Κυκλικές Εκπομπές – Δημιουργία Μεθανίου από Διοξείδιο του Άνθρακα

Μια νέα διαδικασία που επιτρέπει στους επιστήμονες να δημιουργούν μεθάνιο από Διοξείδιο του Άνθρακα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην αγορά, επιτρέποντας στους κατασκευαστές να δημιουργούν κλειστού κύκλου συστήματα άνθρακα. Η διαδικασία χρησιμοποιεί ηλεκτροχημεία και προηγμένα μαθηματικά μοντέλα για να μετατρέπει άμεσα το συλληφθέν CO₂ σε χρήσιμο μεθάνιο. Αυτό που πρέπει να γνωρίζετε.

Συστήματα Συλλογής Άνθρακα

Η έννοια της σύλληψης του άνθρακα έχει γίνει πιο δημοφιλής τα τελευταία 5 χρόνια. Αυτά τα συστήματα αφαιρούν το CO2 από την ατμόσφαιρα και το αποθηκεύουν. Υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους οι μηχανικοί έχουν υλοποιήσει αυτήν την εργασία. Οι περισσότεροι χρησιμοποιούν κάποια χημική αντίδραση για να απομονώσουν το CO2 από άλλα αέρια και στη συνέχεια το μετατρέπουν σε άλλα χημικά που έχουν αξία.

Αυτές οι έννοιες έχουν αποδείξει την επιτυχία τους, αλλά βρίσκονται ακόμη στα αρχικά στάδια τους, με τα περισσότερα να παραμένουν ακριβά και να στερούνται κλιμακωσιμότητας. Για να γίνει αυτή η τεχνολογία πραγματικά επιδραστική, θα πρέπει να κλιμακωθεί σε βιομηχανικό επίπεδο, επιτρέποντάς της να προσφέρει τα καλύτερα αποτελέσματα για την κοινότητα.

Πολυβήμα Διαδικασία

Ένα ακόμη σημαντικό μειονέκτημα των πιο κοινών μορφών σύλληψης άνθρακα σήμερα είναι ότι απαιτούν πολλαπλά βήματα. Κάθε βήμα μπορεί να διαρκέσει χρόνο και να απαιτεί πολύ συγκεκριμένες διαδικασίες. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το πρώτο βήμα είναι η σύλληψη και συλλογή του CO2. Από εκεί, κάθε σύστημα θα εκτελέσει τη διαδικασία του για να ολοκληρώσει τη μετατροπή. Κάθε χημική αντίδραση προσθέτει χρόνο, πολυπλοκότητα και συνολικό κόστος.

Επικίνδυνα Χημικά

Πολλές από τις πιο δημοφιλείς επιλογές σύλληψης άνθρακα στην αγορά σήμερα βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις. Αυτά τα συστήματα έχουν επιβλαβή παραπροϊόντα που μειώνουν ελαφρώς τα οφέλη. Τα επικίνδυνα χημικά πρέπει να αποθηκεύονται, να μεταφέρονται και να απορρίπτονται με συγκεκριμένο τρόπο, προσθέτοντας στο συνολικό κόστος ανά λίβρα του συλληφθέντος άνθρακα.

Μελέτη Κυκλικών Εκπομπών

Μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Journal of the American Chemical Society με τίτλο “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”¹ ερευνά μια νέα μεθοδολογία που μειώνει τις ενεργειακές απαιτήσεις και θα μπορούσε να είναι αυτόνομη. Η μελέτη εξηγεί μια μέθοδο που μετατρέπει το CO2 σε μεθάνιο με ασφάλεια.

Πηγή – Journal of the American Chemical Society

Αυτή η εξέλιξη αποτελεί σημαντικό ορόσημο, καθώς το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα από τα κύρια παραπροϊόντα της καύσης του μεθανίου. Οι επιστήμονες έχουν επιδιώξει για πολύ καιρό να δημιουργήσουν έναν κλειστό κύκλο άνθρακα. Ο όρος αυτός αναφέρεται σε ένα σύστημα που μπορεί να αξιοποιήσει τα παραπροϊόντα του για να συνεχίσει τη λειτουργία. Συγκεκριμένα, το άρθρο περιγράφει πώς κατάφεραν με επιτυχία τη μετατροπή του καρβαμικού σε μεθάνιο.

