Billigere kulstofopsamling er på vej

Som en del af en maratonforskningsindsats for at sænke omkostningerne ved kulstofopsamling, kemikere har nu demonstreret en metode til beslaglæggelse af kuldioxid (CO ₂ ), der reducerer omkostningerne med 19 procent i forhold til den nuværende kommercielle teknologi. Den nye teknologi kræver 17 procent mindre energi for at udføre den samme opgave som dens kommercielle modparter, overgår barrierer, der har holdt andre former for kulstofopsamling fra udbredt industriel brug. Og det kan let anvendes i eksisterende capture -systemer.

I en undersøgelse offentliggjort i marts 2021 -udgaven af International Journal of Greenhouse Gas Control , forskere fra U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory - sammen med samarbejdspartnere fra Fluor Corp. og Electric Power Research Institute - beskriver egenskaberne ved opløsningsmidlet, kendt som EEMPA, der gør det muligt at omgå de energisk dyre krav, traditionelle opløsningsmidler stiller.

"EEMPA har nogle lovende kvaliteter, "sagde kemiingeniør Yuan Jiang, hovedforfatter af undersøgelsen. "Det kan fange kuldioxid uden højt vandindhold, så det er vandmagert, og det er meget mindre tyktflydende end andre vandmagert opløsningsmidler. "

Metoder til kulfangst er forskellige. De spænder fra vandige aminer-de vandrige opløsningsmidler, der løber gennem nutidens kommercielt tilgængelige indfangningsenheder, som Jiang brugte som en industriel sammenligning-til energieffektive membraner, der filtrerer CO ₂ fra røggas fra kraftværker.

Nuværende atmosfærisk CO ₂ niveauer er steget højere i de seneste år end på noget tidspunkt inden for de sidste 800, 000 år, som en ny rekordhøjde på 409,8 dele pr. million blev slået i 2019. CO ₂ frigives primært gennem menneskelige aktiviteter som forbrænding af fossilt brændstof, og nutidens atmosfæriske koncentrationer overstiger førindustrielle niveauer med 47 procent.

For en pris på $ 400-$ 500 millioner pr. Enhed, kommerciel teknologi kan fange kulstof til omkring $ 58,30 pr. ton CO ₂ , ifølge en DOE -analyse. EEMPA, ifølge Jiangs undersøgelse, kan optage CO ₂ fra røggas fra kraftværket og senere frigive det som rent CO ₂ for så lidt som $ 47,10 pr. ton, tilbyder en ekstra teknologimulighed for kraftværksoperatører til at fange deres CO ₂ .

Jiangs undersøgelse beskrev syv processer, som kraftværker kan anvende ved brug af EEMPA, lige fra enkle opsætninger, der ligner dem, der blev beskrevet i 1930'ernes teknologi, til flertrins konfigurationer af større kompleksitet. Jiang modellerede energi- og materialeomkostningerne til at køre sådanne processer i et 550 megawatt kulkraftværk, at finde ud af, at hver metode samles i nærheden af ​​$ 47,10 pr. ton.

Løsning af et opløsningsmiddels problemer

Et af de første kendte patenter for opløsningsmiddelbaseret kulstofopsamlingsteknologi dukkede op i 1930, indgivet af Robert Bottoms.

"Jeg knægter dig ikke, "sagde den grønne kemiker David Heldebrant, medforfatter af det nye studie. "For enoghalvfems år siden, Bottoms brugte næsten samme procesdesign og kemi til at løse det, vi nu kender som et problem fra det 21. århundrede. "

Den kemiske proces til udvinding af CO ₂ fra forbrændingsgas forbliver stort set uændret:vandrige aminer blandes med røggas, optage CO ₂ og bliver senere fjernet for gassen, som derefter komprimeres og gemmes. Men vandige aminer har begrænsninger. Fordi de er vandrige, de skal koges ved høje temperaturer for at fjerne CO ₂ og derefter afkølet, før de kan genbruges, køreomkostninger opad.

”Vi ville slå det fra den anden side og spørge, hvorfor bruger vi ikke kemi fra det 21. århundrede til dette? "sagde Heldebrant. Så, i 2009, han og hans kolleger begyndte at designe vandmagert opløsningsmidler som et alternativ. De første få opløsningsmidler var for tyktflydende til at kunne bruges.

"'Se, '"huskede han branchepartnere, der sagde, "'dit opløsningsmiddel fryser og bliver til glas. Vi kan ikke arbejde med dette.' Så, vi sagde, OKAY. Udfordring accepteret."

I løbet af det næste årti, PNNL -teamet forfinede opløsningsmiddelets kemi med det eksplicitte formål at overvinde "viskositetsbarrieren". Nøglen, det viste sig, skulle bruge molekyler, der justerede sig på en måde, der fremmede intern hydrogenbinding, efterlader færre hydrogenatomer til at interagere med nabomolekyler.

Heldebrant gør en sammenligning med børn, der løber gennem en boldgrube:hvis to børn holder hinanden i hænderne, mens de passerer igennem, de bevæger sig langsomt. Men hvis de i stedet holder deres egne hænder, de passerer som to mindre, genstande i hurtigere bevægelse. Intern hydrogenbinding efterlader også færre hydrogenatomer at interagere med generelt, beslægtet med at fjerne bolde fra graven.

Drejning til plast

Hvor holdets opløsningsmiddel engang var tyktflydende som honning, den flød nu som vand fra kedlen. EEMPA er 99 procent mindre tyktflydende end PNNL's tidligere vandslanke formuleringer, nu næsten på niveau med kommercielle opløsningsmidler, tillader dem at blive brugt i eksisterende infrastruktur, som stort set er bygget af stål. Drejning til plast i stedet for stål, holdet fandt, kan reducere udstyrsomkostningerne yderligere.

Stål er dyrt at producere, dyrt at sende og har tendens til at korrodere over tid i kontakt med opløsningsmidler. På en tiendedel af vægten, udskiftning af plast med stål kan reducere de samlede omkostninger med yderligere $ 5 pr. ton, ifølge en undersøgelse ledet af Jiang i 2019.

Parring med plast giver en anden fordel for EEMPA, hvis reaktive overfladeareal forstærkes i plastsystemer. Fordi traditionelle vandige aminer ikke også kan "våd" plast (tænk på vandperler på teflon), denne fordel er unik for det nye opløsningsmiddel.

PNNL -teamet planlægger at producere 4, 000 gallons EEMPA i 2022 for at analysere i en skala på 0,5 megawatt inde i testfaciliteter ved National Carbon Capture Center i Shelby County, Alabama, i et projekt ledet af Electric Power Research Institute i partnerskab med Research Triangle Institute International. De vil fortsætte med at teste i stigende skala og yderligere forfine opløsningsmiddelets kemi, med det formål at nå US Department of Energy's mål om at implementere kommercielt tilgængelig teknologi, der kan fange CO ₂ til en pris af $ 30 pr. ton i 2035.