Energia
Vaihtoehtoiset ratkaisut CO2:n talteenotolle
CO2:n talteenotto on ratkaisu globaalin lämpenemisen vahingoittavan vaikutuksen kääntämiseksi. On kuitenkin ristiriita ihmiskunnan ihanteellisen tavoitteen ja todellisen tilanteen välillä. Pariisin sopimus merkitsi globaalia sitoutumista pitää maapallon keskilämpötilan nousu alle 2 asteen pre-industriaalisen tason yläpuolella.
Vaikka pyrittiin rajoittamaan lämpeneminen 1,5 asteeseen siirtymällä pois fossiilisten polttoaineiden käytöstä, Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) mukaan hiilellä ja kaasulla toimivat voimalaitokset hallitsevat edelleen maailmanlaajuista sähköntuotantoa.
Itse asiassa, vaikka maailma on siirtymässä kohti uusiutuvia energialähteitä, fossiilisten polttoaineiden tuottama sähkö on kasvanut 70 % vuodesta 2000 lähtien. Hiili on edelleen suurin polttoaine sähköntuotannossa, 38 %, ja kaasu noin 20 %.
Maailmanlaajuiset päätöksentekijät pyrkivät ratkaisemaan olemassa olevien hiilivoimalaitosten ja niiden päästöjen ongelman. Kuitenkin, vaikka CO2-päästöt vähenevät, se ei takaa, että lämpöä sitovaa hiiltä ei ole enää ilmassa. IEA arvioi, että vaikka olemassa olevien hiilivoimalaitosten CO2-päästöt vähenisivät 40 %, vuosittaiset päästöt olisivat edelleen 6 GtCO2 vuonna 2040.
Tässä tilanteessa ilmastonmuutos-tavoitteiden saavuttaminen ei ole mahdollista ainoastaan päästöjen vähentämisen kautta. Vaihtoehtoisia ratkaisuja tarvitaan hiilen talteenotolle, jotta se voidaan hyödyntää ja varastoida suuressa mittakaavassa. Nämä ratkaisut on kuitenkin oltava holistisesti toteuttavissa, kustannustehokkaita ja pitkäaikaisesti kestäviä.
Tuoreessa tutkimuksessa, joka julkaistiin 1. toukokuuta ACS Energy Letters -julkaisussa, tutkijat CU Boulderissa ja yhteistyökumppaneineen osoittivat, että yksi suosittu lähestymistapa hiilen talteenotolle epäonnistuisi.
Tutkijaryhmä, johon kuului tutkijoita Kansallisesta uusiutuvan energian laboratoriosta Coloradossa ja Delftin teknillisen yliopiston tutkijoita Alankomaissa, ei kuitenkaan lopettanut siinä, vaan ehdottivat vaihtoehtoista ja kestävämpää ratkaisua hiilen talteenotolle ja sen muuttamiseksi polttoaineeksi.
Tulevissa osioissa tarkastelemme, mikä oli alkuperäinen ratkaisu, mitkä olivat sen virheet ja miten nämä virheet voidaan korjata vaihtoehtoisella ratkaisulla!
Alkuperäinen ratkaisu hiilen talteenotolle
Alkuperäisellä ratkaisulla tarkoitamme yhtä laajasti käytettyä ilman suoraan talteenottomenetelmää, jossa käytetään ilman kosketuslaite, joka on suuri tuuletin, joka imaisee ilman kammiolle, jossa on emäksinen neste. Koska CO2 on emäksisen luonteensa vuoksi, emäksinen neste sitoutuu siihen ja reagoi sen kanssa muodostaen karbonaatin tai bikarbonaatin.
Kun CO2 on sitoutunut karbonaattiin tai bikarbonaattiin, insinöörit voivat erottaa sen nesteestä ja muuttaa sen tuotteiksi, kuten muoveiksi, virvoitusjuomiksi jne. Jos nämä karbonaatti ja bikarbonaatti käyvät läpi lisäprosessoinnin, ne voivat toimia polttoaineena kotien ja mahdollisesti lentokoneiden voimanlähteenä. Toisaalta, emäksinen neste palaa kammiolle talteenottamaan enemmän CO2:ta.
Vaikka ratkaisu näyttää olevan täydellinen järjestely hiilen talteenotolle ja sen hyödyntämiselle, ongelma on…
Ongelma alkuperäisessä ratkaisussa
Ongelma liittyy siihen, miten karbonaatti tai bikarbonaatti erottuu nesteestä. Vangitun CO2:n vapauttaminen edellyttää, että yritykset lämmittävät karbonaatti- ja bikarbonaattiliuosta vähintään 900 °C:een (1652 °F). Tämä on lämpötila, jota uusiutuvat energialähteet kuten aurinko ja tuuli eivät voi saavuttaa. Tämän lämpötilan saavuttaminen edellyttää fossiilisten polttoaineiden, kuten maakaasun tai puhdasmetaanin, polttamista.
