本文原刊登于Ansys.com：《Kenyan Startup Harnesses Nature and Simulation To Advance Carbon Capture》

作者： Susan Coleman | Ansys高校和初創公司計劃總監

Jennifer Procario | Ansys市場傳播經理

編輯整理：郭曉東 | Ansys主任應用工程師

“Ansys仿真將有助于降低我們的DAC技術成本，通過實現虛擬原型設計，減少對傳統物理原型的需求，并創建用于實時監控技術的數字孿生，幫助識別和解決代價高昂的故障，甚至預測機器的未來性能”

— Hannah Wanjau，Octavia Carbon熱工程師

在一些行業中，實現可持續發展目標可能面臨挑戰，例如備受矚目的碳減排舉措“Race to Zero”（零碳競賽），旨在到2030年將排放量減半，到2050年實現凈零排放。這促使人們對直接空氣捕獲（DAC）技術的興趣日益濃厚，該技術可直接從大氣中去除二氧化碳（CO?），并將其封存在地下或轉化為氣候中和碳產品。

Octavia Carbon成立于2022年，致力于通過DAC技術降低大氣中的CO?水平，以扭轉氣候變化。這家初創公司總部位于肯尼亞，是全球南部地區的第一家DAC公司，該公司充分利用了其地理位置優勢。通過利用肯尼亞豐富的可再生能源、地質條件和熟練的員工隊伍，該公司表示，其在降低DAC成本和加速DAC全球影響力方面具有獨特的優勢。

為尋求一款強大的基于真實物理場的仿真工具來支持工程設計流程，該團隊于2023年在Ansys初創公司計劃和Ansys優選渠道合作伙伴Qfinsoft (Pty) Ltd.的幫助下，采用了Ansys仿真解決方案。如今，Octavia Carbon運用Ansys仿真，通過結構、流體和熱分析為產品設計提供信息。同時，該公司利用虛擬測試和原型設計，相比采用傳統物理試驗方法，最大限度地減少了時間和成本，從而加速產品開發。

了解DAC的不同之處

簡而言之，DAC直接從大氣中捕獲CO?，而點源碳捕獲則針對CO?排放源（如發電廠和工業設施）進行捕獲。那么，哪種方法更好呢？Octavia Carbon熱工程師Hannah Wanjau表示，其實兩種方法都有助于減少碳排放，各自服務于不同的目的，并具有獨特的優勢。

她指出，點源捕獲可防止CO?在排放時進入大氣，但僅限于特定位置，而且無法應對已存在于大氣中的CO?。另一方面，DAC可去除空氣中現有的CO? ，并可在具有充足可再生能源的任何地方進行部署，因此具有更高的通用性。

她說：“因此，DAC將在應對“歷史排放”（數百年來累積的CO?排放），以及抵消航空和重工業等領域不可避免的污染物排放方面發揮至關重要的作用。”DAC專注于去除大氣中的CO?，與點源捕獲相輔相成，有助于實現凈零目標和凈負排放潛力，從而幫助扭轉氣候變化。”

為了增強Octavia Carbon的DAC技術，Wanjau和其他工程師向Ansys尋求強大的多物理場仿真解決方案。

Octavia Carbon流體工程師Victoria Barasa表示：“我們的技術涉及氣體流動，因此我們需要一款工具來幫助我們優化技術設計，以實現最低成本、最高性能和最高安全標準。

DAC的另一個優勢是，捕獲的CO?可以永久封存在深層地質構造中，防止其再釋放到大氣中。此外，捕獲的CO?還可以轉化為有價值的產品，例如合成燃料、建筑材料和塑料。

然而，其優勢還遠不止于此。Octavia Carbon工程師表示，DAC技術具有精確的量化產出和可擴展性，從而確保碳去除工作的透明度。與點源碳捕獲不同，DAC技術還可在占地面積更小的前提下實現擴展，因為它不受特定區域限制，并可部署于排放源以外的地點。

Barasa表示：“Ansys一直是我們在工程設計領域的優秀合作伙伴，使我們能夠開展詳細的結構、流體和工藝仿真，通過幫助我們減少物理原型的數量，加速產品開發，從而縮短產品開發周期、降低成本，并提高技術的安全性。

成功DAC的仿真

DAC是一個兩階段循環過程，包含捕獲和釋放階段。Octavia Carbon的DAC系統集工業設備和物理組件于一體，包括用于將空氣吸入系統的風扇等，用于從空氣中過濾CO?的吸附床，以及用于從吸附材料中釋放捕獲的CO?的加熱系統。Octavia Carbon的工程師表示，吸附劑作為一種固體CO?過濾材料，是該技術的核心，它被置于DAC單元中，可以最大限度地提高效率。此外，壓縮機可用于調節釋放的CO?，并為地質封存做好準備，而傳感器等控制設備則用于監控CO?濃度。