Στο άρθρο, το CO2 συλλέχθηκε χρησιμοποιώντας μια λύση απορρόφησης αμινών. Το καρβαμάτο στη συνέχεια διοχετεύτηκε μέσω ενός καταλύτη βασισμένου σε νικέλιο, ο οποίος περιείχε άτομα νικελίου διατεταγμένα σε συγκεκριμένο μοτίβο βάσει προηγμένων μαθηματικών μοντέλων.

Δοκιμή Κυκλικών Εκπομπών

Για να ελέγξουν αν η μετατροπή ήταν πλήρης, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν μια ποικιλία προηγμένων ερευνητικών εργαλείων, συμπεριλαμβανομένης της φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων X-ray (XPS) και της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (EM). Αυτές οι συσκευές αποκάλυψαν ότι η μετατροπή ολοκληρώθηκε με επιτυχία και το CO2 μετατράπηκε σε Μεθάνιο.

Οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν υπολογισμούς θεωρίας πυκνότητας λειτουργίας (DFT) ως μέρος της προσέγγισής τους. Αυτά τα μοντέλα τους επέτρεψαν να προβλέπουν καλύτερα, χαρτογραφώντας τη βέλτιστη διάταξη και κατανομή των ηλεκτρονίων. Επιπλέον, οι μηχανικοί ενσωμάτωσαν ένα μοντέλο υπολογιστικού υδρογόνου ηλεκτροδίου (CHE) για να υπολογίσουν τις ελεύθερες ενέργειες των αντιδράσεων. Ήταν επίσης καθοριστικό για τον προσδιορισμό των ακριβών βημάτων μεταφοράς πρωτονίου-συζευγμένων ηλεκτρονίων που εμπλέκονται σε κάθε αντίδραση.

Αποτελέσματα Κυκλικών Εκπομπών

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το νικέλιο (Ni) μονοατομικό, διασκορπισμένο σε χρυσό (Au), δημιούργησε CH4 ως κύριο προϊόν. Αποδείχθηκε ότι η ομάδα πέτυχε τη μετατροπή του CO2 σε μεθάνιο και παρακολούθησε κάθε βήμα της διαδικασίας. Ο στόχος τώρα είναι η βελτίωση της αποδοτικότητας για τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής παραγωγής κάθε κλειστού κύκλου.

Οφέλη Κυκλικών Εκπομπών

Αυτή η έρευνα προσφέρει αρκετά οφέλη στην αγορά. Κατ’ αρχάς, η νέα μέθοδος απλοποιεί τη σύλληψη και μετατροπή του καρβαμάτου σε ένα χρήσιμο προϊόν, το Μεθάνιο. Η διαδικασία είναι γρήγορη και δεν δημιουργεί επιβλαβή ή άχρηστα παραπροϊόντα. Επιπλέον, δεν απαιτεί τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας.

Χαμηλή Ενέργεια

Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η νέα μέθοδος προσφέρει τις χαμηλότερες δυνατές ενεργειακές απαιτήσεις για όσους επιδιώκουν τη σύλληψη και μετατροπή του άνθρακα. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις είναι αποδοτικές και λιγότερο δαπανηρές από τις εναλλακτικές και μπορούν να διεξαχθούν επί τόπου.

Διαδικασία Μονού Βήματος

Ένα ακόμη όφελος αυτής της νέας μεθόδου σύλληψης και μετατροπής άνθρακα είναι ότι συνδυάζει όλα τα βήματα σε μία διαδικασία. Μοναδικά, ο άνθρακας συλλαμβάνεται και μετατρέπεται σε ένα βήμα. Αυτή η προσέγγιση μειώνει την πολυπλοκότητα, βελτιώνει τη σταθερότητα και προσφέρει πολύ μεγαλύτερη διαφάνεια.

