Τα φημισμένα πανεπιστήμια των ΗΠΑ, MIT και Χάρβαρντ, περιγράφουν μια νέα διαδικασία για την παραγωγή καυσίμου από διοξείδιο του άνθρακα
Ο David Chandler (καθηγητής Χημείας στο πανεπιστήμιο του MIT) περιγράφει σε αυτό και στο Χάρβαρντ, έρευνα σύμφωνα με την οποία μέσω μιας νέας διαδικασίας, το CO2 μπορούσε να δεσμευτεί και να μετατραπεί (σε ποσοστό 96%) σε μια σταθερή σκόνη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Σημειώνεται ότι έχει δοκιμαστεί στο παρελθόν, αλλά τα ποσοστά μετατροπής ήταν 20%.
Το CO2 μετατρέπεται σε μυρμηκικό και χρησιμοποιείται όπως το υδρογόνο ή η μεθανόλη (και τα δύο είναι υποψήφια για μελλοντικές εναλλακτικές πηγές καυσίμου) για την τροφοδοσία μιας κυψέλης καυσίμου.
Σε αντίθεση με τη μεθανόλη, είναι μη τοξική και σε στερεή μορφή μπορεί να αποθηκευτεί για δεκαετίες.
Παράγεται σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σχετικά χαμηλές πιέσεις (περίπου 5 φορές την ατμοσφαιρική πίεση).
Αυτή είναι μια επίδειξη εργαστηριακής κλίμακας, αλλά οι ερευνητές λένε ότι το καύσιμο μυρμηκικό άλας μπορεί να προσαρμοστεί για οτιδήποτε, από οικιακές μονάδες έως μεγάλης κλίμακας βιομηχανικές χρήσεις ή συστήματα αποθήκευσης κλίμακας δικτύου.
Οι μηχανικοί αναπτύσσουν μια αποτελεσματική διαδικασία για την παραγωγή καυσίμου από διοξείδιο του άνθρακα. Η προσέγγιση μετατρέπει άμεσα το αέριο του θερμοκηπίου σε μυρμηκικό, ένα στερεό καύσιμο που μπορεί να αποθηκευτεί επ' αόριστον και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση κατοικιών ή βιομηχανιών παραγωγής ενέργειας.
Η αναζήτηση γίνεται σε όλο τον κόσμο για να βρεθούν τρόποι εξαγωγής διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα ή από τα καυσαέρια των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και στη συνέχεια να γίνει κάτι χρήσιμο.
Μία από τις πιο ελπιδοφόρες ιδέες είναι να γίνει ένα σταθερό καύσιμο που μπορεί να αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα σε ορισμένες εφαρμογές. Αλλά οι περισσότερες τέτοιες διεργασίες μετατροπής είχαν προβλήματα με χαμηλή απόδοση άνθρακα ή παράγουν καύσιμα που μπορεί να είναι δύσκολο στη χρήση τους, τοξικά ή εύφλεκτα.
Μετατροπή του CO2 σε υγρό ή στερεό καύσιμο
Ερευνητές στο MIT και το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν αναπτύξει μια αποτελεσματική διαδικασία που μπορεί να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε μυρμηκικό (ένα υγρό ή στερεό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως το υδρογόνο ή η μεθανόλη για την τροφοδοσία μιας κυψέλης καυσίμου και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας).
Μυρμηκικό κάλιο ή νάτριο, που παράγεται ήδη σε βιομηχανική κλίμακα και χρησιμοποιείται συνήθως ως αποπαγωτικό για δρόμους και πεζοδρόμια, είναι μη τοξικό, μη εύφλεκτο, εύκολο στην αποθήκευση και μεταφορά και μπορεί να παραμείνει σταθερό σε συνηθισμένες χαλύβδινες δεξαμενές για χρήση μήνες ή και χρόνια , μετά την παραγωγή του.
Η νέα διαδικασία περιγράφεται σε μια εργασία ανοιχτής πρόσβασης στο Cell Reports Physical Science.
Η όλη διαδικασία (συμπεριλαμβανομένης της δέσμευσης και της ηλεκτροχημικής μετατροπής του αερίου σε στερεή σκόνη μυρμηκικού άλατος) η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται σε κυψέλη καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αποδείχθηκε σε μικρή, εργαστηριακή κλίμακα.
Ωστόσο, οι ερευνητές αναμένουν ότι θα είναι επεκτάσιμο έτσι ώστε να μπορεί να παρέχει θερμότητα και ενέργεια χωρίς εκπομπές σε μεμονωμένα σπίτια και ακόμη και να χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές εφαρμογές ή εφαρμογές σε κλίμακα δικτύου.
Νέα διαδικασία 2 σταδίων
Άλλες προσεγγίσεις για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο, εξηγεί ο Ju Li (καθηγητής στο MIT), περιλαμβάνουν συνήθως μια διαδικασία 2 σταδίων: πρώτα το αέριο δεσμεύεται χημικά και μετατρέπεται σε στερεή μορφή ως ανθρακικό ασβέστιο.
Στη συνέχεια το υλικό θερμαίνεται για να διώξει το διοξείδιο του άνθρακα και να μετατραπεί σε μια πρώτη ύλη καυσίμου όπως το μονοξείδιο του άνθρακα.
«Αυτό το δεύτερο βήμα έχει πολύ χαμηλή απόδοση, συνήθως μετατρέποντας λιγότερο από το 20% του αερίου διοξειδίου του άνθρακα στο επιθυμητό προϊόν», λέει ο Li.
Ποσοστό μετατροπής πάνω από 90%
Αντίθετα, η νέα διαδικασία επιτυγχάνει μετατροπή πολύ πάνω από 90% και εξαλείφει την ανάγκη για το αναποτελεσματικό στάδιο θέρμανσης μετατρέποντας πρώτα το διοξείδιο του άνθρακα σε μια ενδιάμεση μορφή, υγρό διττανθρακικό μέταλλο.
