Bekæmpelse af drivhusgasser

Billederne er allestedsnærværende:En kystby decimeret af en anden kraftig orkan, satellitbilleder, der viser krympende polare iskapper, en skole af døde fisk, der flyder på overfladen af ​​varmt vand, skår af land brændt af en naturbrand, der ikke er under kontrol. Disse forfærdelige skildringer deler en rød tråd - de giver håndgribelige beviser på, at klimaændringer påvirker hvert hjørne af kloden.

Ifølge NASA, Jordens overfladetemperatur er steget 0,9 grader Celsius siden begyndelsen af ​​den industrielle revolution. Forskere er enige om, at stigningen i temperaturer har én primær synder:øgede drivhusgasemissioner.

Drivhusgasser som kuldioxid, nitrogenoxid, og metan fanger alle varme i vores atmosfære, gøre dem direkte ansvarlige for klimaændringer. Forekomsten af ​​disse gasser i vores atmosfære er steget eksponentielt siden slutningen af ​​1800-tallet på grund af væksten i brugen af ​​fossile brændstoffer på tværs af energien, fremstilling, og transportindustrien.

En rapport fra FN's mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC), udgivet den 8. oktober, 2018 advarede om, at hvis jordens temperatur stiger mere end 1,5 C, virkningerne ville være katastrofale. Hele økosystemer kan gå tabt, havniveauet ville være højere, og ekstreme vejrbegivenheder ville blive endnu mere almindelige. Ifølge IPCC, at undgå dette scenario "ville kræve hurtige, vidtrækkende og hidtil usete ændringer i alle aspekter af samfundet, "inklusive et fald på 45 procent i kuldioxidniveauet i 2030.

Forskere på tværs af MIT arbejder på et utal af teknologier, der reducerer drivhusgasemissioner på tværs af alle brancher. Mange fakulteter ser på bæredygtig energi. Lektor Tonio Buonassisi og hans team i Photovoltaic Research Lab håber at kunne udnytte solens kraft, mens professor Alexander Slocum har forsket i at gøre havvindmøller mere effektive og økonomisk levedygtige.

Ud over at udforske bæredygtige energiformer, der ikke kræver fossile brændstoffer, en række fakultetsmedlemmer i MIT's Department of Mechanical Engineering henvender sig til teknologier, der lagrer, fange, konvertere, og minimere drivhusgasemissioner ved hjælp af meget forskellige tilgange.

Forbedring af energilagring med keramik

For at vedvarende energiteknologier som koncentreret solenergi (CSP) skal give mening økonomisk, opbevaring er afgørende. Da solen ikke altid skinner, solenergi skal på en eller anden måde opbevares til senere brug. Men CSP-anlæg er i øjeblikket begrænset af deres stålbaserede infrastruktur.

"Forbedring af energilagring er et kritisk spørgsmål, der udgør en af ​​de største teknologiske forhindringer for at minimere drivhusgasemissioner, " forklarer Asegun Henry, Noyce karriereudviklingsprofessor og lektor i maskinteknik.

En ekspert i varmeoverførsel, Henry har vendt sig til en usandsynlig klasse af materialer for at hjælpe med at øge effektiviteten af ​​termisk opbevaring:keramik.

I øjeblikket, CSP-anlæg er begrænset af den temperatur, hvorved de kan lagre varme. Termisk energi fra solenergien lagres i øjeblikket i flydende salt. Dette flydende salt kan ikke overstige en temperatur på 565 C, da stålrørene, de strømmer igennem, bliver korroderede.

"Der har været en allestedsnærværende antagelse om, at hvis du skal bygge noget med flydende væske, rørene og pumperne skal være af metal, " siger Henry. "Vi satte i det væsentlige spørgsmålstegn ved den antagelse."

Henry og hans team, som for nylig er flyttet fra Georgia Tech, har udviklet en keramisk pumpe, der tillader væske at flyde ved meget højere temperaturer. I januar 2017 han blev optaget i Guinness Book of World Record for "væskepumpe med højeste driftstemperatur." Pumpen var i stand til at cirkulere smeltet tin mellem 1, 200 C og 1, 400 C.

