વાતાવરણમાંથી સીધો કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ખેંચતી ટેકનોલોજી: ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર (DAC) કેવી રીતે કામ કરે છે?

વૈશ્વિક ગ્લોબલ વૉર્મિંગ અને આબોહવા પરિવર્તન સામેના યુદ્ધમાં અત્યાર સુધી ધ્યાન મુખ્યત્વે નવા કાર્બન ઉત્સર્જનને રોકવા પર કેન્દ્રિત હતું. પરંતુ વાતાવરણમાં પહેલાંથી જ ભેગો થયેલો કાર્બન ડાયોક્સાઇડ વાયુ (CO2) દૂર કરવો પણ એટલો જ જરૂરી બન્યો છે. આ કાર્ય માટે ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર (Direct Air Capture - DAC) ટેકનોલોજી એક અગત્યના સાધન તરીકે ઊભરી આવી છે. ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર એ એક એવી રાસાયણિક અથવા ભૌતિક પ્રક્રિયા છે જેના દ્વારા વાતાવરણીય હવામાંથી સીધેસીધો કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ખેંચીને અલગ કરવામાં આવે છે. જો આ રીતે ખેંચાયેલા CO2 ને ભૂગર્ભમાં સુરક્ષિત રીતે લાંબા ગાળા માટે સંગ્રહિત કરવામાં આવે, તો આ સમગ્ર પ્રક્રિયાને ડાયરેક્ટ એર કાર્બન કેપ્ચર એન્ડ સીક્વેસ્ટ્રેશન (DACCS) કહેવામાં આવે છે. આવી પ્રણાલીઓને નેગેટિવ એમિશન ટેકનોલોજી (Negative Emissions Technologies - NET) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, કારણ કે તે વાતાવરણમાં કાર્બન ઉમેરવાને બદલે તેને ઓછો કરે છે.

આ ટેકનોલોજી સામાન્ય કાર્બન કેપ્ચર એન્ડ સ્ટોરેજ (Carbon Capture and Storage - CCS) થી સાવ અલગ છે. પરંપરાગત CCS પદ્ધતિઓ સિમેન્ટ ફેક્ટરી કે બાયોએનર્જી પ્લાન્ટની ચિમનીઓ જેવા ચોક્કસ સ્ત્રોતોમાંથી નીકળતા ધુમાડામાંથી CO2 પકડે છે, જ્યાં કાર્બનની સાંદ્રતા ખૂબ વધારે હોય છે. એનાથી વિપરીત, DAC વાતાવરણની સામાન્ય હવામાંથી CO2 શોષી લે છે, જ્યાં કાર્બનની સાંદ્રતા પ્રતિ મિલિયન માત્ર ૪૦૦ ભાગ (400 ppm) જેટલી અત્યંત ઓછી હોય છે. આથી, વાતાવરણીય હવામાંથી શુદ્ધ CO2 અલગ કરવા માટે ઉચ્ચ કક્ષાની રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ અને ઊર્જાની જરૂર પડે છે. પ્રથમ વખત ૧૯૯૯ માં પ્રસ્તાવિત કરાયેલી આ પદ્ધતિ પર હાલ વિશ્વભરમાં ઝડપથી સંશોધન અને વ્યાપારી પ્લાન્ટનું નિર્માણ થઈ રહ્યું છે.

કાર્યપદ્ધતિ: વાતાવરણીય હવામાંથી CO2 અલગ કરવાની ત્રણ તબક્કાની પ્રક્રિયા

ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર પદ્ધતિ મુખ્યત્વે ત્રણ સુગ્રથિત તબક્કાઓમાં કાર્ય કરે છે: સંપર્ક તબક્કો (contacting stage), કેપ્ચર તબક્કો (capture stage), અને સેપરેશન એટલે કે અલગ કરવાનો તબક્કો (separation stage). પ્રથમ તબક્કામાં, DAC સિસ્ટમમાં બેસાડેલા વિશાળ પંખા (fans) ની મદદથી વાતાવરણની હવાને સક્ષમ ઉપકરણો તરફ ખેંચવામાં આવે છે. આ હવા કેપ્ચર રિયેક્ટર અથવા મોલેક્યુલર ફિલ્ટરમાંથી પસાર થાય છે.

