Электростанции и другие промышленные объекты часто выбрасывают углекислый газ в атмосферу, как прохудившийся кран. Поскольку правительства во всем мире стремятся сократить и даже полностью устранить свои выбросы парниковых газов и достичь «чистого нуля» выбросов к середине века, они ищут технологии, которые могут помочь. Что, если бы мы могли каким-то образом всасывать весь этот углекислый газ, как гигантский пылесос?
Несколько компаний развернули технологии прямого улавливания воздуха именно для этого, отфильтровывая CO 2 из воздуха или из точечного источника, такого как электростанция. Но технологии, которые сейчас используются в коммерческих целях, сами по себе могут быть энергоемкими и дорогими в больших масштабах.
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) работают над новыми подходами к прямому захвату углекислого газа воздухом. Эндрю Хаддад, исследователь в области энергетических технологий лаборатории Беркли со степенью доктора философии. по неорганической химии, рассказывает о том, как концепция химии, получившая Нобелевскую премию более века назад, вдохновила его на идею эффективного улавливания CO 2 .
В. Как сейчас делается прямой захват воздуха и зачем его улучшать?
DAC обычно использует абсорбент в водном растворе для связывания CO 2 . Эти абсорбенты обычно представляют собой гидроксиды легких металлов. Происходит следующее: абсорбент — часто гидроксид калия — псевдоожижается в водном растворе, и когда CO 2 вступает с ним в контакт, он вступает в реакцию с ним и образует карбонаты калия. Это действительно замечательная реакция — она очень термодинамически благоприятна, вот почему люди ее используют.
Но самое сложное начинается тогда, когда вы хотите избавиться от CO 2 из этого материала, чтобы повторно использовать абсорбент (гидроксид калия) для последовательных циклов улавливания CO 2 . Поскольку он так хорошо реагирует с CO 2 , вам нужно вложить много энергии в этот продукт, чтобы разбить его на части, потому что он действительно хочет оставаться вместе. Он очень сильно связан.
Поэтому им нужно нагреть его до очень высоких температур — около 800 градусов по Цельсию — чтобы высвободить CO 2 . Это один из двух самых больших факторов, определяющих стоимость технологии такого типа. Другой большой фактор затрат заключается в том, что углекислый газ просто не любит находиться в воде. Он не имеет хорошей растворимости в воде. Таким образом, они должны сжимать воздух, чтобы он попадал в воду, чтобы произвести эту химию, а это требует энергии. Эти два компонента приводят к тому, что стоимость этой технологии достигает 600 долларов за тонну уловленного CO 2 . Министерство энергетики хотело бы снизить эту сумму примерно до 100 долларов за тонну.
В. Пожалуйста, объясните свой проект и то, как вы преодолеваете эти проблемы.
Наш подход состоит в том, чтобы сделать это в системах, которые не являются водой, а скорее в апротонных растворителях, что означает, что они не могут ни принимать, ни отдавать протоны. Одним из последствий использования этих типов растворителей является более высокая растворимость CO 2 . Например, растворимость СО 2 в ацетонитриле увеличивается почти в десять раз по сравнению с растворимостью в воде при комнатной температуре. Таким образом, отпадает необходимость в высоком давлении.
Еще одним преимуществом использования этих различных растворителей является то, что мы можем использовать гораздо более широкий класс поглотителей CO 2 , называемых нуклеофилами, и не только те, которые работают в воде, но и те, которые стабильны в этих апротонных системах. ( Нуклеофил — это химическое вещество, которое «атакует» или присоединяется к CO 2 .) В результате используются химические вещества, обладающие еще большим сродством к связыванию с CO 2 .
Третий недостаток заключается в том, что для десорбции CO 2 из связанного материала мы используем электрохимию. Вместо того, чтобы нагревать вещи до действительно высоких температур для высвобождения CO 2 , мы можем применить умеренный ток, который изменяет электронную среду нуклеофила для высвобождения CO 2 . Подобно тому, как батарея циклически заряжается и разряжается, мы можем заряжать и разряжать наши химические вещества, чтобы связывать CO 2 , а затем высвобождать его. В конечном счете, это устраняет необходимость в высоких колебаниях температуры и позволяет использовать механизм электроповорота, который может питаться от возобновляемых источников электроэнергии, таких как ветер и солнечная энергия.
