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在某些產業中,實現永續目標可能面臨挑戰,尤其是像 Race to Zero 等著名的減碳倡議,目標是在 2030 年前將排放量減半,並在 2050 年達到淨零排放。這促使人們對直接空氣捕捉 (DAC) 技術的興趣增加,該技術可直接從大氣中移除二氧化碳 (CO2),並將其儲存於地下或轉換為氣候中性的碳產品。
Octavia Carbon 成立於 2022 年,致力於透過 DAC 技術降低大氣中的 CO2 濃度,以扭轉氣候變遷。這家新創公司總部位於肯亞,是全球南方首家 DAC 公司,並善用其地理位置的優勢。該公司表示,透過善用肯亞豐富的再生能源資源、地質條件及技術人力,他們具備獨特優勢,能降低 DAC 成本並加速其全球影響力。
為尋找一套強大的物理模擬工具應用於工程設計流程,該團隊在 2023 年透過 Ansys 新創公司計畫與 Ansys 精選通路合作夥伴 Qfinsoft (Pty) Ltd. 的協助下,採用了 Ansys 的模擬解決方案。如今,Octavia Carbon 利用 Ansys 模擬進行結構、流體與熱分析,作為產品設計的依據。同時,虛擬測試與原型設計可降低傳統實體方法所需的時間與成本,加速產品開發。
簡單來說,DAC 是從大氣中直接捕捉 CO2,而點源碳捕捉則是在來源地 (如發電廠與工業設施) 捕捉 CO2 排放。哪一種方法比較好?Octavia Carbon 的熱工程師 Hannah Wanjau 表示,兩種方法皆有助於減碳,各有不同的用途與獨特的優勢。
她指出,點源捕捉能在 CO2 排放時立即阻止其進入大氣,但其應用受限於特定地點,無法處理已存在於大氣中的 CO2。反之,DAC 可從空氣中去除現有的 CO2,且只要具備足夠的再生能源即可部署,具備更高的彈性。
「因此,DAC 在處理歷史排放 (經過數百年累積的 CO2) 以及抵銷如航空與重工業等領域無法避免的剩餘排放方面,將扮演關鍵角色,」她表示。「透過專注於去除大氣中的 CO2,DAC 補足點源捕捉技術,不僅有助於實現淨零目標,還有可能實現淨負排放,進而幫助扭轉氣候變遷。」
為了強化 Octavia Carbon 的 DAC 技術,Wanjau 與其他工程師尋求 Ansys 提供強大的多物理模擬解決方案。
「我們的技術涉及氣體流動,因此需要一個工具來協助我們在最低成本、最高效能與最高安全標準下最佳化技術設計。」Octavia Carbon 的流體工程師 Victoria Barasa 表示。
Octavia Carbon 的工程師在設計直接空氣捕捉 (DAC) 技術與設備時,使用 Ansys 模擬進行計算流體力學 (CFD) 與有限元素分析 (FEA)。
DAC 的另一項優勢是,捕捉到的 CO2 可永久儲存在深層地質構造中,防止其再次釋放到大氣中。此外,捕捉到的 CO2 也可轉化為具價值的產品,例如合成燃料、建築材料與塑膠。
但不只如此,Octavia Carbon 的工程師表示,DAC 技術具備高度可量測性與可擴充性,能確保碳移除工作的透明性。與點源碳捕捉不同,DAC 不受限於特定區域,可遠離排放源進行部署,因此在擴充時所需土地面積較小。
「在工程設計方面,Ansys 是非常出色的合作夥伴,使我們能進行詳細的結構、流體與流程模擬,這有助於減少實體原型的需求,加速產品開發周期、降低成本,並提升我們技術的安全性。」Barasa 說。
DAC 是一個包含捕捉與釋放階段的雙階段循環程序。Octavia Carbon 的 DAC 系統由整合於單一裝置內的工業設備與實體元件組成,包括用來將空氣吸入系統的風扇等接觸器、從空氣中過濾 CO2 的吸附床,以及用來從吸附材料中釋放捕捉到 CO2 的加熱系統。Octavia Carbon 的工程師表示,吸附劑是一種固態的 CO2 過濾材料,是該技術的核心,並設置於 DAC 裝置內以達最大效率。此外,同時使用壓縮機處理釋放出的 CO2,為地質儲存做好準備,並透過感應器等控制設備監控 CO2 濃度。
團隊使用 Ansys Fluent 流體模擬軟體來驗證 Octavia Carbon 專利熱交換器對接觸器材料的熱傳導速率。在設計過程中,也會使用計算流體力學 (CFD) 分析來預測與驗證 DAC 裝置內的氣流與蒸汽流動模式。Barasa 認為,在製造與實作前,CFD 分析對驗證該新創公司自行設計的熱能概念至關重要。