Puhuessaan tästä järjestelmän piilossa olevasta ongelmasta, Wilson Smith, kemian ja biologisen tekniikan professori ja uusiutuvan ja kestävän energian instituutin tutkija CU Boulderissa, totesi seuraavasti, mikä tiivistää ongelman:
“Jos meidän on vapautettava CO2 talteenottamaan CO2, se tekee tyhjäksi koko hiilen talteenoton tarkoituksen.”
Onneksi tutkijat menivät asioiden ydintä pidemmälle. He ehdottivat vaihtoehtoista ratkaisua, joka voisi korjata epäkohtan.
Vaihtoehtoinen ratkaisu alkuperäiseen ratkaisuun
Tutkijat ehdottivat reaktiivisen talteenoton prosessin käyttöä. He kuitenkin suosittelivat muokkaamaan reaktiivisen talteenoton perinteistä lähestymistapaa.
Reaktiivinen talteenotto on perinteisessä muodossaan prosessi, jossa sähköä käytetään karbonaatti- ja bikarbonaattiliuoksiin, jolloin CO2 ja emäksinen neste erottuvat toisistaan kammiossa. Tätä kutsutaan myös suljettuksi järjestelmäksi, joka voi talteenottaa enemmän CO2:ta kierrätetyssä nesteessä.
Tutkijat kuitenkin huomasivat, että teollisessa ympäristössä sähkö olisi riittämätön emäksisen nesteen uudelleenmuodostamiseen, jotta se voisi talteenottaa enemmän CO2:ta ilmasta. Se olisi niin tehokas prosessi, että viiden hiilen talteenotto- ja uudelleenmuodostuskierron jälkeen emäksinen neste ei enää kykenisi talteenottamaan CO2:ta ilmasta.
Tutkijat suosittelivat elektrodialyysin lisäämistä prosessiin ratkaisuna. Tämä menetelmä tarjoaa useita etuja. Ensinnäkin se voi toimia uusiutuvalla sähköllä. Lisäksi se voi jakaa enemmän vettä happamiin ja emäksisiin ioneihin, jolloin emäksisen nesteen kyky talteenottaa enemmän CO2:ta säilyy. Wilson Smith kuvasi tutkijaryhmän saavutusta “useiden ongelmien ratkaisemisena yhdellä teknologialla”, ja hänellä on oikeus sanoa näin!
Vaikka tutkijat innovoivat uusia ratkaisuja ja hienosäätävät olemassa olevia, yritykset ja yrityksillä on myös vastuu, ja monet yritykset ovat tehokkaita täyttämään tämän vastuun. Seuraavissa osioissa tarkastelemme joitakin yrityksiä, jotka ovat kehittäneet innovatiivisia ja tehokkaita ratkaisuja tässä alalla.
Klikkaa tästä tietääksesi, onko hiilen talteenotto valtameristä toteuttavissa.
#1. Graphyte
Graphyte esittää itsensä maailman ensimmäisenä ja ainoana hiilidioksidin poistomenetelmänä, joka on kestävä, edullinen ja skaalattavissa välittömästi. Kestävyydessä Graphyte väittää ratkaisujensa olevan kykeneviä poistamaan hiilidioksidia yli tuhannen vuoden ajan.
Edullisuuden suhteen yritys tarjoaa ratkaisujaan tasaisella tuotantokustannuksella alle 100 USD/tonni, ja skaalattavuudessa se väittää pystyvänsä skaalautumaan tasolle, jossa miljardien tonnien hiilen poisto on toteuttavissa.
Graphyten tarkka menetelmä noudattaa hiilen valun lähestymistapaa, joka hyödyntää helposti saatavissa olevaa biomassaa, kuten puun- ja maatalousjäämiä. Graphyte kuivaa ja pakkaa tämän biomassan tiiviiksi hiilieksi. Nämä blokit ovat ympäröity ympäristöystävällisellä esteettömällä esteellä, joka takaa turvallisen varastoinnin nykyaikaisissa maanalaisissa kohteissa.
Kun Graphyten menetelmää koskeva kysymys esitettiin, yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja Barclay Rogers totesi:
“Hiilen valu mahdollistaa luonnon tehokkaan työn hiilen sitouttamiseksi, ja sen jälkeen insinööritieteelliset menetelmät varastoivat sen ilmaston kannalta merkittävän ajan. Se on ratkaisu, jota voidaan tehdä missä tahansa, joka muuttaa markkinaa ja ennen kaikkea auttaa pelastamaan planeetan.”
