Jak vyřešit úzké hrdlo při zachytávání a konverzi CO2

Efektivní odstraňování oxidu uhličitého z atmosféry je často považováno za klíčové pro boj s klimatickými změnami. Systémy pro odstraňování CO2 však trpí kompromisem. Chemické sloučeniny, které efektivně odstraňují CO₂ ze vzduchu, jej po zachycení jen těžko uvolňují, a sloučeniny, které uvolňují CO₂ efektivně, nejsou při jeho zachytávání příliš efektivní. Optimalizace jedné části cyklu obvykle zhoršuje druhou.

Nyní vědci z MIT pomocí nanofiltračních membrán přidali jednoduchý mezistupeň, který usnadňuje obě části cyklu. Nový přístup by mohl podle nich šestinásobně zvýšit efektivitu elektrochemického zachytávání a uvolňování oxidu uhličitého a snížit náklady nejméně o 20 procent.

Nové poznatky byly dnes zveřejněny v časopise ACS Energy Letters ve studii doktorandů MIT Simona Rufera, Tala Josepha a Zary Aamer a profesorky strojního inženýrství Kripy Varanasiové.

„Při zachytávání uhlíku musíme od začátku myslet na rozsah, protože dosažení smysluplného dopadu vyžaduje zpracování gigatun CO₂,“ říká Varanasiová. „Toto pojetí nám pomáhá identifikovat kritická úzká hrdla a navrhovat inovativní řešení s reálným potenciálem pro dopad. To je hnací silou naší práce.“

Mnoho systémů zachytávání uhlíku pracuje s chemickými látkami zvanými hydroxidy, které se snadno kombinují s oxidem uhličitým za vzniku uhličitanu. Tento uhličitan se pak přivádí do elektrochemické články, kde reaguje s kyselinou za vzniku vody a uvolnění oxidu uhličitého. Proces dokáže z běžného vzduchu s pouhými 400 částicemi na milion oxidu uhličitého vygenerovat proud 100% čistého oxidu uhličitého, který se pak může použít k výrobě paliv nebo jiných produktů.

Kroky zachytávání i uvolňování probíhají ve stejném vodném roztoku, ale první krok vyžaduje roztok s vysokou koncentrací hydroxidových iontů a druhý krok roztok s vysokou koncentrací uhličitanových iontů. „Vidíte, jak si tyto dva kroky odporují,“ říká Varanasiová. „Tyto dva systémy cirkulují stejný sorbent tam a zpět. Fungují na přesně stejné kapalině. Ale protože pro optimální provoz potřebují dva různé typy kapalin, není možné provozovat oba systémy v jejich nejefektivnějších bodech.“

Řešením týmu bylo oddělit obě části systému a mezi ně vložit třetí část. V podstatě poté, co byl hydroxid v prvním kroku převážně chemicky přeměněn na uhličitan, speciální nanofiltrační membrány oddělují ionty v roztoku podle jejich náboje. Uhličitanové ionty mají náboj 2, zatímco hydroxidové ionty mají náboj 1. „Nanofiltrace dokáže tyto dva ionty poměrně dobře oddělit,“ říká Rufer.

Po oddělení se hydroxidové ionty vrací do absorpční části systému, zatímco uhličitany se posílají do elektrochemické fáze uvolnění. Tímto způsobem mohou obě části systému pracovat v efektivnějších rozmezích. Varanasiová vysvětluje, že v elektrochemickém kroku uvolňování se k uhličitanu přidávají protony, aby došlo k přeměně na oxid uhličitý a vodu, ale pokud jsou přítomny také hydroxidové ionty, protony s nimi budou reagovat a vznikne pouze voda.

