Naukowcy i badacze na całym świecie nieustannie badają metody wykorzystania dwutlenku węgla z atmosfery lub emisji elektrowni i przekształcania go w cenne zasoby. Wśród tych przedsięwzięć, Inżynierowie z MIT i Harvardu przekształcili CO2 w wydajne paliwo, które może zastąpić paliwa kopalne w różnych zastosowaniach. Wcześniejsze metody konwersji napotykały na wyzwania, takie jak niska wydajność węglowa i produkcja niebezpiecznych paliw. Oczekuje się, że nowy proces będzie bardziej wydajny na większą skalę.
Naukowcy z MIT i Uniwersytetu Harvarda dokonali znaczącego przełomu, tworząc wydajny proces zdolny do przekształcania dwutlenku węgla w mrówczan. To niezwykłe osiągnięcie otwiera drzwi do wykorzystania mrówczanu jako wszechstronnego materiału w postaci ciekłej lub stałej, który może być używany jak metanol lub wodór do ogniw paliwowych i generowania energii elektrycznej.
Nowy proces został opracowany przez zespół doktorantów MIT, Aleksander H. Quinn, zhen zhang, Zhichu Ren oraz Dawei Xi student z Uniwersytetu Harvarda i MIT Profesor Ju LI.
Mrówczan sodu lub popularnie znany jako potas jest już produkowany na skalę przemysłową. Są one najczęściej stosowany jako odmrażacz na chodniki i drogi. Jest niepalny i nietoksyczny, a ponadto można go łatwo przechowywać i transportować. Ponadto ma zdolność do pozostawania stabilnym w zwykłych stalowych zbiornikach, z których można go używać przez miesiące. Czasami materiał jest używany nawet po latach od jego wyprodukowania.
O procesie
cały proces dotyczy wychwytywanie i elektrochemiczna konwersja gazu do stałego proszku mrówczanu. Na małą skalę w laboratorium zespół zademonstrował proces, w którym proszek ten był przenoszony do ogniwa paliwowego w celu wytworzenia energii elektrycznej.
Według profesora Li, inne podejścia aby przekształcić dwutlenek węgla w paliwo, należy przeprowadzić dwuetapowy proces. Są to:
- Aby wychwycić i przekształcić gaz w węglan wapnia, formę stałą. Następnie materiał jest podgrzewany, a w tym procesie dwutlenek węgla jest usuwany. Następnie jest przekształcany w surowiec paliwowy, taki jak tlenek węgla.
- Drugi etap nie jest zbyt wydajny. Zwykle przekształca mniej niż 20% gazowego dwutlenku węgla w pożądany produkt.
Wychwytywanie i konwersja dwutlenku węgla to proces, który zaczyna się od wychwytywanie dwutlenku węgla za pomocą roztworu alkalicznego. Ten roztwór koncentruje dwutlenek węgla z różnych źródeł, takich jak elektrownie lub nawet powietrze, w postaci ciekłego wodorowęglanu metalu.
Dzięki wykorzystaniu elektrolizera membranowego z wymianą kationów wodorowęglan jest elektrochemicznie przekształcany w stałe kryształy mrówczanu. efektywność węglowa ponad 96 procent została potwierdzona rygorystycznymi eksperymentami laboratoryjnymi przeprowadzonymi przez zespół.
Według profesora Li, kryształy nie tracą ważności i może być przechowywany przez wiele lat bez żadnych strat. W przeciwieństwie do tego, nawet najlepsze obecnie dostępne zbiorniki do magazynowania wodoru pozwalają na wyciek gazu z szybkością około 1 procenta dziennie. Uniemożliwia to ich używanie do celów długoterminowego przechowywania.
Zobacz także: Wszystko o zaletach ogniw paliwowych
Wysoki współczynnik konwersji
W przeciwieństwie do tego nowy proces osiąga współczynnik konwersji ponad 90 procent, przewyższając poprzednią metodę. Dodatkowo, eliminuje potrzebę do nieefektywnego etapu ogrzewania poprzez przekształcenie dwutlenku węgla w wysoce efektywną formę pośrednią znaną jako ciekły wodorowęglan metalu.
Następnie ciecz jest przekształcony w płynny mrówczan potasu lub sodu poprzez konwersję elektrochemiczną w elektrolizerze zasilanym energią elektryczną o niskiej zawartości węgla, np. energią jądrową, wiatrową lub słoneczną.
Różne formy mrówczanu
Według prof. Li roztwór mrówczanu potasu lub sodu, który jest silnie skoncentrowany, można następnie wysuszono, aby uzyskać stały proszek. Proces ten można osiągnąć poprzez metody takie jak parowanie słonecznePowstały proszek jest wyjątkowo stabilny i można go bezpiecznie przechowywać w standardowych stalowych zbiornikach przez dłuższy czas, nawet przez lata lub dekady.
Inżynierowie z MIT i Harvardu przekształcili CO2 w wydajne paliwo, a sukces tego procesu zainspirował naukowców do uczynienia go skalowalnym, aby można było wytwarzać ciepło bez emisji oprócz zasilania pojedynczych domów. Ponadto może być używany do operacji w skali sieci lub w przemyśle.
