Tiedemiehet ja tutkijat ympäri maailmaa etsivät väsymättä menetelmiä hiilidioksidin valjastamiseksi ilmakehästä tai voimalaitosten päästöistä ja sen muuttamiseksi arvokkaaksi resurssiksi. Näiden hankkeiden joukossa MIT:n ja Harvardin insinöörit muunsivat hiilidioksidin tehokkaaksi polttoaineeksi, joka pystyy korvaamaan fossiilisia polttoaineita useissa sovelluksissa. Aiemmat muuntomenetelmät kohtasivat haasteita, kuten alhaisen hiilitehokkuuden ja vaarallisten polttoaineiden tuotannon. Uuden prosessin odotetaan olevan tehokkaampi laajemmassa mittakaavassa.
MIT:n ja Harvardin yliopiston tutkijat ovat tehneet merkittävän läpimurron luomalla tehokkaan prosessin , joka kykenee muuttamaan hiilidioksidia formiaatiksi. Tämä merkittävä saavutus avaa oven formiaatin hyödyntämiselle monipuolisena materiaalina nestemäisessä tai kiinteässä muodossa, jota voidaan käyttää metanolin tai vedyn tavoin polttoainekennoissa ja sähkön tuotannossa.
Uuden prosessin ovat kehittäneet MIT:n tohtoriopiskelijoiden Alexander H. Quinnin , Zhen Zhangin ja Zhichu Renin yhdessä Harvardin yliopiston opiskelijan Dawei Xin ja MIT:n professori Ju LI:n kanssa.
Natriumformiaattia eli kaliumia tuotetaan jo teollisessa mittakaavassa. Sitä käytetään yleisimmin liukkaudentorjunta -aineena jalkakäytäville ja teille. Se on palamatonta ja myrkytöntä, ja sitä on helppo varastoida ja kuljettaa. Lisäksi se säilyy stabiilina tavallisissa terässäiliöissä, joista sitä voidaan käyttää kuukausia. Joskus materiaalia käytetään jopa vuosia tuotannon jälkeen.
Tietoja prosessista
Koko prosessissa on kyse kaasun talteenotosta ja sähkökemiallisesta muuntamisesta kiinteäksi formiaattijauheeksi. Pienessä mittakaavassa laboratoriossa tiimi esitteli prosessin, jossa tämä jauhe siirrettiin polttokennoon sähkön tuottamiseksi.
Professori Lin mukaan muut lähestymistavat hiilidioksidin muuttamiseksi polttoaineeksi sisältävät kaksivaiheisen prosessin. Ne ovat:
- Kaappaamaan ja muuttamaan kaasun kalsiumkarbonaatiksi, kiinteään muotoon. Sitten myöhemmin materiaalia kuumennetaan ja tässä prosessissa hiilidioksidi poistetaan. Tämän jälkeen se muunnetaan polttoaineen raaka-aineeksi, kuten hiilimonoksidiksi.
- Toinen vaihe ei ole kovin tehokas. Se muuttaa tavallisesti alle 20 % kaasumaisesta hiilidioksidista halutuksi tuotteeksi.
Hiilidioksidin talteenotto ja muuntaminen on prosessi, joka alkaa hiilidioksidin talteenotolla emäksisessä liuoksessa. Tämä liuos väkevöi eri lähteistä, kuten voimalaitoksista tai jopa ilmasta, peräisin olevan hiilidioksidin nestemäiseen metallibikarbonaattimuotoon.
Kationinvaihtokalvoelektrolyyserin avulla bikarbonaatti muuttuu sähkökemiallisesti kiinteiksi formiaattikiteiksi. Yli 96 prosentin hiilitehokkuus on validoitu tiimin suorittamilla tiukoilla laboratoriokokeilla.
Professori Lin mukaan kiteet eivät vanhene ja niitä voidaan varastoida useita vuosia ilman hävikkiä. Sitä vastoin jopa parhaat tällä hetkellä saatavilla olevat vedyn varastosäiliöt päästävät kaasua vuotamaan noin prosentin päivässä. Tämä tekee mahdottomaksi käyttää niitä pitkäaikaiseen varastointiin.
Katso myös : Kaikki polttokennojen eduista
Korkea muuntoprosentti
Uusi prosessi sitä vastoin saavuttaa yli 90 prosentin konversioasteen , joka ylittää aiemman menetelmän. Lisäksi se poistaa tehottoman lämmitysvaiheen tarpeen muuttamalla hiilidioksidin erittäin tehokkaaksi välimuodoksi, joka tunnetaan nestemäisenä metallibikarbonaattina.
Neste muutetaan sitten nestemäiseksi kalium- tai natriumformiaatiksi sähkökemiallisen konversion avulla elektrolyyserissä, jota käyttää vähähiilinen sähkö, kuten ydin-, tuuli- tai aurinkoenergia.
Formaattien eri muodot
Professori Lin mukaan erittäin väkevöityä kalium- tai natriumformiaattiliuosta voidaan myöhemmin kuivata kiinteäksi jauheeksi. Tämä prosessi voidaan saavuttaa esimerkiksi aurinkohaihdutuksella . Tuloksena oleva jauhe on poikkeuksellisen stabiilia ja sitä voidaan varastoida turvallisesti tavallisissa terässäiliöissä pitkiä aikoja, vuosia tai jopa vuosikymmeniä.
MIT:n ja Harvardin insinöörit muuttivat hiilidioksidin tehokkaaksi polttoaineeksi, ja tämän prosessin onnistuminen inspiroi tutkijoita tekemään siitä skaalautuvan, jotta se voi tuottaa päästötöntä lämpöä sekä sähköä yksittäisille kodeille. Lisäksi sitä voidaan käyttää sähköverkkojen mittakaavassa tai teollisuudessa.