"Pumpen giver os nu mulighed for at lave en helkeramisk infrastruktur til CSP-anlæg, giver os mulighed for at flyde og kontrollere flydende metal, " tilføjer Henry.

I stedet for at bruge flydende salt, CSP-anlæg kan nu lagre energi i metaller, som smeltet tin, som har et højere temperaturområde og ikke vil korrodere den nøje udvalgte keramik. Dette åbner nye veje for energilagring og -produktion. "Vi forsøger at skrue op for temperaturen så varm, at vores evne til at omdanne varme tilbage til elektricitet giver os muligheder, " forklarer Henry.

En sådan mulighed, ville være at lagre elektricitet som glødende hvid varm varme som en glødetråd. Denne varme kan derefter omdannes til elektricitet ved at konvertere den hvide glød ved hjælp af fotovoltaik - hvilket skaber et fuldstændig drivhusgasfrit energilagringssystem.

"Dette system kan ikke fungere, hvis rørene er temperaturbegrænsede og har en kort levetid, " tilføjer Henry. "Det er der, vi kommer ind, vi har nu de materialer, der kan få tingene til at fungere ved vanvittigt høje temperaturer."

Henrys rekordstore pumpes evne til at minimere drivhusgasemissioner går ud over at ændre infrastrukturen i solcelleanlæg. Han håber også at kunne bruge pumpen til at ændre måden, brint produceres på.

Brint, som bruges til at lave gødning, dannes ved at reagere metan med vand, producerer kuldioxid. Henry forsker i en helt ny brintproduktionsmetode, som ville involvere opvarmning af tin varmt nok til at spalte metan direkte og skabe brint, uden at indføre andre kemikalier eller lave kuldioxid. I stedet for at udlede kuldioxid, faste kulstofpartikler ville dannes og flyde på væskens overflade. Dette faste kulstof er noget, der derefter kunne sælges til et antal eller formål.

Konvertering af forurenende stoffer til værdifulde materialer

At fange drivhusgasser og gøre dem til noget nyttigt er et mål, som Betar Gallant deler, adjunkt i maskinteknik.

Paris-aftalen, som søger at minimere drivhusgasemissioner på globalt plan, udtalte, at de deltagende lande skal overveje enhver drivhusgas, selv dem, der udledes i små mængder. Disse omfatter fluorholdige gasser som svovlhexafluorid og nitrogentrifluorid. Mange af disse gasser bruges i halvlederfremstilling og metallurgiske processer som magnesiumproduktion.

Fluorholdige gasser har op til 23, 000 gange det globale opvarmningspotentiale af kuldioxid og har levetider i tusinder af år. "Når vi udsender disse fluorholdige gasser, de er næsten uforgængelige, " siger Gallant.

Uden gældende regler for disse gasser, deres frigivelse kan have varig indflydelse på vores evne til at begrænse den globale opvarmning. Efter ratificeringen af ​​Paris-aftalen, Gallant så en mulighed for at bruge sin baggrund i elektrokemi til at opfange og omdanne disse skadelige forurenende stoffer.

"Jeg kigger på mekanismer og reaktioner til at aktivere og omdanne skadelige forurenende stoffer til enten godartede materialer, der kan opbevares eller noget, der kan genbruges og bruges på en mindre skadelig måde, " forklarer hun.

Hendes første mål:fluorholdige gasser. Brug af spænding og strømme sammen med kemi, hun og hendes team undersøgte at få adgang til et nyt reaktionsrum. Gallant skabte to systemer baseret på reaktionen mellem disse fluorholdige gasser og lithium. Resultatet blev en solid katode, der kan bruges i batterier.

"Vi identificerede en reaktion for hver af de to fluorholdige gasser, men vi vil fortsætte med at arbejde på det for at finde ud af, hvordan disse reaktioner kan modificeres til at håndtere opfangning i industriel skala og store mængder af materialer, " tilføjer hun.

