Sykliske utslipp – Lage metan fra karbondioksid

En ny prosess som gjør det mulig for forskere å lage metan fra karbondioksid, kan revolusjonere markedet ved å la produsenter skape lukkede karbonløp. Prosessen bruker elektrokjemi og avanserte matematiske modeller for å direkte konvertere fanget CO₂ til nyttig metan. Her er det du trenger å vite.

Karbon dioksid er en skadelig klimagass som er en av hovedårsakene til global oppvarming og andre miljøproblemer. Forskere har kommet opp med mange metoder for å bekjempe effektene av CO2 på miljøet. Fra å redusere utslipp, fremme ren energi, og til og med å innføre karbonavgifter, har målet alltid vært å minske CO2s skadelige virkninger.

Karbonfangstsystemer

Konseptet med å fange karbon har blitt mer populært de siste fem årene. Disse systemene fjerner CO2 fra atmosfæren og lagrer den. Det finnes mange måter ingeniører har oppnådd denne oppgaven på. De fleste bruker en kjemisk reaksjon for å isolere CO2 fra andre gasser og deretter konvertere den til andre kjemikalier som har verdi.

Disse konseptene har vist seg å være vellykkede, men er fortsatt i sine tidlige stadier, med de fleste fortsatt dyre og uten skalerbarhet. For at denne teknologien skal bli virkelig innflytelsesrik, må den skaleres opp til industrielt nivå, slik at den kan gi de beste resultatene for samfunnet.

Flertrinnsprosess

En annen stor utfordring med de mest vanlige formene for karbonfangst i dag er at de kan kreve flere trinn. Hvert trinn kan ta tid og kreve svært spesifikke prosesser. I de fleste tilfeller er det første trinnet å fange og samle CO2. Deretter vil hvert system gjennomføre sin prosess for å fullføre konverteringen. Hver kjemisk reaksjon legger til tid, kompleksitet og totale kostnader.

Farlige kjemikalier

Mange av de mest populære karbonfangstalternativene på markedet i dag er avhengige av kjemiske reaksjoner. Disse systemene har skadelige biprodukter som demper fordelene noe. Farlige kjemikalier må lagres, transporteres og avhendes på en spesifikk måte, noe som øker den totale kostnaden per pund fanget karbon.

Studie av sykliske utslipp

En nylig studie publisert i Journal of the American Chemical Society med tittelen “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”¹ undersøker en ny metodikk som reduserer energikrav og kan være selvforsynt. Studien forklarer en metode som trygt konverterer CO2 til metan.

Kilde – Journal of the American Chemical Society

Dette utviklingen er et stort milepæl, ettersom karbondioksid er et av hovedbiproduktene ved forbrenning av metan. Forskere har lenge søkt å skape en lukket karbonkrets. Dette begrepet refererer til et system som kan utnytte sine biprodukter for å fortsette driften. Spesielt beskriver artikkelen hvordan de med suksess oppnådde karbamatkonvertering til metan.

I artikkelen ble CO2 fanget ved hjelp av en aminskrapeløsning. Karbamatet ble deretter ført gjennom en nikkelbasert katalysator, som hadde nikkelatomer arrangert i et spesifikt mønster basert på avanserte matematiske modeller.

Test av sykliske utslipp

For å teste om konverteringen var fullstendig, brukte ingeniørene en rekke avanserte forskningsverktøy, inkludert røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og elektronmikroskopi (EM). Disse enhetene viste at konverteringen ble fullført med suksess og at CO2 ble omdannet til metan.

Ingeniørene utnyttet beregninger basert på tetthetsfunksjonsteori (DFT) som en del av tilnærmingen. Disse modellene gjorde det mulig å bedre forutsi ved å kartlegge den optimale elektronfordelingen. I tillegg integrerte ingeniørene en beregningsmodell for hydrogenelektrode (CHE) for å beregne reaksjonsfrie energier. Den var også avgjørende for å fastslå de eksakte proton‑koblete elektronoverføringsstegene i hver reaksjon.

Resultater av sykliske utslipp

Resultatene viste at enkeltatom‑nikkel (Ni) spredt på gull (Au) produserte CH4 som hovedprodukt. Det viste at teamet lyktes i å konvertere CO2 til metan og spore hvert trinn i prosessen. Målet nå er å forbedre effektiviteten for å maksimere energiproduksjonen i hver lukket krets.

Fordeler med sykliske utslipp

Dette forskningsarbeidet gir flere fordeler til markedet. For det første forenkler den nye metoden fangst og konvertering av karbamat til et nyttig produkt, metan. Prosessen er rask og skaper ikke skadelige eller unyttige biprodukter. I tillegg krever den ikke enorme mengder elektrisitet.

Lavt energiforbruk

I følge forskerne gir denne nye metoden de laveste mulige energikravene for de som søker karbonfangst og -konvertering. De elektrokjemiske reaksjonene er effektive og mindre kostbare enn alternativer, og kan utføres på stedet.