Ερευνητές

Ο Tomaz Neves-Garcia ηγήθηκε της μελέτης που διεξήχθη στο The Ohio State University. Επιπλέον, οι Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li και Hailiang Wang από το Yale University αναφέρονται ως συν-συγγραφείς της μελέτης. Τώρα η ομάδα επιδιώκει να κλιμακώσει τη διαδικασία της ώστε να εξυπηρετήσει τον βιομηχανικό τομέα.

Εταιρείες που Θα Μπορούσαν να Ωφεληθούν από την Έρευνα Κυκλικών Εκπομπών

Πολλές εταιρείες θα μπορούσαν να βελτιώσουν το οικονομικό τους αποτέλεσμα αν ενσωματώσουν αυτήν την έρευνα στα επιχειρηματικά τους μοντέλα. Αυτές οι εταιρείες δραστηριοποιούνται ήδη στον τομέα της σύλληψης άνθρακα ή του φυσικού αερίου και έχουν επενδύσει σημαντική ενέργεια και πόρους στη δημιουργία μοναδικών προϊόντων για την εξυπηρέτηση αυτής της αγοράς.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Η Air Products and Chemicals Inc (APD ) ιδρύθηκε στο Detroit, Michigan, το 1940 από έναν τοπικό επιχειρηματία ονόματι Leonard Parker Pool. Εκείνη την εποχή, η εταιρεία επικεντρωνόταν στην κατασκευή μικρών γεννητριών για χρήση κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Μετά την ολοκλήρωση του πολέμου, η εταιρεία αποφάσισε να επεκτείνει τις προσφορές και τα προϊόντα της.

Κατά τα τελευταία 80 χρόνια, η Air Products and Chemicals Inc. έχει γίνει παγκοσμίως αναγνωρισμένος προμηθευτής αερίων. Η εταιρεία έχει μια ζωντανή ιστορία στις ΗΠΑ και στις διεθνείς αγορές. Η εστίασή της στην εξυπηρέτηση και στους μεγάλους επιχειρηματικούς πελάτες την έχει βοηθήσει να εξασφαλίσει τεράστιες αποδόσεις και να επεκτείνει τις δραστηριότητές της.

Η Air Products and Chemicals Inc. έλαβε πολυάριθμα βραβεία κατά τη διαδρομή της προς την κορυφαία επιλογή για κατασκευαστές που αναζητούν αέριο μεθάνιο. Το 2008, καταγράφηκε στον Δείκτη Βιωσιμότητας Dow Jones North America ως μετοχή κορυφαίας απόδοσης.

Σήμερα, η APD παρουσιάζει ισχυρές ετήσιες κερδισμένες αποδόσεις (YTD) λόγω συνδυασμού παραγόντων, όπως οι προόδους στις διαδικασίες της, η έξυπνη επιχειρηματική διαχείριση και η αύξηση της χρήσης του μεθανίου. Εάν η APD ενσωμάτωσε αυτήν την τεχνολογία στο επιχειρηματικό της μοντέλο, θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής. Προς το παρόν, η APD έχει κεφαλαιοποίηση αγοράς $73.961 δισεκατομμύρια και παρουσιάζει θετικές κερδισμένες αποδόσεις για το έτος.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Η Καναδική εταιρεία με στόχο τη μείωση των χημικών επιπτώσεων, Delta CleanTech Inc., εισήλθε στην αγορά με σκοπό τη βελτίωση της υπάρχουσας τεχνολογίας σύλληψης άνθρακα. Η εταιρεία κέρδισε γρήγορα φήμη λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών και υπηρεσιών της. Οι επιχειρήσεις μπορούν να αξιοποιήσουν την τεχνογνωσία της Delta CleanTech για να μειώσουν το CO2 και άλλα επιβλαβή εκπομπές.