Według profesora Li, opracowanie przez zespół licznych technik optymalizacji odegrało kluczową rolę w przekształceniu nieefektywnego procesu konwersji chemicznej w wykonalne rozwiązanie. Profesor Li, który zajmuje stanowiska w obu wydziałach: Nuclear Science and Engineering oraz Materials Science and Engineering, podkreśla znaczący wpływ osiągnięty dzięki tym etapom optymalizacji.
Następnie, w razie potrzeby, stały proszek będzie mieszany z wodą i wprowadzany do ogniwa paliwowego w celu dostarczenia zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła. „To demonstracje społeczne lub domowe, ale wierzymy, że w przyszłości może się to przydać również fabrykom lub sieciom” Powiedział Zhang.
Chociaż metanol jest substancją toksyczną, która stwarza wyzwania pod względem bezpieczeństwa, mrówczan jawi się jako realna i bezpieczniejsza alternatywa dla przekształcania dwutlenku węgla w paliwo nadające się do ogniw paliwowych. Krajowe normy bezpieczeństwa uznają formatyt za opcja powszechnie stosowana i nieszkodliwa, zapewniając niezawodne rozwiązanie, które nie naraża na szwank bezpieczeństwa osób w przypadku potencjalnego wycieku.
Zobacz także: Od odpadów do paliwa: reaktor zasilany energią słoneczną przekształca CO2 i plastik w zrównoważone paliwo
Kroki prowadzące do sukcesu
Efektywność tego procesu znacznie wzrosła dzięki licznym udoskonaleniom.
- Po pierwsze, przemyślana konstrukcja materiałów membranowych i ich rozmieszczenie pozwoliły rozwiązać problem, z którym borykały się poprzednie próby tego systemu.
- W takich przypadkach nagromadzenie się określonych chemicznych produktów ubocznych powodowałoby zmianę pH, czego skutkiem byłby stopniowy spadek wydajności w miarę upływu czasu.
Zhang mówi, „Tradycyjnie trudno jest osiągnąć długoterminową, stabilną, ciągłą konwersję surowców. Kluczem do naszego systemu jest osiągnięcie równowagi pH dla konwersji w stanie ustalonym”.
W celu aby to osiągnąć, badacze przeprowadzili modelowanie termodynamiczne w celu opracowania nowego procesu, który utrzymuje równowagę chemiczną i stabilne pH bez żadnych wahań kwasowości. Dzięki temu system może działać z optymalną wydajnością przez dłuższy czas.
System był testowano przez ponad 200 godzin a wydajność nie zmniejszyła się znacząco. Proces można przeprowadzić w temperaturze pokojowej i stosunkowo niskim ciśnieniu, około pięciokrotnie wyższym od ciśnienia atmosferycznego.
Dodatkowym problemem była produkcja chemicznych produktów ubocznych, które nie były użyteczne z powodu niepożądanych reakcji ubocznych. Jednak zespół rozwiązał ten problem, wprowadzając dodatkową warstwę z wełny szklanej wzbogaconej wodorowęglanem, co zapobiegło tym reakcjom.
Ponadto zespół ma opracował ogniwo paliwowe który jest specjalnie zaprojektowany, aby efektywnie wykorzystywać paliwo mrówczanowe do wytwarzania energii elektrycznej. Cząsteczki mrówczanu, które są przechowywane, łatwo rozpuszczają się w wodzie, a następnie bezproblemowo wtryskiwane do ogniwa paliwowego, gdy tylko jest to wymagane.
Według Li, mimo że paliwo stałe jest znacznie cięższe od czystego wodoru, biorąc pod uwagę wagę i rozmiar zbiorników gazu wysokociśnieniowego niezbędnych do przechowywania wodoru, całkowity wynik to energia elektryczna, która jest prawie równe dla danej objętości pamięci masowej.
Różne potencjalne zastosowania mrówczanu
Według badaczy paliwo mrówczanowe ma możliwość dostosowania do szerokiego zakresu celów, od małych jednostek domowych do dużych zastosowań przemysłowych lub systemów magazynowania w skali sieciowej. Na poziomie gospodarstwa domowego, jednostka elektrolizera wielkości lodówki mogłaby być używana do wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w mrówczan, który następnie mógłby być przechowywany w zbiorniku podziemnym lub na dachu.
Inżynierowie z MIT i Harvardu przekształcili CO2 w wydajne paliwo, a profesor chemii oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej na Northwestern University, Ted Sargent, który nie bierze udziału w tym badaniu, powiedział: „Gospodarka mrówczanowa to intrygująca koncepcja, ponieważ sole mrówczanowe metali są bardzo łagodne i stabilne, a także stanowią przekonujący nośnik energii. Autorzy wykazali zwiększoną wydajność konwersji ciecz-ciecz z surowca wodorowęglanowego na mrówczan i wykazali, że paliwa te można później wykorzystać do produkcji energii elektrycznej”.
Źródło : Inżynierowie opracowują wydajny proces wytwarzania paliwa z dwutlenku węgla