Enkelttrinnsprosess

En annen fordel med denne nye karbonfangst‑ og konverteringsmetoden er at den kombinerer hvert trinn i én prosess. Unikt blir karbonet fanget og konvertert i ett trinn. Denne tilnærmingen reduserer kompleksitet, forbedrer stabilitet og gir mye større åpenhet.

Forskere

Tomaz Neves-Garcia ledet studien utført ved The Ohio State University. I tillegg er Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li og Hailiang Wang fra Yale University oppført som medforfattere av studien. Nå søker teamet å skalere prosessen sin for å betjene industrisektoren.

Selskaper som kan ha nytte av forskningen på sykliske utslipp

Flere selskaper kan forbedre bunnlinjen sin dersom de integrerer denne forskningen i sine forretningsmodeller. Disse selskapene opererer allerede i karbonfangst‑ eller naturgassøkosystemet og har investert betydelig energi og innsats i å skape unike produkter for å betjene dette markedet.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) ble grunnlagt i Detroit, Michigan, i 1940 av en lokal entreprenør ved navn Leonard Parker Pool. På den tiden var selskapet fokusert på å produsere små generatorer for bruk under andre verdenskrig. Etter krigens slutt forpliktet selskapet seg til å utvide sine tilbud og produkter.

De siste 80 årene har Air Products and Chemicals Inc. blitt en globalt anerkjent gassleverandør. Selskapet har en rik historie i USA og internasjonale markeder. Fokus på service og store bedriftskunder har hjulpet selskapet med å sikre massive avkastninger og utvide driften.

Air Products and Chemicals Inc. har mottatt en rekke utmerkelser på sin vei til å bli et av de mest populære alternativene for produsenter som søker metangass. I 2008 ble det oppført på Dow Jones Sustainability North America Index som en top‑presterende aksje.

I dag viser APD sterke år‑til‑dato‑gevinst på grunn av en kombinasjon av faktorer, inkludert fremskritt i prosessene, smart forretningsstyring og økt bruk av metan. Hvis APD kunne integrere denne teknologien i sin forretningsmodell, kunne de redusere produksjonskostnadene betydelig. For øyeblikket har APD en markedsverdi på $73,961 milliarder og viser positive gevinster for året.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

Delta CleanTech Inc., et kanadisk selskap som jobber med reduksjon av kjemisk påvirkning, gikk inn i markedet for å forbedre den nåværende karbonfangstteknologien. Selskapet fikk raskt oppmerksomhet på grunn av sine unike funksjoner og tjenester. Bedrifter kan utnytte Delta CleanTechs ekspertise for å redusere sine CO2‑ og andre skadelige utslipp.

Selskapet har flere innflytelsesrike produkter tilgjengelige i dag. For eksempel gjør Delta Reclaimer det mulig for selskaper å rense løsningsmidler. I tillegg tilbyr selskapet et produkt kalt MethanatorRX som trygt kan bryte ned metan til ufarlige produkter. Selskapet tilbyr også en CarbonRX‑tjeneste som gjør det mulig for bedrifter å maksimere bruken av sine karbonkreditter.

Andre karbonfangstsystemer som er verdt å kjenne til

Heldigvis er forskerne fra Ohio State bak studien om sykliske utslipp ikke alene i sin søken etter å redde miljøet ved å redusere CO2. Her er noen andre interessante metoder som har potensial til å redusere CO2‑utslipp betydelig fremover.

Elektrokjemisk reaktor

Et team av ingeniører ledet av RICE University introduserte verdens første romtemperatur direkte luftfangst‑enhet. Denne reaktoren kan fange karbon fra luften uten å etterlate noen biprodukter. På samme måte som OSU‑teamet, gjør deres elektrokjemiske prosess slutt på amine‑baserte sorber som natrium‑ og kaliumhydroksid.

Interessant nok ble biproduktet av denne prosessen funnet å være hydrogen, et annet svært nyttig kjemikalie som kan drive de samme prosessene. I tillegg forbedrer fjerning av varme og ekstra kjemikalier bærekraften i denne tilnærmingen og gjør den universelt anvendelig.

Fremtid

Fremtiden for karbonfangstteknologi er lysende. Disse systemene har fått søkelyset i kampen mot forurensning. Teamets unike tilnærming og evne til å lage metan fra CO2 er revolusjonerende på mange nivåer. For det første hjelper det forskere med å forstå fordelene og ulempene ved lukkede kretsløp og hvordan man kan forbedre disse områdene for å øke ytelsen.

Konklusjon av sykliske utslipp

Man må gi ros til OSU‑teamet bak denne forskningen. Forskere har drømt om å lukke karbonkretsen på en måte som kan vise seg gunstig for alle. Nå kan forurensningen din bli resirkulert tilbake til energi, og utslippssyklusen starter. Derfor kan du forvente økt fokus på å fange CO2, sammen med termiske reduksjonspolitiske tiltak og kampanjer.

Lær om andre spennende miljøprosjekter i dag.

Studierreferanse:

^{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}