Στον αγώνα για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες του Massachusetts Institute of Technology (MIT) αναζητούν τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα για την απαλλαγή από τον άνθρακα των πιο «σκληρών» βιομηχανικών εκπομπών.
Ο χάλυβας, το τσιμέντο και τα χημικά είναι ιδιαίτερα δύσκολες βιομηχανίες στην απανθρακοποίηση, καθώς ο άνθρακας και τα ορυκτά καύσιμα αποτελούν εγγενή συστατικά στην παραγωγή τους. Οι τεχνολογίες που μπορούν να συλλάβουν τις εκπομπές άνθρακα και να τις μετατρέψουν σε μορφές που θα ανατροφοδοτήσουν την παραγωγική διαδικασία θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μείωση των συνολικών εκπομπών από αυτούς τους «δύσκολους στη μείωση» εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου τομείς.
Πώς λειτουργούν οι υπάρχουσες πειραματικές τεχνολογίες
Αλλά μέχρι στιγμής, οι πειραματικές τεχνολογίες που συλλαμβάνουν και μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα το κάνουν μέσα από δύο ξεχωριστές διαδικασίες, οι οποίες απαιτούν από μόνες τους μια τεράστια ποσότητα ενέργειας για να λειτουργήσουν. Η ομάδα του MIT επιδιώκει να συνδυάσει τις δύο διαδικασίες σε ένα ολοκληρωμένο και πολύ πιο ενεργειακά αποδοτικό σύστημα που θα 'εχει τη δυνατότητα να λειτουργεί με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τόσο για τη δέσμευση όσο και για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα από συγκεντρωμένες, βιομηχανικές πηγές.
Σε μια μελέτη που μόλις δημοσιεύτηκε στο ACS Catalysis, οι ερευνητές του ΜΙΤ αποκαλύπτουν την κρυφή λειτουργία του τρόπου με τον οποίο το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να δεσμευτεί και να μετατραπεί μέσω μίας και μόνο ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση ενός ηλεκτροδίου που προσελκύει το διοξείδιο του άνθρακα το οποίο απελευθερώνεται από έναν ροφητή και το μετατρέπει σε μια μειωμένη, επαναχρησιμοποιήσιμη μορφή.
Και άλλοι ερευνητές έχουν αναφέρει παρόμοια πειράματα, αλλά οι μηχανισμοί που οδηγούν την ηλεκτροχημική αντίδραση έχουν παραμείνει ασαφείς. Η ομάδα του MIT πραγματοποίησε εκτεταμένα πειράματα για να προσδιορίσει τον μηχανισμό - οδηγό και διαπίστωσε ότι στο τέλος, κατέληξε σε μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα. Με άλλα λόγια, όσο πιο καθαρό είναι το διοξείδιο του άνθρακα που έρχεται σε επαφή με το ηλεκτρόδιο, τόσο πιο αποτελεσματικά το ηλεκτρόδιο μπορεί να συλλάβει και να μετατρέψει το μόριο.
Η αξία της νέας ανακάλυψης για τη βαριά βιομηχανία
Η γνώση αυτού του κύριου μοχλού, ή του «δραστικού τύπου», μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να συντονίσουν και να βελτιστοποιήσουν ανάλογα ηλεκτροχημικά συστήματα για να συλλάβουν και να μετατρέψουν αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα σε μια ολοκληρωμένη διαδικασία.
Τα αποτελέσματα της μελέτης του ΜΙΤ δηλώνουν ότι, ενώ αυτά τα ηλεκτροχημικά συστήματα πιθανότατα δεν θα απέδιδαν αποτελέσματα για πολύ αραιά περιβάλλοντα (για παράδειγμα, για τη σύλληψη και τη μετατροπή των εκπομπών άνθρακα απευθείας από τον αέρα), είναι κατάλληλα για τις εξαιρετικά συγκεντρωμένες εκπομπές που παράγονται από τις βιομηχανικές διαδικασίες, ιδιαίτερα εκείνων που δεν έχουν προφανή εναλλακτική από ανανεώσιμες πηγές.