બીજા તબક્કામાં, હવામાં રહેલો CO2 વાયુ પ્રવાહી સોલ્વન્ટ (solvent: વાયુ ઓગાળતું પ્રવાહી) અથવા ઘન સોર્બન્ટ (sorbent: અણુઓને સપાટી પર બાંધતો ઘન પદાર્થ) સાથે ઝડપથી રાસાયણિક પ્રક્રિયા કરીને બંધાઈ જાય છે. રાસાયણિક માધ્યમોની બાાઇન્ડિંગ એનર્જી એવી રીતે ડિઝાઇન કરવામાં આવે છે કે તે અત્યંત પાતળી હવામાંથી પણ CO2 ના અણુઓને જકડી લે છે. આ પ્રક્રિયા પૂરી થયા પછી માત્ર શુદ્ધ હવાની અવશેષી સામગ્રી બહાર ફેંકાય છે.

ત્રીજા તબક્કામાં, જકડાયેલા CO2 ને સોલ્વન્ટ કે સોર્બન્ટમાંથી મુક્ત કરવા માટે બાહ્ય ઊર્જા (મુખ્યત્વે ગરમી) આપવામાં આવે છે. આ ઊર્જાને કારણે રાસાયણિક બંધ તૂટે છે અને શુદ્ધ CO2 વાયુનો પ્રવાહ મુક્ત થાય છે. મુક્ત થયેલા આ વાયુમાંથી ભેજ દૂર કરીને તેને સંકુચિત (compression) કરવામાં આવે છે. આ જ સમયે રાસાયણિક માધ્યમ પુનઃસક્રિય (regenerate) થઈ જાય છે, જેથી તેનો ફરીથી કેપ્ચર પ્રક્રિયામાં ઉપયોગ કરી શકાય છે. મુક્ત થયેલો શુદ્ધ CO2 ત્યારબાદ ભૂગર્ભમાં કાયમી સ્ટોરેજ માટે મોકલવામાં આવે છે અથવા ઔદ્યોગિક ઉપયોગમાં લેવાય છે.

ટેકનોલોજીના મુખ્ય પ્રકારો: લિક્વિડ (L-DAC) અને સોલિડ (S-DAC)

ઔદ્યોગિક સ્તરે અમલમાં મૂકવા માટે હાલમાં બે મુખ્ય DAC ટેકનોલોજી પરિપક્વ ગણાય છે: સોલિડ સોર્બન્ટ DAC (S-DAC) અને લિક્વિડ સોલ્વન્ટ DAC (L-DAC). સોલિડ DAC સામાન્ય રીતે ઓછી ગરમી વાળી પ્રક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરે છે. આ પદ્ધતિમાં એમાઇન (amine) ધરાવતા છિદ્રાળુ ઘન ફિલ્ટર પર CO2 કેમિકલ શોષણ (chemisorption) દ્વારા ચોંટી જાય છે. આ CO2 ને મુક્ત કરવા માટે ઓછી ગરમી અને શૂન્યાવકાશ (vacuum) નો ઉપયોગ થાય છે.

બીજી તરફ, લિક્વિડ DAC (L-DAC) સામાન્ય રીતે સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (sodium hydroxide) જેવા કોસ્ટિક પ્રવાહી સોલ્વન્ટનો ઉપયોગ કરે છે. આ પ્રવાહી CO2 સાથે પ્રક્રિયા કરીને સોડિયમ કાર્બોનેટ બનાવે છે. સોડિયમ કાર્બોનેટને ઉચ્ચ તાપમાને ગરમ કરીને તેમાંથી શુદ્ધ CO2 વાયુ મેળવવામાં આવે છે અને કોસ્ટિકાઇઝિંગ (causticizing) પ્રક્રિયા દ્વારા સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડને પુનઃપ્રાપ્ત કરીને ફરી ઉપયોગમાં લેવાય છે. L-DAC પદ્ધતિને કાર્ય કરવા માટે ઉચ્ચ તાપમાનની ગરમી અને વીજળી બંનેની જરૂર પડે છે.

આ બે મુખ્ય પદ્ધતિઓ ઉપરાંત અન્ય નવીન તકનીકો પણ ઝડપથી વિકસી રહી છે. આઇરલેન્ડ સ્થિત Carbon Collect Limited કંપનીએ 'MechanicalTree' નામની નિષ્ક્રિય કેપ્ચર (passive capture) ટેકનોલોજી વિકસાવી છે, જે કોઈપણ પંખા વગર માત્ર પવનની દિશામાં ઊભા રહીને હવા માંથી CO2 શોષી લે છે, જેનાથી ઊર્જાનો ખર્ચ ખૂબ ઘટી જાય છે. ૨૦૧૨ માં પ્રોફેસર ક્લાઉસ લેકનર દ્વારા વિકસિત મોઇશ્ચર-સ્વિંગ એડસોર્પ્શન (moisture-swing adsorption) માં Marathon MSA નામના એનાયોનિક એક્સચેન્જ પોલિમર રેઝિનનો ઉપયોગ થાય છે, જે સુકા વાતાવરણમાં CO2 શોષે છે અને ભેજવાળા વાતાવરણમાં તેને મુક્ત કરે છે.