Αυτό το υγρό στη συνέχεια μετατρέπεται ηλεκτροχημικά σε υγρό μυρμηκικό κάλιο ή νάτριο σε μια συσκευή ηλεκτρόλυσης που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό χαμηλών εκπομπών άνθρακα, π.χ. πυρηνική, αιολική ή ηλιακή ενέργεια.
Η διαδικασία δέσμευσης και μετατροπής άνθρακα περιλαμβάνει πρώτα μια δέσμευση με βάση αλκαλικό διάλυμα που συμπυκνώνει το διοξείδιο του άνθρακα (είτε από συγκεντρωμένα ρεύματα όπως από εκπομπές εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής είτε από πηγές πολύ χαμηλής συγκέντρωσης, ακόμη και σε ανοιχτό αέρα, σε μορφή υγρού μετάλλου - διττανθρακικό διάλυμα).
Κατόπιν μέσω της χρήσης ενός ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής κατιόντων, αυτό το διττανθρακικό μετατρέπεται ηλεκτροχημικά σε στερεούς μυρμηκικούς κρυστάλλους με απόδοση άνθρακα μεγαλύτερη από 96%, όπως επιβεβαιώθηκε στα πειράματα εργαστηριακής κλίμακας της ομάδας.
Στερεή σκόνη που διαρκεί δεκαετίες
Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν απεριόριστη διάρκεια ζωής, παραμένοντας τόσο σταθεροί που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν για χρόνια, ή και δεκαετίες, με μικρή ή καθόλου απώλεια.
Πιο εύκολο στην αποθήκευση από τη μεθανόλη ή το υδρογόνο
Συγκριτικά, ακόμη και οι καλύτερες διαθέσιμες πρακτικές δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου επιτρέπουν στο αέριο να διαρρέει με ρυθμό περίπου 1%, αποκλείοντας οποιεσδήποτε χρήσεις που θα απαιτούσαν αποθήκευση για ένα χρόνο, λέει ο Li.
Η μεθανόλη (άλλη ευρέως διερευνημένη εναλλακτική λύση για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου), είναι μια τοξική ουσία που δεν μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί για χρήση σε καταστάσεις όπου η διαρροή θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την υγεία.
Το μυρμηκικό οξύ, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται ευρέως και θεωρείται καλοήθης, σύμφωνα με τα εθνικά πρότυπα ασφαλείας.
Επίτευξη ισορροπίας pH
Αρκετές βελτιώσεις εξηγούν τη σημαντικά βελτιωμένη αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας.
Ένας προσεκτικός σχεδιασμός των υλικών μεμβράνης και της διαμόρφωσής τους ξεπερνά ένα πρόβλημα που αντιμετώπισαν προηγούμενες προσπάθειες σε ένα τέτοιο σύστημα, όπου η συσσώρευση ορισμένων χημικών υποπροϊόντων αλλάζει το pH, με αποτέλεσμα το σύστημα να χάνει σταθερά την αποτελεσματικότητά του με την πάροδο του χρόνου.
Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές πραγματοποίησαν θερμοδυναμική μοντελοποίηση για να σχεδιάσουν τη νέα διαδικασία έτσι ώστε να είναι χημικά ισορροπημένη και το pH να παραμένει σε σταθερή κατάσταση χωρίς μετατόπιση στην οξύτητα με την πάροδο του χρόνου. Επομένως, μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αποτελεσματικά για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Στις δοκιμές τους, το σύστημα έτρεξε για περισσότερες από 200 ώρες χωρίς σημαντική μείωση στην απόδοση. Η όλη διαδικασία μπορεί να γίνει σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σχετικά χαμηλές πιέσεις (περίπου πέντε φορές την ατμοσφαιρική πίεση).
Κυψέλη καυσίμου για τη χρήση αυτού του καυσίμου μυρμηκικού
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης μια κυψέλη καυσίμου ειδικά βελτιστοποιημένη για τη χρήση αυτού του καυσίμου μυρμηκικού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποθηκευμένα σωματίδια μυρμηκικού άλατος απλώς διαλύονται στο νερό και αντλούνται στην κυψέλη καυσίμου όπως απαιτείται. Αν και το στερεό καύσιμο είναι πολύ βαρύτερο από το καθαρό υδρογόνο, όταν λαμβάνεται υπόψη το βάρος και ο όγκος των δεξαμενών αερίου υψηλής πίεσης που απαιτούνται για την αποθήκευση υδρογόνου, το τελικό αποτέλεσμα είναι μια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στην ισοτιμία για έναν δεδομένο όγκο αποθήκευσης, λέει ο Li.
Οικιακή κλίμακα και κλίμακα πλέγματος
Οι αρχικές οικιακές εφαρμογές μπορεί να περιλαμβάνουν μια μονάδα ηλεκτρόλυσης μεγέθους ψυγείου για τη δέσμευση και τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό, το οποίο θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε υπόγεια ή ταράτσα.
Στη συνέχεια (όταν χρειαζόταν), το κονιοποιημένο στερεό θα αναμιγνύεται με νερό και θα τροφοδοτείται σε μια κυψέλη καυσίμου για να παρέχει ενέργεια και θερμότητα.
«Η οικονομία μυρμηκικού είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα, επειδή τα άλατα μυρμηκικού μετάλλου είναι πολύ καλοήθη και σταθερά και ένας συναρπαστικός φορέας ενέργειας», λέει ο Ted Sargent (καθηγητής χημείας και ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Northwestern), ο οποίος δε σχετιζόταν με αυτήν την εργασία.
www.worldenergynews.gr
