Cyklelige emissioner – Skabelse af metan fra kuldioxid

En ny proces, der gør det muligt for forskere at skabe metan fra kuldioxid, kan revolutionere markedet og give producenter mulighed for at skabe lukkede kulstofsystemer. Processen bruger elektrokemi og avancerede matematiske modeller til direkte at omdanne opsamlet CO₂ til brugbar metan. Her er, hvad du behøver at vide.

Kulstofopsamlingssystemer

Konceptet med at opsamle kulstof er blevet mere populært i løbet af de sidste 5 år. Disse systemer fjerner CO2 fra atmosfæren og lagrer det. Der er mange måder, hvorpå ingeniører har opnået denne opgave. De fleste bruger en kemisk reaktion til at isolere CO2 fra andre gasser og derefter omdanne det til andre kemikalier, der har værdi.

Disse koncepter har vist sig at være succesfulde, men er stadig i deres spæde fase, hvor de fleste er dyre og mangler skalerbarhed. For at denne teknologi skal blive virkelig indflydelsesrig, skal den opskaleres til et industrielt niveau, så den kan levere de bedste resultater for samfundet.

Flertrinsproces

En anden stor udfordring ved de mest almindelige former for kulstofopsamling i dag er, at de kan kræve flere trin. Hvert trin kan tage tid og kræve meget specifikke processer. I de fleste tilfælde er det første trin at opsamle og indsamle CO2. Derfra vil hvert system udføre sin proces for at fuldføre konverteringen. Hver kemisk reaktion tilføjer tid, kompleksitet og samlede omkostninger.

Farlige kemikalier

Mange af de mest populære kulstofopsamlingsmuligheder på markedet i dag er afhængige af kemiske reaktioner. Disse systemer har skadelige biprodukter, der delvist udligner fordelene. Farlige kemikalier skal opbevares, transporteres og bortskaffes på en specifik måde, hvilket øger de samlede omkostninger pr. pund af opsamlet kulstof.

Cyclical Emissions Study

Et nyligt studie offentliggjort i Journal of the American Chemical Society med titlen “Integreret kuldioxidopsamling ved hjælp af aminer og konvertering til metan på enkeltatom-nikkel katalysatorer”¹ dykker ned i en ny metode, der reducerer energikravene og kan være selvforsynende. Studien forklarer en metode, der sikkert omdanner CO2 til metan.

Kilde – Journal of the American Chemical Society

Denne udvikling er en stor milepæl, da kuldioxid er et af de vigtigste biprodukter ved forbrænding af metan. Forskere har længe søgt at skabe en lukket kulstofsløjfe. Dette udtryk refererer til et system, der kan udnytte sine biprodukter til at fortsætte driften. Specifikt beskriver papiret, hvordan de med succes opnåede carbamatkonvertering til metan.

I papiret blev CO2 opsamlet ved hjælp af en aminskrubningsløsning. Carbamatet blev derefter ført gennem en nikkelbaseret katalysator, som indeholdt nikkelatomer arrangeret i et specifikt mønster baseret på avancerede matematiske modeller.

Cyclical Emissions Test

For at teste om konverteringen var fuldført, anvendte ingeniørerne en række avancerede forskningsværktøjer, herunder røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) og elektronmikroskopi (EM). Disse enheder viste, at konverteringen blev gennemført med succes, og at CO2 blev omdannet til metan.

Ingeniørerne udnyttede beregninger baseret på densitetsfunktionel teori (DFT) som en del af deres tilgang. Disse modeller gjorde det muligt for dem at forudsige bedre ved at kortlægge den optimale elektronfordeling. Derudover integrerede ingeniørerne en beregningsmodel for hydrogenelektrode (CHE) for at beregne reaktionsfri energier. Den var også afgørende for at bestemme de præcise proton‑koblede elektronoverførsels trin i hver reaktion.

Cyclical Emissions Results

Resultaterne viste, at den enkeltatom‑nikkel (Ni) spredt på guld (Au) skabte CH4 som hovedprodukt. Det viste, at holdet lykkedes med at omdanne CO2 til metan og spore hvert trin i processen. Målet nu er at forbedre effektiviteten for at maksimere energiproduktionen i hver lukket sløjfe.

Cyclical Emissions Benefits

Denne forskning bringer flere fordele til markedet. For det første forenkler den nye metode opsamlingen og konverteringen af carbamat til et nyttigt produkt, metan. Processen er hurtig og skaber ikke skadelige eller unyttige biprodukter. Derudover kræver den ikke store mængder elektricitet.

Lavt energiforbrug

Ifølge forskerne giver denne nye metode de lavest mulige energikrav for dem, der søger kulstofopsamling og -konvertering. De elektrokemiske reaktioner er effektive og billigere end alternativer og kan udføres på stedet.

Enkelttrinsproces

En anden fordel ved denne nye kulstofopsamlings‑ og konverteringsmetode er, at den kombinerer alle trin i én proces. På unik vis bliver kulstoffet opsamlet og konverteret i ét trin. Denne tilgang reducerer kompleksiteten, forbedrer stabiliteten og giver langt større gennemsigtighed.

