Wetenschappers en onderzoekers over de hele wereld onderzoeken onvermoeibaar methoden om koolstofdioxide uit de atmosfeer of emissies van energiecentrales te winnen en om te zetten in een waardevolle grondstof. Ingenieurs van MIT en Harvard hebben CO2 bijvoorbeeld omgezet in een efficiënte brandstof die fossiele brandstoffen in diverse toepassingen kan vervangen . Eerdere omzettingsmethoden kampten met problemen zoals een lage koolstofefficiëntie en de productie van gevaarlijke brandstoffen. Het nieuwe proces zal naar verwachting efficiënter zijn op grotere schaal.
Onderzoekers van MIT en Harvard University hebben een belangrijke doorbraak bereikt door een efficiënt proces te ontwikkelen waarmee koolstofdioxide kan worden omgezet in formiaat. Deze opmerkelijke prestatie opent de deur naar het gebruik van formiaat als een veelzijdig materiaal in vloeibare of vaste vorm, dat net als methanol of waterstof kan worden gebruikt als brandstof voor brandstofcellen en voor de opwekking van elektriciteit.
Het nieuwe proces is ontwikkeld door het team van MIT-doctorandi Alexander H. Quinn , Zhen Zhang en Zhichu Ren, samen met Dawei Xi, een student van Harvard University, en MIT- professor Ju LI.
Natriumformiaat, ook wel bekend als kaliumformiaat, wordt al op industriële schaal geproduceerd. Het wordt het meest gebruikt als ontdooimiddel voor trottoirs en wegen. Het is niet-ontvlambaar en niet-giftig, en bovendien gemakkelijk op te slaan en te transporteren. Het blijft bovendien stabiel in gewone stalen tanks, waar het maandenlang gebruikt kan worden. Soms wordt het materiaal zelfs jaren na de productie nog gebruikt.
Over het proces
Het hele proces draait om het opvangen en elektrochemisch omzetten van het gas in een vast formiaatpoeder. Op kleine schaal in het laboratorium demonstreerde het team het proces waarbij dit poeder in een brandstofcel werd gebracht om elektriciteit op te wekken.
Volgens professor Li omvatten andere benaderingen om koolstofdioxide om te zetten in brandstof een proces in twee stappen. Deze zijn:
- Om het gas op te vangen en om te zetten in calciumcarbonaat, een vaste vorm. Daarna wordt het materiaal verhit en in dit proces wordt koolstofdioxide verwijderd. Hierna wordt het omgezet in een brandstofgrondstof zoals koolstofmonoxide.
- De tweede stap is niet erg efficiënt. Het zet doorgaans minder dan 20% van het gasvormige koolstofdioxide om in het gewenste product.
Koolstofafvang en -omzetting is een proces dat begint met het afvangen van kooldioxide met behulp van een alkalische oplossing. Deze oplossing concentreert de kooldioxide uit verschillende bronnen, zoals energiecentrales of zelfs de lucht, in een vloeibare metaalbicarbonaatvorm.
Door gebruik te maken van een elektrolyzer met een kationenuitwisselingsmembraan wordt bicarbonaat elektrochemisch omgezet in vaste formiaatkristallen. De koolstofefficiëntie van meer dan 96 procent is gevalideerd door middel van grondige laboratoriumexperimenten die door het team zijn uitgevoerd.
Volgens professor Li verlopen de kristallen niet en kunnen ze jarenlang zonder verlies worden opgeslagen. Daarentegen laten zelfs de beste waterstofopslagtanks die momenteel verkrijgbaar zijn, gas weglekken met een snelheid van ongeveer 1 procent per dag. Dit maakt ze ongeschikt voor langdurige opslag.
Zie ook : Alles over de voordelen van brandstofcellen
Hoge conversieratio
Daarentegen behaalt het nieuwe proces een omzettingspercentage van meer dan 90 procent , waarmee het de vorige methode overtreft. Bovendien elimineert het de noodzaak van de inefficiënte verwarmingsstap door koolstofdioxide om te zetten in een zeer efficiënte tussenvorm, namelijk vloeibaar metaalbicarbonaat.
De vloeistof wordt vervolgens omgezet in vloeibaar kalium- of natriumformiaat door middel van elektrochemische omzetting in een elektrolyzer die wordt aangedreven door koolstofarme elektriciteit, zoals kernenergie, windenergie of zonne-energie.
Verschillende vormen van formiaat
Volgens professor Li kan een sterk geconcentreerde oplossing van kalium- of natriumformiaat vervolgens worden gedroogd tot een vast poeder. Dit proces kan worden bereikt door middel van methoden zoals verdamping met behulp van zonne-energie . Het resulterende poeder is uitzonderlijk stabiel en kan veilig worden opgeslagen in standaard stalen tanks gedurende lange perioden, soms wel jaren of zelfs decennia.
Ingenieurs van MIT en Harvard hebben CO2 omgezet in efficiënte brandstof. Het succes van dit proces inspireerde de onderzoekers om het op te schalen, zodat er emissievrije warmte mee kan worden opgewekt en individuele huizen van energie kunnen worden voorzien. Bovendien kan het worden gebruikt voor grootschalige toepassingen in elektriciteitsnetten of in de industrie.
