Forskare över hela världen utforskar outtröttligt metoder för att utnyttja koldioxid från atmosfären eller utsläpp från kraftverk och omvandla den till en värdefull resurs. Bland dessa strävanden har ingenjörer vid MIT och Harvard omvandlat CO2 till effektivt bränsle som kan ersätta fossila bränslen i olika tillämpningar. Tidigare omvandlingsmetoder har mött utmaningar som låg koldioxideffektivitet och produktion av farliga bränslen. Den nya processen förväntas bli effektivare i större skala.
Forskare från MIT och Harvard University har gjort ett betydande genombrott genom att skapa en effektiv process som kan omvandla koldioxid till formiat. Denna anmärkningsvärda prestation öppnar dörren för att använda formiat som ett mångsidigt material i flytande eller fast form som kan användas som metanol eller väte för att bränsleceller och generera elektricitet.
Den nya processen har utvecklats av teamet av MIT-doktorander, Alexander H. Quinn , Zhen Zhang och Zhichu Ren tillsammans med Dawei Xi, student från Harvard University, och MIT -professor Ju LI.
Natriumformiat eller kalium, allmänt känt som, produceras redan i industriell skala. Det används oftast som avisningsmedel för trottoarer och vägar. Det är icke-brandfarligt och giftfritt, plus att det enkelt kan lagras och transporteras. Dessutom har det förmågan att förbli stabilt i vanliga ståltankar varifrån det kan användas i månader. Ibland används materialet även flera år efter produktionen.
Om processen
Hela processen handlar om att fånga upp och elektrokemiskt omvandla gasen till ett fast formiatpulver. I liten skala i laboratoriet demonstrerade teamet processen där detta pulver överfördes till en bränslecell för att generera elektricitet.
Enligt professor Li involverar andra metoder för att omvandla koldioxid till bränsle en tvåstegsprocess. De är:
- För att fånga upp och omvandla gasen till kalciumkarbonat, en fast form. Senare värms materialet upp och i denna process avlägsnas koldioxid. Efter detta omvandlas det till ett bränsleråvara som kolmonoxid.
- Det andra steget är inte särskilt effektivt. Det omvandlar vanligtvis mindre än 20 % av den gasformiga koldioxiden till den önskade produkten.
Koldioxidinfångning och omvandling är en process som börjar med att man fångar upp koldioxid med hjälp av en alkalisk lösning. Denna lösning koncentrerar koldioxiden från olika källor, som kraftverk eller till och med luften, till flytande metallbikarbonatform.
Genom användning av en katjonbytarmembranelektrolysör omvandlas bikarbonat elektrokemiskt till fasta formiatkristaller. Koleffektiviteten på över 96 procent har validerats genom rigorösa laboratorieexperiment som utförts av teamet.
Enligt professor Li går kristallerna inte ut och kan lagras i många år utan förlust. Däremot släpper även de bästa vätgastankarna som finns tillgängliga för närvarande gasen ut med en hastighet av cirka 1 procent per dag. Detta gör det omöjligt att använda dem för långtidslagring.
Se även : Allt om fördelarna med bränsleceller
Hög omvandlingsfrekvens
Däremot uppnår den nya processen en omvandlingsgrad på över 90 procent , vilket överträffar den tidigare metoden. Dessutom eliminerar den behovet av det ineffektiva uppvärmningssteget genom att omvandla koldioxid till en mycket effektiv mellanform som kallas flytande metallbikarbonat.
Vätskan omvandlas därefter till flytande kalium- eller natriumformiat genom elektrokemisk omvandling i en elektrolysör som drivs av koldioxidsnål elektricitet, såsom kärnkraft, vindkraft eller solkraft.
Olika former av format
Enligt professor Li kan lösningen av kalium- eller natriumformiat, som är högkoncentrerad, därefter torkas för att skapa ett fast pulver. Denna process kan uppnås genom metoder som solindunstning . Det resulterande pulvret är exceptionellt stabilt och kan säkert lagras i vanliga ståltankar under längre perioder, i åratal eller till och med årtionden.
Ingenjörer vid MIT och Harvard omvandlade koldioxid till effektivt bränsle och processens framgång inspirerade forskarna att göra den skalbar så att den kan producera utsläppsfri värme samtidigt som den drivs av enskilda hem. Dessutom kan den användas för drift i elnätet eller inom industrier.
