Инженери разработиха ефективен процес за получаване на гориво от въглероден диоксид

Светът е в търсене на начини за извличане на въглеродния диоксид от въздуха или от димните газове от електроцентрали и превръщането му в нещо полезно. Една от по-обещаващите идеи е той да се трансформира в стабилно гориво, което да замени изкопаемите горива в някои приложения. При повечето процеси на конверсия обаче има проблеми с ниска въглеродна ефективност или получаване на горива, с които се манипулира трудно, токсични са или запалими.

Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) и Харвардския университет разработват ефективен процес, който може да преобразува въглероден диоксид във формиат, течен или твърд материал, който може да бъде използван като водорода или метанола за захранване на горивни клетки и генериране на електроенергия. Калиевият или натриевият формиат, който вече се произвежда в индустриален мащаб и се използва против обледеняване на пътища и тротоари, е нетоксичен, лесен за съхранение и транспорт, може да остане стабилен в обикновени стоманени резервоари и да се използва месеци или дори години след производството му.

Новият процес, разработен от докторантите от MIT Жен Жанг, Жичу Рен и Александър Куин, докторанта в Харвардския университет Дауеи Ши и професор Джу Ли от MIT, е описан в статия със свободен достъп в Cell Reports Physical Science. Целият процес, включително улавянето и електромеханичната конверсия на газа до твърд формиатен прах, който след това се използва в горивна клетка за генерирането на електоренергия, е демонстриран в малък, лабораторен мащаб. Изследователите обаче очакват процесът да бъде мащабируем, така че да позволи снабдяването с беземисионна топлинна и електрическа енергия на отделни домакинства и дори да бъде използван в приложения от индустриален мащаб.

Разликите с другите технологии

Други подходи за преобразуването на въглероден диоксид в гориво, обяснява Ли, обикновено включват двуетапен процес – първо газът се улавя химично и се преобразува в твърда форма като калциев карбонат, след което материалът се нагрява, за да се отстрани въглеродният диоксид и да се превърне в суровина за производството на горива, например въглероден оксид. Вторият етап има много ниска ефективност, типично в желания продукт се преобразуват под 20% от газообразния въглероден диоксид, обяснява Ли.

За разлика от това, новият процес постига конверсия от над 90% и елиминира необходимостта от неефективния етап на нагряване като първо преобразува въглеродния диоксид в междинна форма – течен метален бикарбонат. Тази течност след това електрохимично се преобразува в течен калиев или натриев формиат в електролизьор, използващ нисковъглеродна електроенергия, например ядрена, вятърна или соларна енергия. Полученият силно концентриран разтвор на течен калиев или натриев формиат може да бъде изсушен, например чрез соларно изпарение, за да се получи твърд прах, който е с висока стабилност и може да се съхранява в резервоари с години или дори десетилетия, казва Ли.

Няколко стъпки на оптимизация, разработени от екипа, са ключът към превръщането на неефективния процес в практично решение, допълва Ли. Процесът включва първо улавяне на въглеродния диоксид с алкален разтвор, или от концентрирани потоци като емисии от електроцентрали, или от източници с ниски концентрации, дори от околния въздух, до получаването на течен разтвор на метален бикарбонат. След това, чрез използването на мембранен електролизьор с катионен обмен този бикарбонат електрохимично се преобразува в твърди формиатни кристали с въглеродна ефективност от над 96%, както потвърждават лабораторните експерименти на екипа.

Впоследствие тези кристали имат безкраен срок на годност, оставайки стабилни за съхранение с години, с малки до нулеви загуби. За сравнение, дори най-добрите налични резервоари за водород изпускат газ с дебит от около 1% на ден, което възпрепятства всякакви приложения, изискващи целогодишно съхранение. Метанолът, друга широко проучвана алтернатива за превръщането на въглероден диоксид в гориво за горивни клетки, е токсично вещество, което не може лесно да бъде адаптирано за употреба в ситуации, където един теч би представлявал здравен риск. Формиатът, от друга страна, се използва широко и се счита за безвреден.

По-висока ефективност

Много по-високата ефективност на този процес се дължи на няколко подобрения. Първо, внимателното проектиране на мембранните материали и тяхната конфигурация преодолява проблем при предишни опити с такава система, при който отлагания на някои странични химични продукти променят pH, водейки до постепенна загуба на ефективност с времето. “Обикновено е трудно да се постигне дългосрочна, стабилна, непрекъсната конверсия на суровините. Решението при нашата система е постигането на pH равновесие”, казва Жанг.

За целта изследователите провеждат термодинамично моделиране, за да проектират новия процес, така че той да е химично балансиран и стойността на pH да остане стабилна, без промяна в киселинността с времето. Това позволява системата да работи ефективно за дълги периоди от време. По време на тестовете системата работи над 200 часа без съществено понижение на производителността. Целият процес може да се реализира при температурата на околната среда и при сравнително ниски налягания (около 5 пъти атмосферното налягане).

Друг проблем е това, че в резултат на нежелани странични реакции се получават други химични продукти, които не са полезни. Екипът обаче намира начин да предотврати протичането на тези реакции чрез използването на допълнителен буферен слой от наситена с бикарбонат стъклена вата, която ги блокира.
Екипът също изгражда горивна клетка, специално оптимизирана за използване на формиатното гориво за производство на електроенергия. Съхраняваните формиатни частици просто се разтварят във вода и се изпомпват в горивната клетка. Въпреки че твърдото гориво е много по-тежко от чистия водород, когато се вземат предвид обемът и теглото на резервоарите за газ под високо налягане, крайният резултат е почти същото количество електроенергия за даден обем на съхранение.

Потенциал за приложение в индустрията

Формиатното гориво може потенциално да бъде адаптирано за всичко – от модули за домакинства до голямомащабни индустриални приложения или системи за съхранение за електроразпределителната мрежа, твърдят изследователите. Първоначалните битови приложения могат да включват електролизьор с размера на хладилник за улавяне и преобразуване на въглеродния диоксид до формиат, който може да бъде съхранен в подземен или покривен резервоар. При необходимост прахообразното гориво ще се смесва с вода и подава към горивна клетка, осигуряваща топлинна и електроенергия. “Това е за домакински демонстрации, но вярваме, че в бъдеще ще бъде приложимо и за фабрики или електроразпределителната мрежа”, казва Жанг.

“Формиатната технология е интригуваща концепция, защото металните формиатни соли са безвредни и стабилни, а също и изключителен носител на енергия”, казва Тед Сарджант, професор по химия и електро- и компютърно инженерство в Северозападния университет, който не е свързан с проучването. Работата на учените от MIT и Харвардския университет е подкрепена от Научното звено към Министерството на енергетиката на САЩ.