Volgens professor Li speelde de ontwikkeling van talrijke optimalisatietechnieken door het team een cruciale rol bij het transformeren van een ineffectief chemisch conversieproces in een levensvatbare oplossing. Prof. Li, die functies bekleedt in zowel de afdelingen Nuclear Science and Engineering als Materials Science and Engineering, benadrukt de significante impact die wordt bereikt door deze stappen van optimalisatie.
Vervolgens wordt het vaste poeder, indien nodig, met water vermengd en in een brandstofcel gebracht om zowel elektriciteit als warmte op te wekken. "Dit is bedoeld voor demonstraties in de gemeenschap of in huishoudens, maar we denken dat het in de toekomst ook nuttig kan zijn voor fabrieken of het elektriciteitsnet", aldus Zhang.
Hoewel methanol een giftige stof is die veiligheidsrisico's met zich meebrengt, blijkt formiaat een haalbaar en veiliger alternatief voor de omzetting van koolstofdioxide in een brandstof die geschikt is voor brandstofcellen. Nationale veiligheidsnormen erkennen formiaat als een veelgebruikte en onschadelijke optie , die een betrouwbare oplossing biedt zonder de gezondheid van personen in gevaar te brengen in geval van mogelijke lekkage.
Zie ook : Van afval naar brandstof: een reactor op zonne-energie zet CO2 en plastic om in duurzame brandstof
Stappen die leiden tot succes
De efficiëntie van dit proces is dankzij diverse verbeteringen aanzienlijk verbeterd.
- Ten eerste heeft een goed doordacht ontwerp van de membraanmaterialen en hun opstelling een probleem opgelost dat zich bij eerdere pogingen tot dit systeem voordeed.
- In die gevallen zou de ophoping van specifieke chemische bijproducten de pH-waarde veranderen, wat in de loop van de tijd tot een geleidelijke afname van de efficiëntie zou leiden.
Zhang zegt: "Traditioneel is het moeilijk om een stabiele, continue omzetting van grondstoffen op de lange termijn te realiseren. De sleutel tot ons systeem is het bereiken van een pH-balans voor een stabiele omzetting."
Om dit te bereiken , hebben de onderzoekers thermodynamische modellering toegepast om een nieuw proces te ontwikkelen dat het chemisch evenwicht en een stabiele pH-waarde handhaaft zonder schommelingen in de zuurgraad. Op deze manier kan het systeem gedurende langere tijd optimaal efficiënt functioneren.
Het systeem is meer dan 200 uur getest en de output is niet significant afgenomen. Het proces kan worden uitgevoerd bij omgevingstemperaturen en relatief lage drukken, ongeveer vijf keer de atmosferische druk.
Een bijkomend probleem was de productie van chemische bijproducten die niet bruikbaar waren vanwege ongewenste nevenreacties. Het team loste dit probleem echter op door een extra laag te introduceren, gemaakt van met bicarbonaat verrijkte glasvezelwol, die deze reacties voorkwam.
Daarnaast heeft het team een brandstofcel ontwikkeld die specifiek is ontworpen om deze formiaatbrandstof efficiënt te gebruiken voor de opwekking van elektriciteit. De opgeslagen formiaatdeeltjes lossen gemakkelijk op in water en worden vervolgens probleemloos in de brandstofcel geïnjecteerd wanneer dat nodig is.
Volgens Li is vaste brandstof weliswaar aanzienlijk zwaarder dan zuivere waterstof, maar als we rekening houden met het gewicht en de omvang van de hogedrukgastanks die nodig zijn om waterstof op te slaan, is het totale elektriciteitsrendement bij een gegeven opslagvolume vrijwel gelijk.
Verschillende mogelijke toepassingen van formiaat
Volgens de onderzoekers kan de formiaatbrandstof worden aangepast voor een breed scala aan toepassingen, van kleinschalige installaties voor thuisgebruik tot grootschalige industriële toepassingen of opslagsystemen voor het elektriciteitsnet. Op huishoudelijk niveau zou een elektrolyse-unit ter grootte van een koelkast kunnen worden gebruikt om koolstofdioxide af te vangen en om te zetten in formiaat, dat vervolgens kan worden opgeslagen in een ondergrondse of daktank.
Ingenieurs van MIT en Harvard hebben CO2 omgezet in een efficiënte brandstof. Ted Sargent , hoogleraar chemie en elektrotechniek aan de Northwestern University ( die niet bij dit onderzoek betrokken is), zei: "De formiaateconomie is een intrigerend concept, omdat metaalformiaatzouten zeer onschadelijk en stabiel zijn en een aantrekkelijke energiedrager vormen. De auteurs hebben een verbeterde efficiëntie aangetoond bij de vloeistof-naar-vloeistofconversie van bicarbonaatgrondstof naar formiaat, en hebben aangetoond dat deze brandstoffen later kunnen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken."
Bron : Ingenieurs ontwikkelen een efficiënt proces om brandstof te maken uit koolstofdioxide
