۸ درصد از اتمسفر زمین را تشکیل می‌دهد. در یک مرحله نیتروژن وارد قفس‌ها می‌شود. این امر موجب بی‌ثباتی متان به دام افتاده می‌شود و متان از منافذ آب منجمد فرار می‌کند. کریس دارنل نویسنده‌ی این مقاله که در مجله‌ی Water Resources Research منتشر شده است، می‌گوید:

در یک مرحله‌ی جداگانه، نیتروژن به کربن‌دی‌اکسید کمک می‌کند که در قفس‌های خالی شده متبلور شود. این سیستم که اکنون دچار اختلال شده، سعی می‌کند که به تعادل جدیدی برسد: در این وضعیت، تعادل به‌سمت کربن‌دی‌اکسید بیشتر و متان کمتر پیش می‌رود.

گروهی از آزمایشگاه‌ها، دانشگاه‌ها و شرکت‌ها در سال ۲۰۱۲، این تکنیک را ازنظر امکان‌سنجی در منطقه‌ی شیب شمالی آلاسکا که در آن هیدرات متان در ماسه‌سنگ‌های زیر لایه‌ی منجمد خاک تشکیل می‌شود، مورد آزمایش قرار دادند. آن‌ها کربن‌دی‌اکسید و نیتروژن را ازطریق لوله‌ای درون هیدرات‌های متان فرستادند. مقداری کربن‌دی‌اکسید ذخیره و مقداری متان آزاد شد. ری بوسول از آزمایشگاه ملی فناوری انرژی که یکی از هدایت‌کنندگان آزمایش آلاسکا بوده ولی در پژوهش جدید مشارکتی نداشته است، می‌گوید: «خوب است که کریس توانست پیشرفت کند».

علاوه‌بر ذخایر متعدد هیدرات متان، این سواحل در آمریکا دارای مخازن بزرگی از شوراب‌های داغ نمکی در سنگ‌های رسوبی زیر خط ساحلی هستند. در این سیستم، پمپ‌ها می‌توانند کربن‌دی‌اکسید را به یک انتهای مخزن هیدرات متان برسانند و شوراب‌ها را ازطریق لوله‌ای که در انتهای دیگر قرار گرفته وارد زمین کرده و سپس مجددا به سطح برگردانند. در آنجا شوراب‌های داغ ازطریق یک مبدل حرارتی جریان می‌یابند و گرمای آن می‌تواند استخراج شده و برای فرایندهای صنعتی یا تولید برق استفاده شود. شورابی که به‌سمت بالا باز می‌گردد، حاوی مقداری متان نیز خواهد بود که می‌تواند استخراج شده و سوزانده شود. کربن‌دی‌اکسید در شوراب زیرزمینی حل شده، متراکم شده و بیشتر زیر زمین ته‌نشین می‌شود و ازنظر تئوری در آنجا باقی خواهد ماند.

البته هریک از این سیستم‌ها با چالش‌های عملی بزرگی رو‌به‌رو است. یک مشکل، ایجاد جریان متمرکزی از کربن‌دی‌اکسید است؛ این گاز تنها ۰/۰۴ هوا و حدود ۱۰ درصد از انتشارات گازی حاصل از دودکش‌های یک نیروگاه معمولی یا تأسیسات صنعتی را تشکیل می‌دهد. اگر یک سیستم کارآمد شورآب یا هیدرات متان نیاز به ورودی ۹۰ درصدی کربن‌دی‌اکسید داشته باشد، افزایش غلظت این گاز نیاز به انرژی بسیار زیادی داشته که موجب می‌شود این فرایند بسیار گران شود. بریانت می‌گوید:

اما اگر تنها به غلظت ۵۰ درصد نیاز باشد، این می‌تواند جذاب‌تر باشد. باید بتوان هزینه‌ی برداشت کربن‌دی‌اکسید را کاهش داد.

یکی دیگر از چالش‌های اصلی رویکرد هیدرات متان این است که چگونه متان آزاد شده را که به‌آسانی می‌تواند در شکاف‌های زمین و در همه‌ی جهات پراکنده شود، جمع‌آوری کنیم. بریانت می‌پرسد: «باید از چه نوع ساختار چاه و لوله‌ای برای گرفتن آن استفاده کرد؟»

با توجه به این واقعیت‌ها، امروزه مشوق‌های اقتصادی کمی برای بهره‌برداری از هیدرات کربن به‌منظور برداشت کربن‌دی‌اکسید از هوا وجود دارد. اما همچنان که غلظت این گاز در اتمسفر افزایش پیدا می‌کند و سیاره گرم‌تر می‌شود، سیستم‌هایی که بتوانند این گاز را برداشت کنند و در نتیجه‌ی این کار انرژی یا درآمدی نیز حاصل کنند، ممکن است نسبت‌به تکنیک‌هایی که فقط کربن‌دی‌اکسید را از هوا بیرون کشیده و آن را در جایی به دام می‌اندازند و هیچ درآمدی ندارند، موفق‌تر شوند.