Enligt professor Li spelade teamets utveckling av många optimeringstekniker en avgörande roll för att omvandla en ineffektiv kemisk omvandlingsprocess till en hållbar lösning. Prof. Li, som innehar positioner inom både avdelningarna för kärnkraftsvetenskap och teknik och materialvetenskap och teknik, betonar den betydande inverkan som uppnås genom dessa optimeringssteg.
Därefter, vid behov, blandas det fasta pulvret med vatten och förs in i en bränslecell för att leverera både kraft och värme. ”Detta är för demonstrationer i samhället eller hushållet, men vi tror att det även i framtiden kan vara bra för fabriker eller elnätet”, sa Zhang.
Även om metanol är ett giftigt ämne som medför säkerhetsutmaningar, framstår formiat som ett gångbart och säkrare alternativ för att omvandla koldioxid till ett bränsle som är lämpligt för bränsleceller. Nationella säkerhetsstandarder erkänner formiat som ett allmänt använt och ofarligt alternativ , vilket ger en pålitlig lösning utan att äventyra individers välbefinnande vid potentiella läckage.
Se även : Från avfall till bränsle: Soldriven reaktor omvandlar koldioxid och plast till hållbart bränsle
Steg som leder till framgång
Effektiviteten av denna process har förbättrats avsevärt på grund av flera förbättringar.
- För det första har en genomtänkt utformning av membranmaterialen och deras arrangemang löst ett problem som tidigare försök med detta system ställts inför.
- I dessa fall skulle ackumuleringen av specifika kemiska biprodukter förändra pH, vilket resulterar i en gradvis minskning av effektiviteten över tiden.
Zhang säger: ”Traditionellt sett är det svårt att uppnå långsiktig, stabil och kontinuerlig omvandling av råvaror. Nyckeln till vårt system är att uppnå en pH-balans för steady-state-omvandling.”
För att åstadkomma detta utförde forskarna termodynamisk modellering för att utforma en ny process som upprätthåller kemisk jämvikt och ett stabilt pH-värde utan några fluktuationer i surhetsgraden. Genom att göra det kan systemet fungera med optimal effektivitet under längre perioder.
Systemet testades i över 200 timmar och effekten minskade inte signifikant. Processen kan utföras vid omgivningstemperaturer och relativt lågt tryck, ungefär fem gånger atmosfärstrycket.
Ett ytterligare problem var produktionen av kemiska biprodukter som inte var användbara på grund av oönskade bireaktioner. Teamet löste dock detta problem genom att införa ett extra lager, tillverkat av bikarbonatberikad glasfiberull, som förhindrade dessa reaktioner.
Dessutom har teamet utvecklat en bränslecell som är specifikt utformad för att effektivt utnyttja detta formiatbränsle för elproduktion. De lagrade formiatpartiklarna löses enkelt upp i vatten och injiceras sedan sömlöst i bränslecellen när det behövs.
Enligt Li, även om fast bränsle är betydligt tyngre än ren vätgas, blir det totala resultatet en elproduktion som är nästan lika stor för en given lagringsvolym när vi tar hänsyn till vikten och storleken på de högtrycksgastankar som krävs för att lagra vätgas.
Olika potentiella tillämpningar av format
Enligt forskarna har formiatbränslet potential att anpassas för en mängd olika ändamål, från småskaliga hushållsenheter till stora industriella tillämpningar eller nätbaserade lagringssystem. På hushållsnivå skulle en elektrolysenhet i kylskåpsstorlek kunna användas för att fånga upp och omvandla koldioxid till formiat, som sedan kan lagras i en underjordisk eller takmonterad tank.
Ingenjörer vid MIT och Harvard omvandlade CO2 till effektivt bränsle och professor i kemi och elektroteknik och datateknik vid Northwestern University, Ted Sargent , som inte ingår i denna studie, sa: ”Formiatekonomin är ett spännande koncept eftersom metallformiatsalter är mycket godartade och stabila, och en övertygande energibärare. Författarna har visat förbättrad effektivitet i vätska-till-vätska-omvandling från bikarbonatråvara till formiat, och har visat att dessa bränslen senare kan användas för att producera elektricitet.”
Källa : Ingenjörer utvecklar en effektiv process för att tillverka bränsle från koldioxid