Hiilen valu on prosessi, joka voi säilyttää lähes kaiken talteenotetun hiilen biomassassa, ja se kuluttaa vain vähän energiaa. Se on edullinen ja kestävä hiilen poistomenetelmä, joka yhdistää fotosynteesin käytännön insinööritieteellisiin menetelmiin.
Graphyten potentiaali on auttanut sitä saamaan sijoittajayhteisön luottamuksen. Se on suorittanut A-sarjan rahoituskierroksensa 30 miljoonan dollarin arvolta.
Vaikka yritykset sitoutuvat tavoitteisiinsa, oppiminen ja vaihto yritysten ja tutkimuslaitosten välillä on molemminpuolista. Lopullisessa osiossa tarkastelemme teknologista tutkimusta, joka voi muuttaa hiilen talteenoton tulevaisuutta tehokkaammaksi ja tehokkaammaksi.
Hiilen talteenoton tulevaisuus: Muodonmuutoskykyinen työkalu
Heinäkuussa 2024 tutkijaryhmä ehdotti holistista alustaa imeytyksen perusteella tapahtuvan hiilen talteenoton kiihdyttämiseksi. He nimesivät alustan PrISMa, joka tulee sanoista Process-Informed Design of tailor-made Sorbent Materials.
Alusta pyrki tekemään hiilen talteenottoteknologioiden laajamittaisen käytön hiilineffektiivisemmäksi. Se korosti kokoamista erillisten komponenttien ja niiden toteuttajien alle.
Kemistit olivat aiemmin keskittyneet materiaalien suunnitteluun ja insinöörit prosessien optimointiin, mutta PrISMa-alusta yhdisti materiaalit, prosessin suunnittelun, teknis-taloudellisen arvioinnin ja elinkaaren arvioinnin. Se vertaili yli 60 tapausta CO2:n talteenotosta eri lähteistä viidessä maailman alueella käyttäen eri teknologioita.
Se kertoi sitten eri sidosryhmille teknologioiden kustannusvaikuttavuudesta, prosessikonfiguraatioista ja sijainneista. Se paljasti myös parhaiden imeyttäjien molekyyliset ominaisuudet ja tarjosi toimintavinkkejä ympäristövaikutuksista, sivuhyödyistä ja vaihtoehdoista. Lopullinen tulos pyrki yhdistämään sidosryhmät jo varhaisessa tutkimusvaiheessa, kiihdyttämällä hiilen talteenottoteknologian kehittymistä kohti nolla-emissiomaailmaa.
PrISMan kehittäneet tutkijat, Berend Smit EPFL:stä ja Susana Garcia Heriot-Wattin yliopistosta, ovat hyvin optimistisia menetelmän käytännön soveltamismahdollisuuksista.
“Tämä innovatiivinen lähestymistapa kiihdyttää parhaiden materiaalien löytymistä hiilen talteenotolle, jättäen perinteiset koehenkilö- ja virhe-menettelyt taakse.”
PrISMa tarjoaa merkittävää potentiaalia tulevaisuudelle. Käyttämällä kokeellisia tietoja ja molekyylimallinnuksia, se voi ennustaa potentiaalisten imeyttäjäaineiden adsorptio-ominaisuuksia.
Se johtaa lopulta siihen, että kehittäjäyhteisö pystyy tekemään perusteltuja valintoja. PrISMan prosessikerroksen ominaisuudet mahdollistavat hiilen talteenottoratkaisujen suorituskyvyn mittaamisen ja vertailemisen, auttaen tutkijoita laskemaan prosessin suorituskykyparametreja, kuten puhdasuutta, palautusasteita ja energiavaatimuksia.
Yksi ratkaiseva parametri, joka määrittää tai rikkoo tieteellisen tai teknologisen ratkaisun, on sen taloudellinen toteuttavuus. PrISMa voi arvioida hiilen talteenottolaitoksen taloudellisen ja teknisen toteuttavuuden. Lopulta se voi arvioida ympäristövaikutukset koko elinkaaren ajan, varmistaen kattavan kestävyyden.
Kaiken kaikkiaan PrISMa on ei vain vallankumouksellinen vaan myös muodonmuutoskykyinen.
Aloimme keskustelumme laajasti hyväksytyn ratkaisun kanssa, joka osoittautui riittämättömäksi. Nyt, PrISMan ollessa tiedeyhteisön käytössä, on mahdollista kehittää ratkaisuja, jotka ovat ympäristötehokkaita, skaalattavissa ja kustannustehokkaita alusta alkaen.
Klikkaa tästä listaan huipputason hiilen talteenotto-osakkeisiin sijoittamiseen.