В. Каковы проблемы, связанные с тем, чтобы заставить это работать?
Мы смотрим на готовые продукты, которые традиционно не тестировались для этого типа применения, но были более распространены в классической органической химии. Мы пытаемся найти оптимальное сочетание этих трех компонентов — растворителя , нуклеофила и электролита , которое увеличивает проводимость системы, чтобы мы могли заниматься электрохимией.
У нас есть много разных вариантов, и хотя здесь задействована некоторая интуиция, у безумия есть метод. Для скрининга химических веществ мы используем электрохимическую микрожидкостную ячейку , которая позволяет нам тестировать несколько комбинаций одновременно. На основании этого определяются наиболее перспективные комбинации для изготовления электродов, способных улавливать CO 2 . Сейчас главная проблема заключается в том, чтобы найти способы наилучшего изготовления и внедрения этих электродов, чтобы мы могли улавливать как можно больше CO 2 . В нашу команду также входит Самуэль Блау, химик-вычислитель из отдела хранения энергии и распределенных ресурсов Berkeley Lab, который проводит вычислительные расчеты, чтобы направлять наши эксперименты и выбирать материалы.
Также в команде есть Майкл Коннолли, который имеет опыт работы с наноструктурами и поможет нам настроить многочисленные ячейки для параллельной работы, опираясь на удивительные возможности в лаборатории молекулярной литейной лаборатории Беркли. Завершают команду Эрик Реале, научный сотрудник с докторской степенью, и Эмна Айди, аспирантка, работающая над магистерской диссертацией в нашей лаборатории.
В. Что вдохновило вас на этот конкретный подход и на ваш интерес к химии в целом?
Я достиг совершеннолетия, когда Барак Обама был президентом. Был большой толчок вокруг чистой энергии . В молодости казалось, что это будет очень важной частью будущего. И вот тогда я вдохновился. Мне всегда нравилась наука, и я чувствовал, что есть способ использовать химию для создания зеленых технологий. Я защитил докторскую диссертацию. на водородных топливных элементах, пытаясь сделать автомобили, работающие на воде.
Мне всегда очень нравилось думать о вещах из первых принципов, что, я думаю, отражено в этой системе, которую я пытаюсь разработать сейчас. Он основан на очень фундаментальном механизме, встречающемся в органической химии.
Существует обширная литература о том, как взять карбонильную группу (атом О и С с двойной связью) и превратить ее во что-то другое. Вот откуда я черпал вдохновение. Французский химик по имени Виктор Гриньяр получил Нобелевскую премию в 1912 году за этот тип химии, известный сегодня как реакция Гриньяра. Но до недавнего времени немногие задумывались об использовании этой стратегии для активации и улавливания CO 2 , хотя, безусловно, есть и другие исследовательские группы, которые также изучают этот путь DAC.
В. Каковы следующие шаги и сколько времени, по вашему мнению, это займет?
Мы смотрим на множество химических веществ, и первая цель — найти хорошую комбинацию этих трех компонентов, о которых я упоминал. Вторая цель — взять эти оптимизированные варианты и создать работающий прототип. На этом этапе будет проведено множество итераций испытаний в различных условиях эксплуатации и при различных концентрациях CO 2 для определения показателей производительности. Эти показатели производительности затем будут использоваться для проведения моделей технико-экономического анализа, которые сообщат нам об экономической жизнеспособности таких систем. В конечном счете, мы хотели бы протестировать этот подход в пилотном масштабе, но до этого еще далеко.
Говоря о более широком масштабе снижения выбросов углерода и отрицательных выбросов, на самом деле нет панацеи. Из программы исследований Национальной академии наук по технологиям отрицательных выбросов и надежному улавливанию (2019 г.) становится ясно, что сокращение чистых антропогенных выбросов, необходимое для достижения даже целевого показателя в 2 градуса Цельсия, будет трудно и дорого достичь даже при прогнозируемых технологических прорывов и, вероятно, будет охватывать множество различных стратегий. Инженерные решения, а также надлежащее управление земельными и лесными ресурсами для увеличения накопленного углерода будут необходимы для достижения будущих целей в области климата.