„Pokud tyto hydroxidy a uhličitany neoddělíte,“ říká Rufer, „systém selže tak, že budete protony přidávat k hydroxidu místo k uhličitanu, a tak budete vyrábět pouze vodu, namísto extrakce oxidu uhličitého. Právě tam se ztrácí účinnost. Použití nanofiltrace k prevenci tohoto jevu je něco, o čem jsme si neuvědomovali, že by to někdo předtím navrhoval.“

Testování ukázalo, že nanofiltrace dokáže oddělit uhličitan od hydroxidového roztoku s účinností přibližně 95 %, čímž se ověřila koncepce za realistických podmínek, říká Rufer. Dalším krokem bylo posoudit, jaký vliv to bude mít na celkovou účinnost a ekonomiku procesu. Vytvořili techno-ekonomický model, který zahrnoval elektrochemickou účinnost, napětí, rychlost absorpce, kapitálové náklady, účinnost nanofiltrace a další faktory.

Analýza ukázala, že současné systémy stojí nejméně 600 dolarů za tunu zachyceného oxidu uhličitého, zatímco s přidanou nanofiltrační součástí se tato cena sníží na přibližně 450 dolarů za tunu. Navíc je nový systém mnohem stabilnější a i při změnách koncentrace iontů v roztoku pokračuje v provozu s vysokou účinností. „Ve starém systému bez nanofiltrace pracujete na ostří nože,“ říká Rufer; pokud se koncentrace i jen nepatrně změní jedním nebo druhým směrem, účinnost dramaticky klesá. „Ale s naším systémem nanofiltrace to funguje jako určitý tlumič, díky němuž se systém stává mnohem shovívavějším. Máte mnohem širší provozní režim a můžete dosáhnout výrazně nižších nákladů.“

Dodává, že tento přístup by se mohl použít nejen na systémy přímého zachytávání z atmosféry, které konkrétně studovali, ale také na systémy bodového zdroje – které jsou připojeny přímo ke zdrojům emisí, jako jsou emise z elektráren – nebo na další fázi procesu, přeměnu zachyceného oxidu uhličitého na užitečné produkty, jako je palivo nebo chemické suroviny. Tyto konverzní procesy, říká, „jsou také zúženy tímto kompromisem mezi uhličitanem a hydroxidem.“

Varanasiová dále uvádí, že tato technologie by mohla vést k bezpečnějším alternativním chemickým látkám pro zachytávání uhlíku. „Mnoho z těchto absorbentů může být někdy toxických nebo škodlivých pro životní prostředí. Pomocí systému, jako je ten náš, můžete zlepšit reakční rychlost, takže si můžete vybrat chemikálie, které nemusí mít zpočátku nejlepší absorpční rychlost, ale lze ji zlepšit tak, aby byla zajištěna bezpečnost.“

Varanasiová dodává, že „skutečně pěkná věc na tom je, že se nám to podařilo udělat s tím, co je komerčně dostupné“, a se systémem, který lze snadno dodatečně instalovat do stávajících zařízení pro zachytávání uhlíku. Pokud by se náklady dále snížily na přibližně 200 dolarů za tunu, mohla by se tato technologie rozšířit. S probíhající prací, říká, „jsme přesvědčeni, že budeme mít něco, co se stane ekonomicky životaschopným“ a nakonec bude produkovat hodnotné, prodejné produkty.

Rufer poznamenává, že i dnes „lidé kupují uhlíkové kredity za cenu přes 500 dolarů za tunu. Takže při těchto nákladech, které předpovídáme, je to už komerčně životaschopné, protože existují někteří kupci, kteří jsou ochotni tuto cenu zaplatit.“ Ale dalším snížením ceny by se měl zvýšit počet kupců, kteří by zvážili nákup kreditu, říká. „Je to jen otázka, jak široce to můžeme rozšířit.“ Varanasiová s ohledem na rostoucí poptávku na trhu říká: „Naším cílem je poskytovat průmyslu škálovatelné, nákladově efektivní a spolehlivé technologie a systémy, které jim umožní přímo dosáhnout jejich cílů v oblasti dekarbonizace.“

Výzkum byl podpořen společností Shell International Exploration and Production Inc. prostřednictvím MIT Energy Initiative a americkým Národním vědeckým fondem a využil zařízení v MIT.nano.