«Μπορούμε και πρέπει να στραφούμε στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά η πλήρης απανθρακοποίηση της βιομηχανίας όπως η παραγωγή τσιμέντου ή χάλυβα είναι πρόκληση και θα πάρει περισσότερο χρόνο», αναφέρει η συγγραφέας της μελέτης Betar Gallant, αναπληρώτρια καθηγήτρια στο MIT. «Ακόμα κι αν απαλλαγούμε από όλους τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χρειαζόμαστε κάποιες λύσεις για να αντιμετωπίσουμε τις εκπομπές από άλλες βιομηχανίες βραχυπρόθεσμα, προτού μπορέσουμε να πετύχουμε την πλήρη απανθρακοποίησή τους. Εδώ βλέπουμε κάτι που μπορεί να δουλέψει, ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε να είναι κατάλληλο».
Οι συν-συγγραφείς της μελέτης στο MIT είναι ο επικεφαλής συγγραφέας και μεταδιδάκτορας Graham Leverick και η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Elizabeth Bernhardt, μαζί με τους Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman και Mohamed Kheireddine Aroua του Πανεπιστημίου Sunway στη Μαλαισία.
Σπάζοντας δεσμούς
Οι τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα έχουν σχεδιαστεί για να συλλαμβάνουν τις εκπομπές ή τα «καυσαέρια» από τις καπνοδόχους των σταθμών παραγωγής ενέργειας και των εγκαταστάσεων παραγωγής. Αυτό γίνεται κυρίως με τη χρήση μεγάλων μετασκευών για τη διοχέτευση των εκπομπών σε θαλάμους γεμάτους με ένα διάλυμα «σύλληψης» - ένα μείγμα αμινών ή ενώσεων με βάση την αμμωνία, που συνδέονται χημικά με το διοξείδιο του άνθρακα, παράγοντας μια σταθερή μορφή που μπορεί να διαχωριστεί από τα υπόλοιπα καυσαέρια.
Στη συνέχεια εφαρμόζονται υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως με τη μορφή ατμού που παράγεται από ορυκτά καύσιμα, για να απελευθερωθεί το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα από τον δεσμό της αμίνης. Στην καθαρή του μορφή, το αέριο μπορεί στη συνέχεια να αντληθεί σε δεξαμενές αποθήκευσης ή υπόγεια, να μεταλλοποιηθεί ή να μετατραπεί περαιτέρω σε χημικά ή καύσιμα.
«Η δέσμευση άνθρακα είναι μια ώριμη τεχνολογία, καθώς η χημεία είναι γνωστή εδώ και περίπου 100 χρόνια, αλλά απαιτεί πραγματικά μεγάλες εγκαταστάσεις και είναι αρκετά ακριβή και ενεργοβόρα στη λειτουργία της», σημειώνει η Gallant. «Αυτό που θέλουμε είναι καλύτερα αρθρωμένες και ευέλικτες τεχνολογίες που θα μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικές πηγές διοξειδίου του άνθρακα. Τα ηλεκτροχημικά συστήματα μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος».
Η ομάδα της στο MIT αναπτύσσει ένα ηλεκτροχημικό σύστημα που ανακτά το δεσμευμένο διοξείδιο του άνθρακα και το μετατρέπει σε μειωμένο, χρησιμοποιήσιμο προϊόν. Ένα τέτοιο ολοκληρωμένο σύστημα, λέει, θα μπορούσε να τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές και όχι με ατμό προερχόμενο από ορυκτά καύσιμα.
Η ιδέα τους επικεντρώνεται σε ένα ηλεκτρόδιο που θα μπορούσε να προσαρμοστεί σε υπάρχοντες θαλάμους δέσμευσης άνθρακα . Όταν εφαρμόζεται τάση στο ηλεκτρόδιο, ρέουν τα ηλεκτρόνια και μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιώντας πρωτόνια που παρέχονται από το νερό. Αυτό καθιστά το ροφητή ικανό να δεσμεύει περισσότερο διοξείδιο του άνθρακα, αντί να χρησιμοποιείται ατμός για να κάνει την ίδια δουλειά.
Η Gallant είχε προηγουμένως αποδείξει ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία μπορεί να συλλάβει και να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε στερεή ανθρακική μορφή.