આ ઉપરાંત, મેટલ-ઓર્ગેનિક ફ્રેમવર્ક (Metal-Organic Frameworks - MOFs) પણ આ ક્ષેત્રે ક્રાંતિ લાવી રહ્યા છે. MOF એ ધાતુના આયનો અને ઓર્ગેનિક અણુઓ વડે બનતા અત્યંત છિદ્રાળુ ત્રિ-પરિમાણીય ક્રિસ્ટલાઇન માળખાં છે. ૨૦૨૩ માં Meta AI ની FAIR ટીમો અને જ્યોર્જિયા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી દ્વારા 'OpenDAC' ડેટાબેટ જાહેર કરવામાં આવ્યો હતો. આ સંશોધકોએ ૪૦૦ મિલિયન CPU કલાકના ક્વોન્ટમ કેમિસ્ટ્રી કમ્પ્યુટેશનલ કેલ્ક્યુલેશન દ્વારા યોગ્ય MOF સામગ્રીની શોધ ઝડપી બનાવી છે. આ ઉપરાંત મેમ્બ્રેન-બેઝ્ડ DAC (m-DAC), ઇલેક્ટ્રો-સ્વિંગ એડસોર્પ્શન (ESA), અને ગ્લેશિયર બરફ દ્વારા પીસાયેલી પથ્થરોની રજ (rock flour) નો ઉપયોગ પણ સંશોધન હેઠળ છે, જ્યાં ૧ ટન ગ્રીનલેન્ડિક રોક ફ્લોર ૨૫૦ કિલોગ્રામ (૫૫૦ પાઉન્ડ) કાર્બન શોષી શકે છે.

આંકડા, ખર્ચ અને ઊર્જાની વપરાશ

ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર ટેકનોલોજી સામેનો સૌથી મોટો પડકાર તેનો અધધ ખર્ચ અને ઊર્જા વપરાશ છે. કંપનીઓના અહેવાલો અને આંકડા મુજબ, ૨૦૨૫ સુધીમાં વાતાવરણમાંથી ૧ ટન CO2 દૂર કરવાનો ખર્ચ ૧,૦૦૦ ડૉલરથી પણ વધુ રહ્યો છે. આ ખર્ચ વર્તમાન કાર્બન કિંમતો કરતાં ગણો વધારે હોવાથી તેને સામાન્ય એમિશન ટ્રેડિંગમાં વ્યાપકપણે સાંકળી શકાયો નથી. જોકે, કેટલાક નિષ્ણાતોનું માનવું છે કે વાર્ષિક ૧ મિલિયન ટન (1 Mtpa) ની ક્ષમતા ધરાવતા પ્લાન્ટ્સ સ્થપાશે ત્યારે આ ખર્ચ ઘટીને પ્રતિ ટન ૨૦૦ ડૉલરથી નીચે આવી શકે છે, જોકે આ અંદાજ અંગે નિષ્ણાતોમાં મતાંતર છે.

પર્યાવરણીય અસરની દ્રષ્ટિએ, DAC પ્લાન્ટ ચલાવવા માટે વપરાતી વીજળીનો સ્ત્રોત અત્યંત મહત્વનો છે. જો DAC પ્લાન્ટ ચલાવવા માટે પુનઃપ્રાપ્ય પવન ઊર્જા (renewable wind energy) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે, તો ૧ ટન CO2 કેપ્ચર કરવા સામે માત્ર ૦.૦૧ ટન CO2 ઉત્સર્જિત થાય છે. પરંતુ જો ગ્રીડ વીજળી અને નેચરલ ગેસની ગરમીનો ઉપયોગ કરાય, તો ૧ ટન CO2 કેપ્ચર કરવા સામે ૦.૬૫ ટન CO2 નો નવો ઉત્સર્જન થાય છે. આથી, જો ગ્રીડ વીજળીનો ઉત્સર્જન ફેક્ટર ૦.૩૦૭૭ kgCO2/kWh થી વધુ ન હોય અને પ્લાન્ટની ૫૦ થી ૮૦% વીજળી પવન ઊર્જાથી મળતી હોય, તો જ ઉચ્ચ કાર્બન મુક્તિ મેળવી શકાય છે.

