Директно преобразуване на СО2 в гориво разработват инженери

За да се намерят начини за извличане на въглероден диоксид от въздуха или от изгорелите газове на електроцентрали и след това да се превърне в нещо полезно, търсенето е в световен мащаб. Една от по-обещаващите идеи е да се превърне в стабилно гориво, което може да замени изкопаемите горива в някои приложения. Но повечето такива процеси на преобразуване са имали проблеми с ниска въглеродна ефективност или произвеждат горива, които могат да бъдат трудни за обработка, токсични или запалими.

Сега изследователи от Масачузетският технологичен институт (MIT) и Харвардския университет са разработили ефективен процес, който може да преобразува въглеродния диоксид във формиат - течен или твърд материал, който може да се използва като водород или метанол за захранване на горивна клетка и генериране на електричество. Калиевият или натриевият формиат, който вече се произвежда в промишлени мащаби и обикновено се използва като размразител за пътища и тротоари, е нетоксичен, незапалим, лесен за съхранение и транспортиране и може да остане стабилен в обикновени стоманени резервоари, които да се използват месеци или дори години , след производството му. Ето какво разказват от МИТ за разработката:

Новият процес, разработен от докторантите на MIT Джън Джан, Жичу Рен и Александър Х. Куин, докторантът на Харвардския университет Дауей Си и професор Джу Ли от Масачузетския технологичен институт, е описан тази в документ с отворен достъп в Cell Reports Physical Science. Целият процес, включително улавяне и електрохимично превръщане на газа в твърд формиат на прах, който след това се използва в горивна клетка за производство на електричество, беше демонстриран в малък лабораторен мащаб. Изследователите обаче очакват да бъде мащабируем, така че да може да осигурява топлина и енергия без емисии на отделни домове и дори да се използва в индустриални или мрежови приложения.

Други подходи за превръщане на въглероден диоксид в гориво, както обяснява проф. Ли, обикновено включват двуетапен процес: първо газът се улавя химически и се превръща в твърда форма като калциев карбонат, след това по-късно този материал се нагрява, за да изгони въглеродния диоксид и да го преобразува към суровина за гориво като въглероден окис. Тази втора стъпка има много ниска ефективност, като обикновено превръща по-малко от 20 % от газообразния въглероден диоксид в желания продукт, казва Ли.

За разлика от това, новият процес постига преобразуване от над 90 % и елиминира необходимостта от неефективната стъпка на нагряване, като първо преобразува въглеродния диоксид в междинна форма, течен метален бикарбонат. Тази течност след това се преобразува електрохимично в течен калиев или натриев формиат - в електролизатор, който използва нисковъглеродно електричество, например ядрена, вятърна или слънчева енергия. Полученият силно концентриран течен разтвор на калиев или натриев формиат може след това да бъде изсушен, например чрез слънчево изпаряване, за да се получи твърд прах, който е много стабилен и може да се съхранява в обикновени стоманени резервоари с години или дори десетилетия, казва Ли.

Няколко стъпки на оптимизация, разработени от екипа, направиха всичко различно в промяната на неефективен процес на химическо преобразуване в практично решение, казва Ли, който има съвместни назначения в отделите по ядрени науки и инженерство и по наука за материалите и инженерство.

Процесът на улавяне и преобразуване на въглерод включва първо улавяне на базата на алкален разтвор, който концентрира въглеродния диоксид, или от концентрирани потоци, като например емисии от електроцентрали, или от източници с много ниска концентрация, дори на открито, под формата на течен метал- разтвор на бикарбонат. След това, чрез използването на електролизатор с катионно-обменна мембрана, този бикарбонат се превръща електрохимично в твърди формиатни кристали с въглеродна ефективност над 96 %, което е потвърдено в лабораторните експерименти на екипа.

Тези кристали имат неограничен срок на годност, като остават толкова стабилни, че могат да се съхраняват с години или дори десетилетия, с малка или без никаква загуба. За сравнение, дори най-добрите налични практични резервоари за съхранение на водород позволяват газът да изтича със скорост от около 1 % на ден, изключвайки всякакви употреби, които биха изисквали съхранение през цялата година, казва Ли. Метанолът, друга широко проучена алтернатива за превръщане на въглеродния диоксид в гориво, използваемо в горивни клетки, е токсично вещество, което не може лесно да се адаптира за използване в ситуации, при които изтичането може да представлява опасност за здравето. Форматът, от друга страна, се използва широко и се счита за доброкачествен, според националните стандарти за безопасност.

Няколко подобрения обясняват значително по-голямат ефективност на този процес. Първо, внимателният дизайн на мембранните материали и тяхната конфигурация преодолява проблем, с който са се сблъскали предишни опити за такава система, при който натрупването на определени химически странични продукти променя pH, което кара системата постоянно да губи ефективност с течение на времето. „Традиционно е трудно да се постигне дългосрочно, стабилно, непрекъснато преобразуване на суровините“, казва Джан. „Ключът към нашата система е да постигнем pH баланс за преобразуване в стационарно състояние.“

За да постигнат това, изследователите извършиха термодинамично моделиране, за да проектират новия процес, така че да е химически балансиран и pH да остане в стабилно състояние без промяна в киселинността с течение на времето. Следователно той може да продължи да работи ефективно за дълги периоди от време. При техните тестове системата е работила над 200 часа без значително намаляване на изхода. Целият процес може да се извърши при температура на околната среда и относително ниско налягане (около пет пъти атмосферното налягане).

Друг проблем е, че нежеланите странични реакции произвеждат други химически продукти, които не са полезни, но екипът измисли начин да предотврати тези странични реакции чрез въвеждането на допълнителен „буферен“ слой от обогатена с бикарбонат фибростъкло вълна, която блокира тези реакции.

Екипът също изгради горивна клетка, специално оптимизирана за използването на това формиатно гориво за производство на електричество. Съхранените формиатни частици просто се разтварят във вода и се изпомпват в горивната клетка, ако е необходимо. Въпреки че твърдото гориво е много по-тежко от чистия водород, когато се вземат предвид теглото и обемът на резервоарите за газ под високо налягане, необходими за съхраняване на водород, крайният резултат е производство на електроенергия, близко до паритета за даден обем за съхранение, казва Ли.

Формиатното гориво потенциално може да бъде адаптирано за всичко - от домашни единици до широкомащабни промишлени приложения или системи за съхранение в мрежов мащаб, казват изследователите. Първоначалните домакински приложения може да включват електролизиращ модул с размерите на хладилник за улавяне и преобразуване на въглеродния диоксид във формиат, който може да се съхранява в подземен резервоар или резервоар на покрива. След това, когато е необходимо, прахообразното твърдо вещество се смесва с вода и се подава в горивна клетка, за да се осигури енергия и топлина. „Това е за демонстрации в общността или домакинството“, казва Джан, „но ние вярваме, че и в бъдеще може да е добре за фабриките или мрежата.“

„Икономиката на формиата е интригуваща концепция, тъй като солите на формиата на метала са много доброкачествени и стабилни и завладяващ енергиен носител“, казва Тед Сарджънт, професор по химия и по електротехника и компютърно инженерство в Северозападния университет, който не е бил свързан с тази разработка. „Авторите са демонстрирали повишена ефективност при превръщането на течност в течност от бикарбонатна суровина към формиат и са показали, че тези горива могат да се използват по-късно за производство на електричество“, казва той.

Разработката е подкрепена от Службата за наука на Министерството на енергетиката на САЩ, съобщават още от MIT.

Оригиналната статия е достъпна ТУК.

За повече информация - запознайте се с публикацията на научния екип,  която е с отворен достъп в Cell Reports Physical Science.