Forskere

Tomaz Neves-Garcia ledede undersøgelsen udført ved The Ohio State University. Derudover er Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li og Hailiang Wang fra Yale University opført som medforfattere af studiet. Nu søger holdet at skalere deres proces for at betjene den industrielle sektor.

Virksomheder, der kan drage fordel af forskningen i cykliske emissioner

Flere virksomheder kunne forbedre deres bundlinje, hvis de integrerer denne forskning i deres forretningsmodeller. Disse virksomheder opererer allerede inden for kulstofopsamling eller naturgassystemet og har investeret betydelig energi og indsats i at skabe unikke produkter for at betjene dette marked.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) blev grundlagt i Detroit, Michigan i 1940 af en lokal iværksætter ved navn Leonard Parker Pool. På det tidspunkt fokuserede virksomheden på fremstilling af små generatorer til brug under 2. verdenskrig. Efter krigens afslutning forpligtede virksomheden sig til at udvide sit sortiment og sine produkter.

I løbet af de sidste 80 år er Air Products and Chemicals Inc. blevet en globalt anerkendt gasleverandør. Virksomheden har en levende historie på de amerikanske og internationale markeder. Dens fokus på service og store enterprise‑kunder har hjulpet virksomheden med at sikre massive afkast og udvide driften.

Air Products and Chemicals Inc. har modtaget adskillige anerkendelser på sin vej til at blive en af de mest populære muligheder for producenter, der søger metangas. I 2008 blev den noteret på Dow Jones Sustainability North America Index som en top‑performende aktie.

I dag viser APD stærke YTD‑gevinster på grund af en kombination af faktorer, herunder fremskridt i deres processer, smart forretningsstyring og stigende brug af metan. Hvis APD kunne integrere denne teknologi i deres forretningsmodel, kunne de reducere produktionsomkostningerne betydeligt. I øjeblikket har APD en markedsværdi på $73,961 mia og viser positive gevinster for året.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Det canadiske kemiske påvirkningsreducerende firma, Delta CleanTech Inc., gik ind på markedet med det formål at forbedre den nuværende kulstofopsamlingsteknologi. Virksomheden opnåede hurtigt anerkendelse på grund af sine unikke funktioner og tjenester. Virksomheder kan udnytte Delta CleanTechs ekspertise til at reducere deres CO2 og andre skadelige emissioner.

Virksomheden har flere effektfulde produkter tilgængelige i dag. For eksempel gør Delta Reclaimer det muligt for virksomheder at rense opløsningsmidler. Derudover tilbyder virksomheden i øjeblikket et produkt kaldet MethanatorRX, som sikkert kan nedbryde metan til harmløse produkter. Virksomheden tilbyder også en CarbonRX‑tjeneste, som gør det muligt for virksomheder at maksimere brugen af deres kulstofkreditter.

Andre kulstofopsamlingssystemer, der er værd at kende

Heldigvis er Ohio State-forskerne bag studiet af cykliske emissioner ikke alene i deres bestræbelser på at redde miljøet ved at reducere CO2. Her er nogle andre interessante metoder, der har potentiale til at reducere CO2‑emissioner betydeligt fremover.

Electrochemical Reactor

Et hold af ingeniører ledet af RICE University introducerede verdens første rumtemperatur direkte luftopsamlingsenhed. Denne reaktor kan direkte opsamle kulstof fra luften uden at efterlade biprodukter. Ligesom OSU‑holdet eliminerer deres elektrokemiske proces amine‑baserede sorbenter som natrium‑ og kaliumhydroxid.

Interessant nok blev biproduktet af denne proces fundet at være hydrogen, et andet meget nyttigt kemikalie, der kan drive de samme processer. Derudover forbedrer fjernelsen af varme og ekstra kemikalier bæredygtigheden af denne tilgang og gør den universelt anvendelig.

Fremtid

Fremtiden for kulstofopsamlingsteknologi er lysende. Disse systemer har fået fokus i kampen mod forurening. Holdets unikke tilgang og evne til at skabe metan fra CO2 er revolutionerende på mange niveauer. For det første hjælper det forskere med bedre at forstå fordelene og ulemperne ved lukkede sløjfesystemer og hvordan man kan forbedre disse områder for at øge ydeevnen.

Konklusion af cykliske emissioner

Man må give ros til OSU‑holdet bag denne forskning. Forskere har drømt om at lukke kulstofsløjfen på en måde, der kan vise sig at være gavnlig for alle. Nu kan din forurening genanvendes til energi, og emissionscyklussen begynder. Derfor kan du forvente, at der lægges mere vægt på at opsamle CO2, sammen med termiske reduktionspolitikker og kampagner.

Lær om andre spændende miljøprojekter i dag.

Studierreferencer:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Integreret kuldioxidopsamling ved hjælp af aminer og konvertering til metan på enkeltatom-nikkel katalysatorer. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}