Gallant brugte for nylig en lignende tilgang til at opfange og konvertere kuldioxidemissioner til kulstofkatoder.

"Vores centrale spørgsmål var:Kan vi finde en måde at få mere værdi ud af kuldioxid ved at inkorporere det i en energilagringsenhed?" hun siger.

I en nylig undersøgelse, Gallant behandlede først kuldioxid i en flydende aminopløsning. Dette foranledigede en reaktion, der skabte en ny ionholdig væskefase, som tilfældigvis også kunne bruges som elektrolyt. Elektrolytten blev derefter brugt til at samle et batteri sammen med lithiummetal og kulstof. Ved at aflade elektrolytten, kuldioxiden kunne omdannes til et fast carbonat, mens det leverede en udgangseffekt på omkring tre volt.

Da batteriet konstant aflades, det æder al kuldioxiden op og omdanner det konstant til et fast karbonat, der kan lagres, fjernet, eller endda ladet tilbage til den flydende elektrolyt til drift som et genopladeligt batteri. Denne proces har potentiale til at reducere drivhusgasemissioner og tilføje økonomisk værdi ved at skabe et nyt brugbart produkt.

The next step for Gallant is taking the understandings of these reactions and actually designing a system that can be used in industry to capture and convert greenhouse gases.

"Engineers in this field have the know-how to design more efficient devices that either capture or convert greenhouse gas emissions before they get released into the environment, " she adds. "We started by building the chemical and electrochemical technology first, but we're really looking forward to pivoting next to the larger scale and seeing how to engineer these reactions into a practical device."

Closing the carbon cycle

Designing systems that capture carbon dioxide and convert it back to something useful has been a driving force in Ahmed Ghoniem's research over the past 15 years. "I have spent my entire career on the environmental impact of energy and power production, " says Ghoniem, the Ronald C. Crane Professor of Mechanical Engineering.

I 1980'erne og 1990'erne, the most pressing issue for researchers working in this sphere was creating technologies that minimized the emission of criteria pollutants like nitric oxides. These pollutants produced ozone, particular matter, og smog. Ghoniem worked on new combustion systems that significantly reduced the emission of these pollutants.

Since the turn of the 21st century, his focus shifted from criteria pollutants, which were successfully curbed, to carbon dioxide emissions. The quickest solution would be to stop using fossil fuels. But Ghoniem acknowledges with 80 percent of energy production worldwide coming from fossil fuels, that's not an option:"The big problem really is, how do we continue using fossil fuels without releasing so much carbon dioxide in the environment?"

I de seneste år, he has worked on methods for capturing carbon dioxide from power plants for underground storage, and more recently for recycling some of the captured carbon dioxide into useful products, like fuels and chemicals. The end goal is to develop systems that efficiently and economically remove carbon dioxide from fossil fuel combustion while producing power.

"My idea is to close the carbon cycle so you can convert carbon dioxide emitted during power production back into fuel and chemicals, " he explains. Solar and other carbon-free energy sources would power the reuse process, making it a closed loop system with no net emissions.

In the first step, Ghoniem's system separates oxygen from air, so fuel can burn in pure oxygen—a process known as oxy-combustion. When this is done, the plant emits pure carbon dioxide that can be captured for storage or reuse. At gøre dette, Ghoniem says, "We've developed ceramic membranes, chemical looping reactors, and catalysts technology, that allow us to do this efficiently."

Using alternative sources of heat, such as solar energy, the reactor temperature is raised to just shy of 1, 000 C to drive the separation of oxygen. The membranes Ghoniem's group are developing allow pure oxygen to pass through. The source of this oxygen is air in oxy-combustion applications. When recycled carbon dioxide is used instead of air, the process reduces carbon dioxide to carbon monoxide that can be used as fuel or to create new hydrocarbon fuels or chemicals, like ethanol which is mixed gasoline to fuel cars. Ghoniem's team also found that if water is used instead of air, it is reduced to hydrogen, another clean fuel.