該團隊使用Ansys Fluent流體仿真軟件來驗證從Octavia Carbon專有換熱器到接觸材料的傳熱率。計算流體力學（CFD）分析還可用于在設計過程中預測和驗證DAC單元內的氣流和蒸汽的流動型態。Barasa認為，在制造和實施之前，CFD分析對于驗證初創公司的定制熱概念至關重要。

她說：“這使我們能夠準確設計并確定風扇、鼓風機和蒸汽輸送系統的尺寸。此外，它還可以根據CFD結果為蒸汽調節設備的實施提供決策支持。”

工程師還使用Ansys Rocky顆粒動力學仿真軟件進行離散單元法（DEM）-CFD耦合，以確定吸附劑接觸器材料在以不同速度與空氣相互作用時的行為。Barasa表示，這可以提供對所需空氣閾值速度的關鍵參數研究，以準確確定不同吸附材料的風扇和鼓風機尺寸。

除了流體仿真之外，該團隊還使用Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件，對壓力容器（例如DAC單元的外殼）進行熱和結構仿真。該團隊還將其用于載荷分析，以確保內部安裝的起重設備（如起重機）的完整性和耐久性。

Octavia Carbon對Ansys表達了感謝，通過Ansys初創公司計劃，仿真變得更易于實現。

Wanjau表示：“Ansys還使我們能夠探索更廣泛的設計，從而提升創新能力，這有助于我們推進DAC技術的發展。此外，以較低成本訪問Ansys學習中心（ALH）以及由AnsysGPT人工智能驅動的虛擬助手等資源，有助于我們積累團隊知識、開發和應用高級仿真技能以改進技術。”

Wanjau指出，Qfinsoft也是軟件成功集成的關鍵。她說：“Qfinsoft (Pty) Ltd.在Octavia Carbon引入和支持Ansys仿真集成方面發揮了重要作用。他們全面介紹了Ansys軟件用于對復雜多物理場問題進行分析的廣泛功能。此外，通過他們的支持，我們還接觸到仿真領域經驗豐富的工程師團隊，他們在幫助我們拓展知識和豐富技能方面發揮了不可估量的作用。”

最大限度地利用自然資源

該初創公司最大限度地利用肯尼亞的自然資源，并強調肯尼亞的電網中93%的能源為可再生能源，其中約48%的能源來自地熱資源。

Wanjau表示：“我們設計了DAC技術，使其能夠直接與地熱能集成。盡管DAC-地熱集成已經得到驗證，但我們正在通過優化系統來鞏固現有的成功經驗，以顯著降低DAC運營成本和地熱能利用成本。廉價、豐富且清潔的地熱能，將驅動我們DAC方法中最耗能的環節，例如解吸加熱、冷卻和真空環境生成。”

Wanjau預計，該集成將可滿足公司位于大裂谷的試點DAC和封存設施最多達80%的能源需求，該試點和設施被稱為“蜂鳥項目”（Project Hummingbird），是全球第二個DAC和地質封存設施。

該公司認為，肯尼亞的地質條件對DAC十分有利，大裂谷等地擁有豐富的玄武巖地層，非常適合封存捕獲的CO?。

該初創公司表示，肯尼亞運營的另一個優勢是擁有成本相對較低的制造基地。

Barasa說：“通過本地能力建設，我們培養出一支由62名專業人士組成的高技能團隊，其中包括40多名工程師，以滿足新興氣候技術行業的需求。這種方法不僅使我們能夠更快地掌握技能，而且還促進了該地區的社會經濟發展。”

除了項目現場外，該團隊還在內羅畢設有一個研發（R&D）和制造設施。

展望更清潔的未來

Octavia Carbon擁有長期可持續發展目標。該公司的目標是到2030年從大氣中去除超過100萬噸的CO?，并通過為可持續航空燃料（SAF）和綠色鋼鐵等行業賦能來推動可持續創新。

為了實現這些目標，該初創公司計劃擴展其DAC技術，同時利用Ansys仿真來降低成本。

Wanjau表示：“Ansys仿真將有助于降低我們的DAC技術成本，通過實現虛擬原型設計，減少對傳統物理原型的需求，并創建用于實時監控技術的數字孿生，幫助識別和解決代價高昂的故障，甚至預測機器的未來性能。”