يُعد قطاع CCUS (احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه) صناعة ناشئة بسرعة ومن المتوقع أن تلعب دورًا حاسمًا في استراتيجيات الشركات الرامية إلى إزالة الكربون. ووفقًا لشركة الاستشارات العالمية في مجال النمو ’فروست آند سوليفان»، من المتوقع أن ينمو سوق CCUS بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) يبلغ 49.7% بين عامي 2022 و2030. وبحلول عام 2030، من المتوقع أن تصل إيرادات السوق إلى $42.48 مليار، وبحلول عام 2034، قد تصل إلى ذروتها عند $45.21 مليار.
يُعد استخدام ثاني أكسيد الكربون المُحتجز في تصنيع منتجات عالية القيمة خطوة أساسية في تعزيز قيمة ثاني أكسيد الكربون. ويمكن تصنيع البوليمرات — باعتبارها منتجات عالية القيمة — من ثاني أكسيد الكربون من خلال عمليات تحفيزية أو غيرها، مما يضيف قيمة إلى سلسلة توريد ثاني أكسيد الكربون ويخلق مسارات مستدامة بيئيًا.
يلخص الرسم البياني التالي بعض الطرق الواعدة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمر:
أولاً: نظرة عامة على المسار الرئيسي
التحويل التحفيزي
يؤدي تحفيز ثاني أكسيد الكربون باستخدام المستخلصات إلى تكوين مواد وسيطة يمكن أن تشكل في النهاية بوليمرات مثل البوليسترات، والبوليوريا، والبوليوريثانات الخالية من الإيزوسيانات (NIPU).
يخضع ثاني أكسيد الكربون والإيبوكسيدات (مثل أكسيد الإيثيلين وأكسيد البروبيلين) لتفاعلات البلمرة في وجود محفزات، مما ينتج عنه بولي كربونات أليفاتية أو بولي ألكيلين كربونات (PAC).
يحفز ثاني أكسيد الكربون، عند استخدامه مع الإيبوكسيدات أو الكحولات، عملية تخليق البوليولات، التي يمكن أن تتحد بعد ذلك مع الإيزوسيانات لتكوين البولي يوريثان.
يؤدي التحويل التحفيزي لثاني أكسيد الكربون (CO₂) والهيدروجين (H₂) إلى الغاز التخليقي، ثم تفاعل فيشر-تروبش، إلى إنتاج البولي أوليفينات. وتُعد البولي أوليفينات من البوليمرات المستخدمة على نطاق واسع، ومن بينها البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين.
مسار الهدرجة
يتفاعل ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والهيدروجين (H₂) من خلال سلسلة من خطوات الهدرجة لإنتاج الميثانول، الذي يمكن بعد ذلك تحويله إلى أوليفينات (مثل الإيثيلين والبروبيلين) من خلال تقنية تحويل الميثانول إلى أوليفينات (MTO)، مما يؤدي إلى تصنيع البولي أوليفينات.
يمكن أن ينتج ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والهيدروجين (H₂)، من خلال تفاعلات كهروكيميائية، الإيثيلين جلايكول (MEG) والإيثيلين وحمض الهيدروسيانيك، والتي يمكن بعد ذلك تصنيعها لتكوين بوليمرات مثل بولي ميثيل الميثاكريلات (PMMA) والبولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، بولي إيثيلين فورانوات (PEF)، وبولي إيثيلين (PE). وتُعد هذه الطريقة فعالة وصديقة للبيئة، كما أنها تمثل اتجاهًا مستقبليًّا مهمًّا لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات.
التخمير
يمكن أن ينتج ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين الأخضر عن طريق التخمير مواد وسيطة مثل حمض اللاكتيك، وحمض السكسينيك، وحمض الأديبيك، والإيثانول، والبيوتانول، الإيزوبوتانول، وغيرها، والتي يمكن تحويلها لاحقًا إلى بوليمرات حيوية قابلة للتحلل البيولوجي مثل بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، وحمض البوليلاكتيك (PLA)، وبولي بوتيلين سكسينات (PBS). وتتمتع هذه المواد بآفاق تطبيق واسعة.
تُظهر هذه المسارات الملخصة إمكانيات متعددة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات. وهذه المسارات ليست مجدية نظريًّا فحسب، بل حققت أيضًا بعض التقدم في مجال الأبحاث التجريبية والتطبيقات الصناعية. ومع ذلك، عند تطبيقها عمليًّا على نطاق صناعي، يجب أخذ عوامل مثل نضج التكنولوجيا، والجدوى الاقتصادية، والطلب في السوق، والتأثير البيئي في الاعتبار. وفي المستقبل، مع تقدم التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، قد تصبح هذه المسارات طرقًا مهمة لاستغلال ثاني أكسيد الكربون كمورد.
ثانياً: مدى نضج التكنولوجيا في المسارات الرئيسية
تتمتع بعض الطرق، مثل إنتاج البوليستر والبوليوريا والبوليوريثان الخالي من الإيزوسيانات (NIPU)، بتقنيات ناضجة نسبيًا، لكن معدلات التحويل المباشر من ثاني أكسيد الكربون قد تظل محدودة.