Professori Li:n mukaan ryhmän lukuisten optimointitekniikoiden kehittämisellä oli keskeinen rooli tehottoman kemiallisen muunnosprosessin muuttamisessa elinkelpoiseksi ratkaisuksi. Professori Li, joka toimii sekä ydintieteen ja tekniikan että materiaalitieteen ja tekniikan osastoilla, korostaa näillä optimointivaiheilla saavutettua merkittävää vaikutusta.
Myöhemmin, tarvittaessa, kiinteä jauhe sekoitettaisiin veteen ja syötettäisiin polttokennoon sekä sähkön että lämmön tuottamiseksi. "Tämä on tarkoitettu yhteisö- tai kotitalousdemonstraatioihin, mutta uskomme, että se voi olla hyväksi myös tehtaille tai sähköverkkoon tulevaisuudessa", Zhang sanoi.
Vaikka metanoli on myrkyllinen aine, joka aiheuttaa haasteita turvallisuuden kannalta, formiaatti nousee esiin käyttökelpoisena ja turvallisempana vaihtoehtona hiilidioksidin muuntamiseksi polttokennoille soveltuvaksi polttoaineeksi. Kansalliset turvallisuusstandardit tunnustavat formiaatin laajalti käytetyksi ja vaarattomaksi vaihtoehdoksi , joka tarjoaa luotettavan ratkaisun vaarantamatta yksilöiden hyvinvointia mahdollisten vuotojen sattuessa.
Menestykseen johtavat askeleet
Tämän prosessin tehokkuus on parantunut huomattavasti useiden parannusten ansiosta.
- Ensinnäkin kalvomateriaalien hyvin harkittu suunnittelu ja niiden järjestely on ratkaissut ongelman, joka on ollut aiemmissa tämän järjestelmän kokeiluissa.
- Näissä tapauksissa tiettyjen kemiallisten sivutuotteiden kerääntyminen muuttaisi pH:ta, mikä johtaisi tehokkuuden asteittaiseen heikkenemiseen ajan myötä.
Zhang sanoo: ”Perinteisesti on vaikea saavuttaa syöttöaineiden pitkäaikaista, vakaata ja jatkuvaa konversiota. Järjestelmämme avain on pH-tasapainon saavuttaminen vakaan tilan konversiota varten.”
Tämän saavuttamiseksi tutkijat suorittivat termodynaamista mallinnusta kehittääkseen uuden prosessin, joka ylläpitää kemiallista tasapainoa ja vakaata pH:ta ilman happamuuden vaihteluita. Näin järjestelmä voi toimia optimaalisella tehokkuudella pitkiä aikoja.
Järjestelmää testattiin yli 200 tuntia , eikä teho laskenut merkittävästi. Prosessi voidaan suorittaa ympäristön lämpötilassa ja suhteellisen alhaisessa paineessa, noin viisi kertaa ilmakehän paineessa.
Lisäongelmana oli kemiallisten sivutuotteiden tuotanto, jotka eivät olleet hyödyllisiä ei-toivottujen sivureaktioiden vuoksi. Ryhmä kuitenkin ratkaisi tämän ongelman ottamalla käyttöön ylimääräisen kerroksen, joka oli valmistettu bikarbonaatilla rikastetusta lasikuituvillasta, joka esti nämä reaktiot.
Lisäksi tiimi on kehittänyt polttokennon , joka on erityisesti suunniteltu hyödyntämään tätä formiaattipolttoainetta tehokkaasti sähköntuotantoon. Varastoidut formiaattihiukkaset liukenevat helposti veteen ja ruiskutetaan sitten saumattomasti polttokennoon aina tarvittaessa.
Lin mukaan, vaikka kiinteä polttoaine on huomattavasti painavampaa kuin puhdas vety, kun otamme huomioon vedyn varastointiin tarvittavien korkeapainekaasusäiliöiden painon ja koon, kokonaistuloksena on sähköntuotanto, joka on lähes yhtä suuri tietyllä varastotilavuudella.
Formaatin erilaisia mahdollisia sovelluksia
Tutkijoiden mukaan formiaattipolttoaineella on potentiaalia räätälöidä monenlaisiin käyttötarkoituksiin pienimuotoisista kotitalousyksiköistä suuriin teollisuussovelluksiin tai verkkoihin kytkettäviin varastointijärjestelmiin. Kotitaloustasolla jääkaapin kokoista elektrolyysiyksikköä voitaisiin käyttää hiilidioksidin talteenottoon ja muuntamiseen formiaatiksi, jota voidaan sitten varastoida maanalaiseen tai katolle sijoitettuun säiliöön.
MIT:n ja Harvardin insinöörit muuttivat hiilidioksidin tehokkaaksi polttoaineeksi, ja Northwestern Universityn kemian sekä sähkö- ja tietokonetekniikan professori Ted Sargent , joka ei ole osa tätä tutkimusta, sanoi: "Formiaattitalous on kiehtova konsepti, koska metalliformiaattisuolat ovat erittäin vaarattomia ja stabiileja, ja ne ovat houkutteleva energiankantaja. Kirjoittajat ovat osoittaneet parantuneen tehokkuuden nesteestä nesteeksi muuntamisessa bikarbonaattiraaka-aineesta formiaatiksi ja ovat osoittaneet, että näitä polttoaineita voidaan myöhemmin käyttää sähkön tuotantoon."
Lähde : Insinöörit kehittävät tehokkaan prosessin polttoaineen valmistamiseksi hiilidioksidista
