Als onderdeel van een marathononderzoek om de kosten van koolstofafvang te verlagen, scheikundigen hebben nu een methode aangetoond om kooldioxide (CO ₂ ) die de kosten met 19 procent verlaagt in vergelijking met de huidige commerciële technologie. De nieuwe technologie vereist 17 procent minder energie om dezelfde taak uit te voeren als zijn commerciële tegenhangers, het overtreffen van barrières die andere vormen van koolstofafvang van wijdverbreid industrieel gebruik hebben weerhouden. En het kan eenvoudig worden toegepast in bestaande opvangsystemen.

In een studie gepubliceerd in de maart 2021-editie van International Journal of Greenhouse Gas Control , onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy - samen met medewerkers van Fluor Corp. en het Electric Power Research Institute - beschrijven eigenschappen van het oplosmiddel, bekend als EEMPA, waardoor het de energetisch dure eisen van traditionele oplosmiddelen kan omzeilen.

"EEMPA heeft enkele veelbelovende eigenschappen, " zei chemisch ingenieur Yuan Jiang, hoofdauteur van de studie. "Het kan koolstofdioxide opvangen zonder een hoog watergehalte, dus het is waterarm, en het is veel minder viskeus dan andere waterarme oplosmiddelen."

De methoden voor het afvangen van koolstof zijn divers. Ze variëren van waterige aminen - de waterrijke oplosmiddelen die door de tegenwoordig in de handel verkrijgbare afvangeenheden lopen, die Jiang gebruikte als industriële vergelijking - met energiezuinige membranen die CO . filteren ₂ uit rookgas dat wordt uitgestoten door elektriciteitscentrales.

Huidige atmosferische CO ₂ niveaus zijn de afgelopen jaren hoger gestegen dan op enig moment in de afgelopen 800, 000 jaar, aangezien in 2019 een nieuw record van 409,8 delen per miljoen werd bereikt. CO ₂ komt voornamelijk vrij door menselijke activiteiten zoals de verbranding van fossiele brandstoffen, en de huidige atmosferische concentraties overschrijden het pre-industriële niveau met 47 procent.

Tegen een kostprijs van $ 400- $ 500 miljoen per eenheid, commerciële technologie kan koolstof vastleggen voor ongeveer $ 58,30 per ton CO ₂ , volgens een DOE-analyse. EEMPA, volgens de studie van Jiang, kan CO . opnemen ₂ uit het rookgas van de elektriciteitscentrale en laat het later vrijkomen als zuivere CO ₂ voor slechts $ 47,10 per ton, biedt een extra technologie-optie voor operators van elektriciteitscentrales om hun CO . af te vangen ₂ .

Jiang's studie beschreef zeven processen die energiecentrales kunnen toepassen bij het gebruik van EEMPA, variërend van eenvoudige opstellingen vergelijkbaar met die beschreven in de technologie van de jaren dertig, tot meertrapsconfiguraties met een grotere complexiteit. Jiang modelleerde de energie- en materiaalkosten om dergelijke processen uit te voeren in een kolencentrale van 550 megawatt, vinden dat elke methode samenvloeit in de buurt van de $ 47,10 per metrische ton.

De problemen van een oplosmiddel oplossen

Een van de eerste bekende patenten voor op oplosmiddelen gebaseerde koolstofafvangtechnologie dook op in 1930, ingediend door Robert Bottoms.

"Ik hou je niet voor de gek, " zei groenchemicus David Heldebrant, co-auteur van de nieuwe studie. "Eenennegentig jaar geleden, Bottoms gebruikte bijna hetzelfde procesontwerp en dezelfde chemie om wat we nu kennen als een probleem van de 21e eeuw aan te pakken."

Het chemische proces voor het extraheren van CO ₂ uit naverbrandingsgas blijft grotendeels ongewijzigd:waterrijke amines vermengen zich met rookgas, CO . absorberen ₂ en worden later van het gas ontdaan, die vervolgens wordt gecomprimeerd en opgeslagen. Maar waterige aminen hebben beperkingen. Omdat ze waterrijk zijn, ze moeten op hoge temperaturen worden gekookt om CO . te verwijderen ₂ en vervolgens afgekoeld voordat ze opnieuw kunnen worden gebruikt, kosten opdrijven.

"We wilden het van de andere kant raken en vragen, waarom gebruiken we hiervoor geen scheikunde van de 21e eeuw?", zei Heldebrant. in 2009, hij en zijn collega's begonnen als alternatief waterarme oplosmiddelen te ontwerpen. De eerste paar oplosmiddelen waren te stroperig om bruikbaar te zijn.

"'Kijk, '" herinnerde hij zich dat partners uit de industrie zeiden:"'Je oplosmiddel bevriest en verandert in glas. We kunnen hier niet mee werken.' Dus, we zeiden, OKE. Uitdaging aanvaard."

In het volgende decennium zal het PNNL-team verfijnde de chemie van het oplosmiddel met het expliciete doel om de "viscositeitsbarrière" te overwinnen. De sleutel, het bleek, was om moleculen te gebruiken die op een manier waren uitgelijnd die interne waterstofbinding bevorderden, waardoor er minder waterstofatomen overblijven om te interageren met naburige moleculen.

Heldebrant maakt een vergelijking met kinderen die door een ballenbak rennen:als twee kinderen elkaars hand vasthouden tijdens het passeren, ze bewegen langzaam. Maar als ze in plaats daarvan hun eigen handen vasthouden, ze passeren als twee kleinere, sneller bewegende objecten. Interne waterstofbinding laat ook minder waterstofatomen over om in het algemeen mee te interageren, vergelijkbaar met het verwijderen van ballen uit de put.

Draaien naar plastic

Waar het oplosmiddel van het team ooit zo stroperig was als honing, het stroomde nu als water uit de ketel. EEMPA is 99 procent minder viskeus dan de vorige waterarme formuleringen van PNNL, nu bijna vergelijkbaar met commerciële oplosmiddelen, waardoor ze kunnen worden gebruikt in bestaande infrastructuur, die grotendeels van staal is gemaakt. Draaien naar kunststof in plaats van staal, het team vond, apparatuurkosten verder kunnen verlagen.

Staal is duur om te produceren, duur om te verzenden en heeft de neiging om na verloop van tijd te corroderen in contact met oplosmiddelen. Op een tiende van het gewicht, het vervangen van plastic door staal kan de totale kosten met nog eens $ 5 per ton doen dalen, volgens een onderzoek onder leiding van Jiang in 2019.

Koppelen met plastic biedt nog een voordeel voor EEMPA, waarvan het reactieve oppervlak wordt versterkt in kunststofsystemen. Omdat traditionele waterige amines plastic ook niet kunnen "bevochtigen" (denk aan waterparels op teflon), dit voordeel is uniek voor het nieuwe oplosmiddel.

Het PNNL-team is van plan om 4, 000 gallons EEMPA in 2022 om te analyseren op een schaal van 0,5 megawatt in testfaciliteiten in het National Carbon Capture Centre in Shelby County, Alabama, in een project geleid door het Electric Power Research Institute in samenwerking met Research Triangle Institute International. Ze zullen op steeds grotere schaal blijven testen en de chemie van het oplosmiddel verder verfijnen. met als doel het doel van het Amerikaanse ministerie van Energie te bereiken om commercieel beschikbare technologie in te zetten die CO . kan opvangen ₂ tegen 2035 tegen een kostprijs van $30 per ton.