「這讓我們能精確設計與規劃風扇、鼓風機與蒸汽輸送系統的尺寸。」她說道。「此外,它也協助我們根據 CFD 結果,做出是否實施蒸汽調節設備的決策。」
Octavia Carbon 的 DAC 技術包含多個實體元件,包括整合於單一裝置中的空氣接觸器、吸附床、加熱系統與壓縮機。
工程師也使用 Ansys Rocky 顆粒動力模擬軟體進行離散元素法 (DEM) 與 CFD 的耦合分析,以判斷吸附接觸器材料在與不同速度空氣互動時的行為。Barasa 表示,這能提供關於為不同吸附材料正確設計風扇與鼓風機所需空氣臨界速度的關鍵見解。
除了流體模擬之外,團隊也使用 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體,對如 DAC 裝置外殼等壓力容器進行熱與結構模擬。團隊也使用該軟體進行載重分析,以確保內建起重設備 (如起重機) 的結構完整性與耐用性。
Octavia Carbon 的工程師使用 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體,對如 DAC 裝置外殼等壓力容器進行熱與結構模擬。
Octavia Carbon 將模擬技術的普及歸功於 Ansys 的新創公司計畫。
「Ansys 也促進了創新,使我們能探索更廣泛的設計選項,進一步推進我們的 DAC 技術。」Wanjau 表示。「此外,能以經濟實惠的方式取得 Ansys Learning Hub 以及人工智慧驅動的虛擬助理 AnsysGPT 等資源,這對於提升我們團隊的知識、發展並應用進階模擬技能以改善我們的技術,有著關鍵性的幫助。」
Wanjau 表示,Qfinsoft 在該軟體的成功整合中也扮演著關鍵角色。
「Qfinsoft (Pty) Ltd. 在向 Octavia Carbon 推介並支援 Ansys 模擬整合方面發揮了重要作用。」她說。「他們對 Ansys 軟體在處理複雜多物理問題上的強大功能提供了優秀的介紹。此外,透過他們的支援,我們得以接觸到一群在模擬領域經驗豐富的工程師,他們在協助我們擴展知識與多元化技能方面扮演著重要角色。」
這家新創公司充分利用肯亞的自然資源,並指出肯亞電網中有 93% 是來自再生能源,其中約 48% 為地熱能源。
「我們的 DAC 技術是專門設計來直接整合地熱能源的。」Wanjau 表示。「雖然 DAC 與地熱的整合已經被證實可行,我們仍在既有成果基礎上持續最佳化系統,目的是大幅降低 DAC 運作與地熱能源使用的成本。地熱熱能便宜、充足且乾淨,將用於我們 DAC 方法中最耗能的程序,例如解吸加熱、冷卻與真空產生。」
Wanjau 預期,這項整合將支援該新創公司位於大裂谷的 DAC 與儲存試點工廠 Project Hummingbird 多達 80% 的能源需求 — 這是全球第二座 DAC 與地質儲存設施。
該公司認為,肯亞的地質條件對 DAC 有利,例如大裂谷地區擁有豐富的玄武岩地層,非常適合儲存捕捉到的 CO2。
該新創公司表示,肯亞營運的另一優勢是擁有相對低成本的製造基地。
「透過當地能力建設,我們培養出一支由 62 位專業人才組成的團隊,其中超過 40 位工程師,足以因應新興氣候科技領域的需求。」Barasa 說道。「這種做法不僅讓我們學習速度更快,也促進了當地的社會與經濟發展。」
Project Hummingbird 是 Octavia Carbon 位於肯亞大裂谷的 DAC 與儲存試點工廠
除了專案場址外,團隊在奈洛比也設有研發與製造設施。
Octavia Carbon 訂定了長期的永續目標。該公司目標是在 2030 年前從大氣中移除超過一百萬噸 CO₂,並透過支持永續航空燃料 (SAF) 與綠色鋼鐵等產業推動永續創新。
為實現這些目標,該新創公司計畫擴充其 DAC 技術規模,並透過 Ansys 模擬降低成本。
「Ansys 模擬將在降低我們 DAC 技術成本方面發揮關鍵作用,透過虛擬原型設計減少對傳統實體原型的依賴,並建立數位孿生以即時監控技術,協助我們找出並解決高成本的故障,甚至預測機器的未來性能。」Wanjau 表示。
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