The next step for Ghoniem's team is scaling up the membrane reactors they've developed from something that is successful in the lab, to something that could be used in industry.

Manufacturing, human behavior, and the so-called "re-bound" effect

While Henry, Gallant, Ghoniem, and a number of other MIT researchers are developing capture and reuse technologies to minimize greenhouse gas emissions, Professor Timothy Gutowski is approaching climate change from a completely different angle:the economics of manufacturing.

Gutowski understands manufacturing. He has worked on both the industry and academic side of manufacturing, was the director of MIT's Laboratory for Manufacturing and Productivity for a decade, and currently leads the Environmentally Benign Manufacturing research group at MIT. His primary research focus is assessing the environmental impact of manufacturing.

"If you analyze the global manufacturing sector, you see that the making of materials is globally bigger than making products in terms of energy usage and total carbon emitted, " Gutowski says.

As economies grow, the need for material increases, further contributing to greenhouse gas emissions. To assess the carbon footprint of a product from material production through to disposal, engineers have turned to life-cycle assessments (LCA). These LCAs suggest ways to boost efficiency and decrease environmental impact. Men, according to Gutowski, the approach many engineers take in assessing a product's life-cycle is flawed.

"Many LCAs ignore real human behavior and the economics associated with increased efficiency, " Gutowski says.

For eksempel, LED light bulbs save a tremendous amount of energy and money compared to incandescent light bulbs. Rather than use these savings to conserve energy, many use these savings as a rationale to increase the number of light bulbs they use. Sports stadiums in particular capitalize on the cost savings offered by LED light bulbs to wrap entire fields in LED screens. I økonomi, this phenomenon is known as the "rebound effect."

"When you improve efficiency, the engineer may imagine that the device will be used in the exact same way as before and resources will be conserved, " explains Gutowski. But this increase in efficiency often results in an increase in production.

Another example of the rebound effect can be found in airplanes. Using composite materials to build aircrafts instead of using heavier aluminum can make airplanes lighter, thereby saving fuel. Rather than utilize this potential savings in fuel economy to minimize the impact on the environment, imidlertid, companies have many other options. They can use this potential weight savings to add other features to the airplane. These could include, increasing the number of seats, adding entertainment equipment, or carrying more fuel to increase the length of the journey. Til sidst, there are cases were the composites airplane actually weighs more than the original aluminum airplane.

"Companies often don't think 'I'm going to save fuel'; they think about ways they can economically take advantage of increased efficiency, " Gutowski.

Gutowski is working across disciplines and fields to develop a better understanding of how engineers can improve life cycle assessment by taking economics and human behavior into account.

"The goal is to implement policies so engineers can continue to make improvements in efficiency, but these improvements actually result in a benefit to society and reduce greenhouse gas emissions, " forklarer han.

Et globalt problem

The diversity of approaches to tackling climate change is reflective of the size of the problem. No one technology is going to act as a panacea for minimizing greenhouse gas emissions and staying below the crucial 1.5 C global temperature increase threshold outlined by the U.N.

"Remember, global warming is a global problem, " says Ghoniem. "No one country can solve it by itself, we must do it together."

I september 2019, the U.N. Climate Summit will convene and challenge nations across the world to throw their political and economic weight behind solving climate change. I mindre skala, MIT is doing its part to minimize its environmental impact.

Sidste forår, Gutowski and Julie Newman, director of sustainability at MIT, co-taught a new class entitled 2.S999 (Solving for Carbon Neutrality at MIT). Teams of students proposed realistic scenarios for how MIT can achieve carbon neutrality. "The students were doing real work on finding ways MIT can keep our carbon down, " recalls Gutowski.

Whether it's a team of students in class 2.S999 or the upcoming U.N. Climate Summit, finding ways to minimize greenhouse gas emissions and curtail climate change is a global responsibility.

"Unless we all agree to work on it, invest resources to develop and scale solutions, and collectively implement these solutions, we will have to live with the negative consequences, " Ghoniem says.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.