模拟改变了气候变化方程

由Ansys Advantage Staff提供

climeworks捕获的二氧化碳通过碳固定过程变成了石头。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，这些气体以稳定的矿物质的形式储存在地下。信贷固碳。Sandra O Snaebjornsdottir拍摄

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，这比有记录以来的二氧化碳吸热量还要多——自工业时代开始以来，人为增加了45%，其中四分之一发生在2000年之后。

即使二氧化碳的少量增加也会导致温室效应，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，减少或抵消二氧化碳排放。它必须通过消除已经存在于大气中的排放物来逆转这一进程，然后再利用或封存它们，这意味着0.04%确实在很多方面都是一个有意义的数字。

从大气中提取二氧化碳并不像从湿海绵中挤出水。二氧化碳的浓度仅为百万分之400ppm，其弥散性异常，这使得捕获二氧化碳变得繁琐而艰难——而且到目前为止，成本相当高昂。

瑞士公司Climeworks正在用二氧化碳去除解决方案应对这些挑战。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捉(DAC)技术。通过去除空气中的二氧化碳，它希望激励10亿人采取气候行动。通过作为Ansys启动计划的合作伙伴访问Ansys模拟软件，Climeworks提高了DAC工厂的过滤能力，简化了设施的能源消耗，并降低了机械加载循环下的疲劳和故障风险。

Climeworks的目标是:

• 用直接捕获空气的工厂来逆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。
• 再利用空气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项服务。

目前，在欧洲有15家Climeworks DAC工厂在运营，其中一些是商业企业，另一些是用于研究。瑞士的旗舰试验工厂每年可以捕获900吨二氧化碳;冰岛正在建设的一个设施将有四倍于此的容量。

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，将二氧化碳从空气中去除，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，获得大结果

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。

捕碳的传统方法有三种:燃烧后、燃烧前和含氧燃料燃烧。含氧燃料燃烧是发电厂用接近纯氧而不是空气来燃烧燃料。但每一种方法通常都与收集来自大型点源(如发电设施或制造工厂的烟道)的排放有关，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，从空气中而不是从点源中去除二氧化碳。Climeworks不像其他方法那样通过气/液层流捕获二氧化碳，而是采用了吸附性空气接触过滤器，二氧化碳可以附着在过滤器上。Climeworks还减少甚至消除了与碳捕获相关的运输成本:他们可以在存储地点设置DAC工厂。

这些创新降低了Climeworks工厂的规模和价格。

Climeworks直接空气捕捉工厂图片来源:Julia Dunlop

分析500种变化

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，用风扇将空气吸入收集器。二氧化碳被收集器内部的高选择性过滤材料表面捕获。然后，在滤料充满二氧化碳后，收集器关闭。Climeworks将温度提高到80摄氏度至100摄氏度(176华氏度至212华氏度)，从而释放出二氧化碳。最后，可以收集高纯度、高浓度的二氧化碳。

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应用。例如，捕获的二氧化碳可以转化为炭黑(电子、印刷和建筑中的一种成分)，用于碳酸饮料，或加工成合成的可再生燃料。

由于二氧化碳体积庞大且浓度较低，捕获1吨二氧化碳需要将2000至3000吨空气转移到系统中的小通道中。Climeworks工程师使用Ansys Fluent分析气流量和速度，了解压力损失及其如何影响系统能耗，降低压降，优化吸附剂体积，即有多少二氧化碳会粘附在固体材料空气承包商过滤器上。

每个装置都以批处理模式工作，只有在过滤器饱和后才开始加热和冷却过程。由于气体的释放和收集器的再生会在收集室中产生真空，并且这个循环要重复数千次，所以工程师们使用Ansys Mechanical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，而且所花费的时间远远少于测试和建造一个物理原型所花费的时间。事实上，工程师们估计模拟比物理测试要快5到10倍。节省时间就是节省成本——对Climeworks和它的客户来说，最终对一个试图避免气候变化高昂代价的星球来说。

主要的科学研究表明，到本世纪中叶，每年将需要从空气中去除100亿吨二氧化碳。利用Ansys软件，Climeworks开发了一种直接的空气捕捉解决方案，可以帮助实现这一崇高的目标。

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