新知 | 用火车车厢捕获二氧化碳，便宜又节能
撰文|王智镝
编辑|郭郭
→这是《环球零碳》的第287篇原创
直接空气碳捕获（DAC）是实现碳清除目标的一个方法。DAC系统是一种碳去除形式，由多个直接从大气中捕获二氧化碳的化学和机械装置组成。
当前从空气中捕获二氧化碳的技术，主要采用基于胺、氧化物、氢氧化物、碳、沸石和金属有机框架的液体或固体吸附剂的技术。
然而，无论材料类别如何，都需要大量能量才能完成二氧化碳的捕获。捕获后，还需要额外的能量来收集、压缩和液化二氧化碳，以实现高效运输、地质封存或商业利用。
而且，目前的DAC技术还需要大量的土地资源来建造模块化DAC单元。这将需要通过资金收购或授予大片土地作为捕获设施的权利，甚至需要更多的土地来建造为这些设施供电所需的可再生能源。
许多居民反对在他们的城镇和城市建造这些大型设施，因此想要获得适当的经营许可证非常困难。
面对这些直接空气碳捕获的障碍，来自美国火车初创公司CO2Rail的研究人员与多伦多大学合作，展示了如何将改装的火车车厢配备DAC技术机器，以除去大气中的二氧化碳。
这种改装的火车车厢，不仅可以比较便利地在火车行驶过程中吸收空气流，还可以利用火车制动系统产生的能量用于DAC系统，比起单纯基于陆地的DAC装置，成本要便宜很多，而且可以为火车的货运脱碳带来明显效益。
这一研究成果，最近刊登在《焦耳》杂志上。
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火车车厢如何捕获二氧化碳
二氧化碳利用化学家和化学工程师、多伦多大学太阳能燃料小组主任GeoffreyOzin解释：“基于铁路的DAC车，不需要分区或建筑许可证，通常也不被公众看到。”
在目前的发展状态下，所有已知的DAC部署都是基于陆地的系统，它们依赖于温度的升高从固体或液体吸附剂中释放捕获的CO2。并且CO2吸附剂介质需要暴露在大量自由流动的环境空气中，以提供足够的二氧化碳原料分子进行捕获。
图说：DAC轨道车的工作流程
来源：[1]
这些DAC轨道车也利用了这一吸附原理，不同的是，火车本身是行驶的，只需配备大进气口，这些进气口向上延伸到移动列车的滑流中，将环境空气移动到大型圆柱形二氧化碳收集室中，从而消除了固定DAC操作所需的能源密集型风扇系统的需求。
这些改装DAC车箱带有一个顶部安装的进气口和一个通风口。预计安装在顶部的前向进气口的表面积最大为6平方米,并且通过电池舱在汽车底部进行大量通风，以提供并行的电池阵列冷却能力。在111公里/小时速度下，每个进气口能够向收集室提供超过每分钟1万立方米的空气。
在吸附阶段，CO2捕获将继续，直到达到吸附剂容量或直到空气通过量为止。车厢内安装有一个基于微处理器的控制系统和各种传感器用于控制这个阶段和所有其他系统过程。
当传感器确定吸附剂达到或接近容量时，吸附阶段结束，进入下一阶段。这一阶段首先将收集室与外部环境关闭，然后抽空收集室容积以在内部产生部分真空。该步骤既是为了降低吸附CO2后释放的能量，又是为了确保高纯度的CO2最终产品不受环境空气中存在的其他成分气体的污染。这种更纯净的CO2流也更容易液化，从而呈现更高的系统效率。
二氧化碳被收集、浓缩并储存在液体储罐中，泵送至汽车后部，用于在车载15吨二氧化碳容量储罐内进行短期储存。直到可以在换乘或加油站将其从火车上清空到正常的二氧化碳铁路油罐车中，直接运输到循环碳经济中或附近的地质封存地点。
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不需要外部动力的再生制动系统
传统DAC技术需要通过鼓风机吸入大量空气，然后通过液体或固体吸附二氧化碳，这个过程往往会耗费大量能量。CO2Rail的改装火车还可以利用再生制动产生的巨大能量来运行。
目前所有机车均由柴油电动或全电动配置的电动机驱动，全球铁路运输网络中的大多数货运和客运机车在制动（减速或者停止）时，都能够在制动时将前进动量转化为能量产生，从而在列车上产生无摩擦的制动力。在铁路中，这被称为“动态制动”。
再生制动利用刹车的惯性，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用，是一个能量回收的过程。
动态制动与再生制动有着重大的区别。动态制动过程中产生的能量不能被利用，只能在每次制动操作期间转换为耗散的热能。“这是浪费能源，”该论文的首席作者、CO2Rail的创始人E.Bachman说。“每一次完整的刹车动作都能产生足够的能量，为20个普通家庭提供一天的电力，所以我们谈论的可不是微不足道的能量。”
这种技术只需对当前配置的火车进行微小的修改，每天火车减速或停止时产生的大量制动能量就可以存储在电池阵列中并且再生，不需要任何外部能量的输入。
此外，研究人员还提出，火车特有的大而通畅的平坦的车顶，不受工业磨损的影响，几乎总是暴露在全日光下，非常适合柔性薄膜或刚性晶体硅光伏(PV)的应用。通过给每节DAC车厢顶部配备了晶体硅光伏电池作为再生制动系统的补充，使得火车的运行和除碳过程都是无碳化。
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帮助缓解气候变暖的有效方法
CO2Rail认为，基于铁路的DAC成为一种更具吸引力的气候变化解决方案，因为大部分所需的基础设施已经就位，所需的能源也足够。
最近，欧洲运输组织本月早些时候宣布，他们承诺到2050年将高铁使用量增加两倍，以遏制高碳排的航空交通。这使得该技术更有可能被广泛运用。
研究人员表示，一列普通的货运列车配备这些直接空气捕获车厢，每年可以去除多达6000吨二氧化碳。由于列车能够容纳多节二氧化碳轨道车厢，因此每列列车将收获相应倍数的二氧化碳吨位。
同时，其可持续能源需求由机载资源提供，因此每吨的价格明显低于其他直接空气捕获系统，仅从能源投入就可以实现每吨捕获的二氧化碳节约30%-40%的成本。
“大规模的预计成本低于每吨50美元，这使得该技术不仅在商业上可行，而且在商业上具有吸引力。”Bachman说。
他还补充道：“我们可以得到一个正反馈循环，鼓励铁路广泛部署这些直接空气捕获轨道车，甚至可以进一步减少碳排放，因为铁路运输的效率大约是卡车的五到六倍，”Bachman说，“通过提高铁路利用率，可以提高整个运输系统的效率。
在这些条件下，CO2Rail可能很快成为世界上第一个兆吨级、第一个千兆吨级和最大的直接空气捕获二氧化碳的设施供应商。
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参考资料：
[1]https://traveltomorrow.com/train-cars-could-capture-carbon-directly-from-the-air/
[2]Bachman,E.,etal."Rail-baseddirectaircarboncapture."Joule6.7(2022):1368-1381.
[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/07/220720121026.htm