«Δείξαμε ότι αυτή η ηλεκτροχημική διαδικασία ήταν εφικτή στην πολύ πρώιμη σύλληψή της», λέει. «Από τότε, υπήρξαν άλλες μελέτες που επικεντρώθηκαν στη χρήση αυτής της διαδικασίας για την προσπάθεια παραγωγής χρήσιμων χημικών ουσιών και καυσίμων. Αλλά δεν δόθηκαν συνεπείς εξηγήσεις για το πώς λειτουργούν αυτές οι αντιδράσεις βήμα βήμα».
Ο ρόλος των μεμονωμένων μορίων διοξειδίου του άνθρακα
Στη νέα μελέτη, η ομάδα του MIT πήρε έναν μεγεθυντικό φακό για να περιγράψει τις συγκεκριμένες αντιδράσεις που οδηγούν την ηλεκτροχημική διαδικασία. Στο εργαστήριο, παρήγαγαν διαλύματα αμίνης που μοιάζουν με τα διαλύματα βιομηχανικής δέσμευσης τα οποία χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή διοξειδίου του άνθρακα από τα καυσαέρια.
Στη συνέχεια άλλαξαν με μεθοδικότητα διάφορες ιδιότητες του κάθε διαλύματος, όπως το pH, τη συγκέντρωση και τον τύπο της αμίνης και πέρασαν από κάθε διάλυμα ένα ηλεκτρόδιο από ασήμι - ένα μέταλλο που χρησιμοποιείται ευρέως σε μελέτες ηλεκτρόλυσης και είναι γνωστό ότι μετατρέπει αποτελεσματικά το διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα.
Στη συνέχεια μέτρησαν τη συγκέντρωση μονοξειδίου του άνθρακα στο οποίο είχε μετατραπεί το διοξείδιο στο τέλος της αντίδρασης και συνέκριναν αυτόν τον αριθμό για κάθε κατηγορία διαλύματος που δοκίμασαν, για να δουν ποια παράμετρος είχε τη μεγαλύτερη επίδραση στο πόσο μονοξείδιο του άνθρακα παρήχθη.
Στο τέλος, ανακάλυψαν ότι αυτό που είχε μεγαλύτερη σημασία δεν ήταν ο τύπος της αμίνης που χρησιμοποιήθηκε για να δεσμεύσει αρχικά το διοξείδιο του άνθρακα, όπως πολλοί υποπτεύονταν. Αντίθετα, ήταν η συγκέντρωση μεμονωμένων, ελεύθερα πλεόντων μορίων διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία απέφευγαν τη σύνδεση με αμίνες, αλλά παρόλα αυτά υπήρχαν στο διάλυμα. Αυτό τα μεμονωμένα μόρια διοξειδίου του άνθρακα καθόρισαν τη συγκέντρωση μονοξειδίου του άνθρακα που τελικά παρήχθη.
«Διαπιστώσαμε ότι είναι πιο εύκολη αντίδραση με αυτά τα μεμονωμένα μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε σύγκριση με τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα που έχουν δεσμευτεί από την αμίνη», λέει ο Leverick. «Αυτό λέει στους μελλοντικούς ερευνητές ότι αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να είναι εφικτή για τις βιομηχανικές εκπομπές, όπου υψηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσαν αποτελεσματικά να δεσμευτούν και να μετατραπούν σε χρήσιμα χημικά και καύσιμα».
«Δεν πρόκειται για τεχνολογία απανθρακοποίησης και είναι σημαντικό να το δηλώσουμε», τονίζει η Gallant. «Η αξία της είναι ότι μας επιτρέπει να ανακυκλώνουμε το διοξείδιο του άνθρακα που εκπέμπουν οι βαριές βιομηχανίες για να περιορίσουμε τις εκπομπές αερίων. Τελικά, το όνειρό μου είναι ότι τα ηλεκτροχημικά συστήματα θα μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν για τη διευκολύνουν την ανοργανοποίηση και τη μόνιμη αποθήκευση διοξειδίου του άνθρακα — μια πραγματική τεχνολογία απανθρακοποίησης. Αυτό είναι ένα μακροπρόθεσμο όραμα. Και πολλές από τις διαδικασίες που αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε είναι ένα πρώτο βήμα προς το σχεδιασμό αυτών των διαδικασιών».
www.worldenergynews.gr