Η εταιρεία διαθέτει αρκετά επιδραστικά προϊόντα σήμερα. Για παράδειγμα, το Delta Reclaimer επιτρέπει στις εταιρείες να καθαρίζουν διαλύτες. Επιπλέον, η εταιρεία προσφέρει ένα προϊόν με την ονομασία MethanatorRX που μπορεί με ασφάλεια να διασπά το μεθάνιο σε αβλαβή προϊόντα. Η εταιρεία προσφέρει επίσης την υπηρεσία CarbonRX που επιτρέπει στις επιχειρήσεις να μεγιστοποιήσουν τη χρήση των πιστώσεων άνθρακα τους.

Άλλα Συστήματα Συλλογής Άνθρακα που Αξίζει να Γνωρίζετε

Ευτυχώς, οι ερευνητές του Ohio State πίσω από τη μελέτη των κυκλικών εκπομπών δεν είναι μόνοι τους στην προσπάθεια να σώσουν το περιβάλλον μειώνοντας το CO2. Ακολουθούν μερικοί άλλοι ενδιαφέροντες τρόποι που έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν σημαντικά τις εκπομπές CO2 στο μέλλον.

Ηλεκτροχημικός Αντιδραστήρας

Μια ομάδα μηχανικών υπό την ηγεσία του RICE University παρουσίασε τη πρώτη στον κόσμο συσκευή άμεσης σύλληψης αέρα σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτός ο αντιδραστήρας μπορεί να συλλάβει άμεσα τον άνθρακα από τον αέρα χωρίς να αφήνει παραπροϊόντα. Όπως η ομάδα του OSU, η ηλεκτροχημική τους διαδικασία εξαλείφει τις αμινικές σορμπέτες όπως το νάτριο και το κάλιο υδροξείδιο.

Ενδιαφέρον είναι ότι το παραπροϊόν αυτής της διαδικασίας είναι υδρογόνο, ένα ακόμη πολύ χρήσιμο χημικό που μπορεί να τροφοδοτήσει τις ίδιες διαδικασίες. Επιπλέον, η εξάλειψη της θερμότητας και των επιπλέον χημικών βελτιώνει τη βιωσιμότητα αυτής της προσέγγισης και την καθιστά καθολικά εφαρμόσιμη.

Μέλλον

Το μέλλον της τεχνολογίας σύλληψης άνθρακα είναι λαμπρό. Αυτά τα συστήματα έχουν κερδίσει το φως της σκηνής στον αγώνα κατά της ρύπανσης. Η μοναδική προσέγγιση της ομάδας και η ικανότητά της να δημιουργεί μεθάνιο από CO2 είναι επαναστατική σε πολλά επίπεδα. Κατ’ αρχάς, βοηθά τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα οφέλη και τα μειονεκτήματα των κλειστών κυκλικών συστημάτων και πώς να βελτιώσουν αυτούς τους τομείς για να ενισχύσουν την απόδοση.

Συμπέρασμα Κυκλικών Εκπομπών

Πρέπει να δώσουμε τα εύσημα στην ομάδα του OSU πίσω από αυτήν την έρευνα. Οι επιστήμονες ονειρεύονταν να κλείσουν τον κύκλο του άνθρακα με τρόπο που θα μπορούσε να αποδειχθεί ωφέλιμος για όλους. Τώρα, η ρύπανσή σας μπορεί να ανακυκλωθεί ξανά σε ενέργεια, και ο κύκλος των εκπομπών αρχίζει. Συνεπώς, μπορείτε να αναμένετε μεγαλύτερη εστίαση στη σύλληψη του CO2, μαζί με πολιτικές και εκστρατείες θερμικής μείωσης.

Μάθετε για άλλα ενδιαφέροντα περιβαλλοντικά έργα σήμερα.

Αναφορά Μελέτης:

^{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). Integrated carbon dioxide capture by amines and conversion to methane on single-atom nickel catalysts. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}