يشهد إنتاج بوليمرات البولي كربونات (مثل بولي بروبيلين كربونات (PPC) وبولي إيثيلين كربونات (PEC)) تطورًا سريعًا، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من الأبحاث والتحسينات من أجل رفع معدلات الإنتاج وخفض التكاليف.
تُعد التقنيات الكهروكيميائية وتقنية فيشر-تروبش واعدة، لكنها لا تزال حاليًا في مرحلة التجارب المختبرية أو التجارب الصناعية على نطاق صغير، مما يتطلب مزيدًا من الاستثمار في البحث والتطوير والتحقق من صحتها.
حققت تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليولات بعض النجاح في التطبيقات الصناعية. فعلى سبيل المثال، طورت بعض الشركات مجموعات كاملة من التقنيات المسجلة الملكية الخاصة بالبوليولات المشتقة من ثاني أكسيد الكربون، والتي تشمل المحفزات وعمليات التفاعل والمعدات وصولاً إلى التطبيقات النهائية، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة البولي يوريثان والجلد الصناعي والرغوات. ومع تقدم التكنولوجيا، قد تشهد البوليولات المشتقة من ثاني أكسيد الكربون تطبيقات أوسع نطاقاً وتطوراً أكبر.
ثالثًا: تكاليف المواد الخام
يتميز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) كمادة خام بتكلفته المنخفضة، حيث إنه غاز دفيئة يُطلق على نطاق واسع ويمكن التقاطه والاستفادة منه. ومع ذلك، قد تختلف تكاليف المواد الخام المساعدة الأخرى (مثل الهيدروجين، والمحفزات، والمذيبات، والكتلة الحيوية) تبعًا لمصدرها وسعرها وتوافرها في السوق.
أما بالنسبة للبوليمرات المنتجة عن طريق التخمير (مثل حمض البوليلاكتيك (PLA) وبولي هيدروكسي ألكانوات (PHA))، فإن تكاليف المواد الخام (مثل السكريات والكتلة الحيوية) وكفاءة عملية التخمير تؤثر أيضًا على الجدوى الاقتصادية.
الرابع: الطلب في السوق
سيؤثر حجم الطلب في السوق ومعدل نموه بشكل مباشر على الجدوى الاقتصادية لهذه التقنيات:
مع تزايد الوعي البيئي والطلب على التنمية المستدامة، يتزايد الطلب على البوليمرات ذات الأصل الحيوي والقابلة للتحلل البيولوجي، مما يساهم في دفع عجلة تطوير تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات.
مع تزايد وضوح الإمكانات التي تنطوي عليها أنواع الوقود منخفضة الكربون واستمرار الزخم العالمي نحو التنمية المستدامة، يتزايد الطلب في السوق على الميثانول الأخضر بشكل مطرد. ويتمتع الميثانول الأخضر بتطبيقات واسعة النطاق، بما في ذلك استخدامه كوقود للسيارات، وفي خلايا الوقود، وكوقود للطائرات، وكمضافات عضوية. ومع تقدم تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين الأخضر وانخفاض تكاليفها، سيشهد الميثانول الأخضر استخدامات متزايدة في هذه المجالات، مصحوبًا بنمو مستمر في الطلب عليه في السوق.
خامساً: الأثر البيئي
تساعد تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات على الحد من انبعاثات غازات الدفيئة والتلوث البلاستيكي، وتشجع على إعادة تدوير الموارد مع تقليل توليد النفايات إلى أدنى حد ممكن. ومع ذلك، قد تؤدي بعض الطرق إلى إنتاج ملوثات أخرى أو أن تكون لها آثار بيئية محتملة.
هناك حاجة إلى إجراء تقييم شامل للأثر البيئي، إلى جانب اتخاذ التدابير المناسبة للتخفيف من الآثار السلبية.
على الرغم من الفوائد البيئية العديدة لتقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات، فإنها لا تزال تواجه تحديات تقنية. فعلى سبيل المثال، يُعد تحسين كفاءة تحويل ثاني أكسيد الكربون وتحسين أداء البوليمرات لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة من المجالات الرئيسية التي يتم التركيز عليها. ومع ذلك، وبفضل الجهود المستمرة التي تبذلها المؤسسات البحثية والشركات، يتم التغلب على هذه التحديات التقنية تدريجيًا. وفي المستقبل، مع استمرار التقدم التكنولوجي وتوسع نطاق التطبيقات، ستلعب تقنيات تحويل ثاني أكسيد الكربون دورًا متزايد الأهمية في حماية البيئة وإعادة تدوير الموارد.
الخاتمة
في الختام، تمثل مسارات تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى بوليمرات الموضحة أعلاه تحديات وفرصًا متنوعة من حيث الجدوى التقنية والجدوى الاقتصادية. ولتحقيق التسويق التجاري لهذه التقنيات، يلزم إجراء المزيد من البحث والتطوير من أجل تحسين ظروف العمليات، وخفض تكاليف الإنتاج، وتعزيز كفاءة الطاقة، مع مراعاة الطلب في السوق والتأثيرات البيئية. بالإضافة إلى ذلك، ستلعب السياسات الحكومية، والدعم المالي، والطلب في السوق أدوارًا مهمة في تشكيل مسار تطوير هذه التقنيات.