આંતરરાષ્ટ્રીય ઊર્જા એજન્સી (IEA) ના નેટ ઝીરો રોડમેપ મુજબ, પેરિસ કરારના લક્ષ્યાંકો (વૈશ્વિક તાપમાન વધારો ૨ ડિગ્રી સેલ્સિયસથી નીચે રાખવો) સિદ્ધ કરવા માટે ૨૦૩૦ સુધીમાં વાર્ષિક ૮૫ મિલિયન ટન અને ૨૦૫૦ સુધીમાં વાર્ષિક ૯૮૦ મિલિયન ટન (આશરે ૦.૧ ગીગાટન) CO2 કેપ્ચર કરવું જરૂરી બનશે.

જોકે, DAC ની આકરી ટીકા પણ થઈ રહી છે. ૨૦૨૦ ના એક વૈજ્ઞાનિક વિશ્લેષણ મુજબ, જો વાર્ષિક ૩૦ ગીગાટન CO2 કેપ્ચર કરવાનો પ્રયાસ કરવામાં આવે તો તેના માટે ૧૬.૩ થી ૨૭.૮ ગીગાટન એમોનિયા (NH3) અને ૮.૪ થી ૧૩.૧ ટેરાવોટ-વર્ષ ઊર્જા (વૈશ્વિક ઊર્જા સપ્લાયના ૪૬ થી ૭૧%) ની જરૂર પડે, જે અશક્ય સમાન છે. ૨૦૨૧ ના અન્ય એક અભ્યાસ મુજબ, ૭૩ થી ૮૬% કાર્બન રીમુવલ દર જાળવી રાખવા માટે વિશ્વ આખામાં પેટ્રોલ કારમાંથી ઇલેક્ટ્રિક વ્હીકલ (EV) તરફ જવામાં જેટલી વીજળી અને જમીન જોઈએ તેટલી ઊર્જા DAC પ્લાન્ટ્સ પાછળ ખર્ચાઈ જાય. જોકે, આ ટીકાઓ ૩૦ ગીગાટનના કાલ્પનિક સ્તર પર આધારિત હતી, જ્યારે IEA નો વાસ્તવિક લક્ષ્યાંક ૦.૧ ગીગાટન (૯૮૦ મિલિયન ટન) નો છે.

પર્યાવરણીય અસરો અને ભવિષ્યની દિશા

ડાયરેક્ટ એર કેપ્ચર ટેકનોલોજીમાં સ્ટીલ, સિમેન્ટ, ઝીઓલાઇટ્સ અને મેટાલિક હાઇડ્રોક્સાઇડ્સ જેવી સામાન્ય સામગ્રીનો ઉપયોગ થાય છે. આ બાબત ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં વપરાતી દુર્લભ ક્રિટીકલ સામગ્રીની સરખામણીએ એક પ્લસ પોઇન્ટ છે. તેમ છતાં, ઉચ્ચ તાપમાનની ગરમી અને જમીનની જરૂરિયાત આ ટેકનોલોજીના વ્યાપક ઉપયોગ સામે મોટો સીમાડો બાંધે છે.

વિજ્ઞાનીઓ અને પર્યાવરણવિદો સ્પષ્ટપણે માને છે કે DAC એ કાર્બન ઉત્સર્જન ઘટાડવાનો વિકલ્પ નથી પરંતુ એક પૂરક સાધન છે. જો ઉદ્યોગો એમ વિચારીને ઉત્સર્જન ચાલુ રાખશે કે DAC દ્વારા પાછળથી વાતાવરણ સાફ કરી દેવાશે, તો તે અત્યંત જોખમી સાબિત થશે. હવાઈ જહાજો અને સ્પેસ ફ્લાઇટ્સ જેવા ક્ષેત્રો કે જ્યાં ઉત્સર્જન સાવ શૂન્ય કરવું કઠિન છે, ત્યાં જેટ ફ્યુઅલના ઉપયોગ પહેલાં કે પછી DAC દ્વારા કાર્બન સરભર કરવો એક યોગ્ય વ્યૂહરચના બની શકે છે. ભવિષ્યની નવીનતાઓ અને ઊર્જા કાર્યક્ષમતામાં સુધારા જ નક્કી કરશે કે આ ક્રાંતિકારી ટેકનોલોજી પૃથ્વીને ક્લાઇમેટ ચેન્જના સંકટમાંથી બચાવવામાં કેટલી મદદરૂપ નીવડશે.