模拟改变了气候变化方程

By Ansys Advantage Staff

气候工厂通过碳固法将捕获的二氧化碳转化为石头。Carbfix开发了一种方法，可以捕获水中的二氧化碳和其他酸性气体，然后将这些水注入地下，在那里这些气体以稳定的矿物质的形式储存起来。信贷固碳。摄影:Sandra O Snaebjornsdottir

考虑到二氧化碳排放对气候的巨大影响，我们可能会惊讶地发现，我们听说的“高浓度”二氧化碳根本就不高。二氧化碳分子只占地球大气的0.04%。问题是，吸收热量的二氧化碳比以往任何时候都要多——自工业时代开始以来，人为增加了45%，其中四分之一是在2000年以后。

即使二氧化碳的少量增加也会造成温室效应，使地球变暖，改变地球的天气模式，并直接影响我们所知道的生命。

为了达到《巴黎协定》的气候标准，世界需要做的不仅仅是踩刹车，还要减少或抵消二氧化碳排放。它必须通过消除大气中已经存在的排放物，然后再利用或隔离它们来扭转局面，这意味着0.04%确实是一个有意义的数字，而不仅仅是一个。

从大气中提取二氧化碳并不像从湿海绵中挤出水。二氧化碳的浓度只有百万分之400，它的弥散性非常强，这使得捕捉二氧化碳既繁琐又困难，而且到目前为止还相当昂贵。

瑞士公司Climeworks正通过其二氧化碳去除解决方案来应对这些挑战。该公司开发了一种商业上可行的、基于过滤器的直接空气捕获(DAC)技术。通过去除空气中的二氧化碳，它希望能激励10亿人采取气候行动。通过在Ansys Startup Program中作为合作伙伴访问Ansys仿真软件，Climeworks提高了DAC工厂的过滤能力，简化了设施的能耗，并降低了机械加载周期下的疲劳和故障风险。

Climeworks的目标是:

• 通过直接的空气捕获工厂扭转二氧化碳对气候变化的影响。
• 开发高效的工厂以降低捕获二氧化碳的成本。
• 重新利用空气中捕获的二氧化碳作为可再生燃料和材料的原料。
• 去除二氧化碳作为一种服务。

目前，有15家Climeworks DAC工厂在欧洲运营，其中一些是商业企业，另一些是研究企业。瑞士的旗舰试验工厂每年可捕获900吨二氧化碳;冰岛正在建设的一个设施，其捕集能力将是这个数字的四倍。

Climeworks的直接空气捕捉技术与冰岛公司Carbfix开发的储存过程相结合，可以从空气中去除二氧化碳，并将其永久储存在地下。图片版权归Climeworks所有。

设计小而可扩展的，为了大的结果

碳捕获和封存的概念并不新鲜。事实上，它可以追溯到20世纪70年代。一些方法背后的技术甚至可以追溯到20世纪20年代，当时天然气公司开始从他们的产品流中分离二氧化碳。

捕获碳的传统方法有三种:燃烧后燃烧、燃烧前燃烧和全氧燃料燃烧。全氧燃料燃烧在发电厂中使用的是接近纯氧的燃料，而不是空气。但是，这些方法通常都与从大型点源(如发电设施或制造厂的烟道)收集排放物有关，这需要工业规模的捕获设施才能经济。

相比之下，Climeworks的DAC系统是模块化的，由多个收集器组成，可以从空气中去除二氧化碳，而不是从点源中去除。Climeworks采用了吸附式空气接触过滤器，而不是像其他方法那样在气/液层流中捕获二氧化碳。Climeworks还减少甚至消除了与碳捕获相关的运输成本:他们可以在储存地点设置DAC工厂。

这些创新减少了Climeworks工厂的规模和价格。

Climeworks直接空气捕获工厂照片由Julia Dunlop提供

分析500个变化

Climeworks的二氧化碳收集器通过两步过程选择性地捕获二氧化碳。首先，空气被风扇吸入收集器。二氧化碳被捕获在收集器内部的高选择性过滤材料的表面上。然后，在滤料充满CO2后，关闭收集器。Climeworks将温度提高到80摄氏度到100摄氏度(176华氏度到212华氏度)，从而释放出二氧化碳。最后收集高纯度、高浓度的CO2。

然后，这些气体要么被永久安全地储存在地下，在那里它可以保存数百万年，要么被重新用于工业用途。例如，捕获的二氧化碳可以转化为炭黑(电子、印刷和建筑的一种成分)，用于碳酸饮料，或加工成合成的可再生燃料。

由于二氧化碳是如此巨大和稀释，捕获1吨需要将2000到3000吨空气转移到系统中的小通道中。Climeworks工程师使用Ansys Fluent分析气流体积和速度，了解压力损失及其对系统能耗的影响，减少压降，并优化吸附剂体积，即有多少CO2会粘附在固体材料空气承包商过滤器上。

每个设备都以批量方式工作，只有在过滤器饱和后才开始加热和冷却过程。由于释放气体和再生收集器会在收集室中产生真空——这个循环要重复数千次——工程师们使用Ansys机械公司来模拟结构应力和疲劳。

工程师们在完善设计的同时，总共模拟了500种空气收集器的几何变化，而且比测试和制造一个物理原型所花费的时间要短得多。事实上，工程师们估计，模拟测试的速度比物理测试快5到10倍。节省时间就是节省成本——对Climeworks、它的客户，最终对试图避免气候变化付出高昂代价的地球来说都是如此。

领先的科学研究表明，到本世纪中叶，每年将需要从空气中去除100亿吨二氧化碳。使用Ansys软件，Climeworks开发了一种直接空气捕获解决方案，可以为实现这一崇高目标做出贡献。

Climeworks的创始人Christoph Gebald(左)和Jan Wurzbacher在Climeworks工厂前。Julia Dunlop摄