Naukowcy i badacze na całym świecie niestrudzenie poszukują metod wykorzystania dwutlenku węgla z atmosfery lub emisji elektrowni i przekształcenia go w cenny surowiec. W ramach tych wysiłków 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 emisja dwutlenku węgla i produkcja niebezpiecznych paliw. Oczekuje się, że nowy proces będzie bardziej wydajny na większą skalę.
Naukowcy z MIT i Uniwersytetu Harvarda dokonali znaczącego przełomu, opracowując wydajny proces przekształcania dwutlenku węgla w mrówczan. To niezwykłe osiągnięcie otwiera drogę do wykorzystania mrówczanu jako wszechstronnego materiału w postaci ciekłej lub stałej, który może być wykorzystywany, podobnie jak metanol czy wodór, do ogniw paliwowych i wytwarzania energii elektrycznej.
Nad nowym procesem pracowali studenci doktoranccy MIT: Alexander H. Quinn , Zhen Zhang i Zhichu Ren , a także Dawei Xi, student z Uniwersytetu Harvarda, oraz profesor MIT Ju LI.
Mrówczan sodu, popularnie znany jako potas, jest już produkowany na skalę przemysłową. Najczęściej jest stosowany jako środek odladzający chodniki i drogi. Jest niepalny i nietoksyczny, a ponadto można go łatwo przechowywać i transportować. Co więcej, zachowuje stabilność w zwykłych stalowych zbiornikach, dzięki czemu można go używać przez wiele miesięcy. Czasami materiał ten jest wykorzystywany nawet po latach od produkcji.
O procesie
Cały proces polega na wychwytywaniu i elektrochemicznej konwersji gazu do stałego proszku mrówczanu. Zespół zademonstrował w laboratorium proces, w którym proszek ten był przenoszony do ogniwa paliwowego w celu wytworzenia energii elektrycznej, na małą skalę.
Według profesora Li, inne metody przekształcania dwutlenku węgla w paliwo obejmują proces dwuetapowy. 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 rozpoczyna się od wychwytywania dwutlenku węgla za pomocą roztworu alkalicznego. Roztwór ten koncentruje dwutlenek węgla z różnych źródeł, takich jak elektrownie, a nawet powietrze, do postaci ciekłego wodorowęglanu metalu.
Dzięki zastosowaniu elektrolizera z membraną kationowymienną, wodorowęglan jest elektrochemicznie przekształcany w stałe kryształy mrówczanu. Wydajność węglowa na poziomie ponad 96% została potwierdzona rygorystycznymi eksperymentami laboratoryjnymi przeprowadzonymi przez zespół.
Według profesora Li, kryształy nie tracą ważności i mogą być przechowywane przez wiele lat bez żadnych strat. Z kolei nawet najlepsze dostępne obecnie zbiorniki wodoru pozwalają na ulatnianie się gazu z szybkością około 1% dziennie. Uniemożliwia to ich długoterminowe przechowywanie.
Zobacz także : Wszystko o zaletach ogniw paliwowych
Wysoki współczynnik konwersji
W przeciwieństwie do poprzednich metod , nowy proces osiąga współczynnik konwersji ponad 90% . Ponadto eliminuje on potrzebę nieefektywnego etapu ogrzewania, przekształcając dwutlenek węgla w wysoce wydajną formę pośrednią, znaną jako ciekły wodorowęglan metalu.
Następnie ciecz ta jest przekształcana w ciekły mrówczan potasu lub sodu poprzez elektrochemiczną konwersję 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 stężony, można następnie wysuszyć, aby uzyskać stały proszek. Proces ten można osiągnąć za pomocą metod takich jak odparowanie słoneczne . Uzyskany proszek jest wyjątkowo stabilny i można go bezpiecznie przechowywać w standardowych stalowych zbiornikach przez długi czas, nawet przez lata, a nawet dekady.
Inżynierowie z MIT i Harvardu przekształcili CO2 w wydajne paliwo, a sukces tego procesu zainspirował naukowców do jego skalowalności, aby mógł on wytwarzać bezemisyjne ciepło i zasilać indywidualne domy. Co więcej, może być wykorzystywany w skali sieci energetycznej 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 byłby mieszany z wodą i wprowadzany do ogniwa paliwowego w celu dostarczenia zarówno energii elektrycznej, jak i ciepła. „To rozwiązanie jest przeznaczone do demonstracji w społecznościach lub gospodarstwach domowych, ale wierzymy, że w przyszłości może być przydatne również dla fabryk lub sieci energetycznych” – 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 odpowiednie do ogniw paliwowych. Krajowe normy bezpieczeństwa uznają mrówczan za powszechnie stosowaną i nieszkodliwą opcję , zapewniającą niezawodne rozwiązanie bez narażania zdrowia ludzi 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 i ciągłą konwersję surowców. Kluczem do naszego systemu jest osiągnięcie równowagi pH dla konwersji w stanie stacjonarnym”.
Aby to osiągnąć , naukowcy przeprowadzili modelowanie termodynamiczne, aby opracować nowy proces, który utrzymuje równowagę chemiczną i stabilne pH bez wahań kwasowości. Dzięki temu system może działać z optymalną wydajnością przez dłuższy czas.
System testowano przez ponad 200 godzin , a wydajność nie spadła znacząco. Proces można przeprowadzać w temperaturze otoczenia 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.
Zespół opracował również ogniwo paliwowe zaprojektowane specjalnie z myślą o efektywnym wykorzystaniu mrówczanu do wytwarzania energii elektrycznej. Zmagazynowane cząstki mrówczanu łatwo rozpuszczają się w wodzie, a następnie bezproblemowo wtryskiwane są do ogniwa paliwowego w razie potrzeby.
Według Li, mimo że paliwo stałe jest znacznie cięższe od czystego wodoru, to biorąc pod uwagę wagę i rozmiar zbiorników gazu wysokociśnieniowego potrzebnych do przechowywania wodoru, całkowity wynik pokazuje, że ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez to paliwo jest niemal taka sama dla danej objętości magazynowanej.
Różne potencjalne zastosowania mrówczanu
Według naukowców, paliwo mrówczanowe ma potencjał , aby być dostosowane do szerokiego zakresu celów, od małych jednostek domowych, przez duże zastosowania przemysłowe, po systemy magazynowania w skali sieci. Na poziomie gospodarstwa domowego, elektrolizer wielkości lodówki mógłby być używany do wychwytywania i przekształcania dwutlenku węgla w mrówczan, który następnie mógłby być magazynowany w zbiorniku podziemnym lub dachowym.
Inżynierowie z MIT i Harvardu przekształcili CO2 w wydajne paliwo, a profesor chemii oraz inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Northwestern, 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 atrakcyjny nośnik energii. Autorzy wykazali zwiększoną wydajność konwersji z fazy ciekłej do ciekłej z wsadu wodorowęglanowego, a także udowodnili, że paliwa te mogą być później wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej”.
Źródło : Inżynierowie opracowują wydajny proces wytwarzania paliwa z dwutlenku węgla
