Углекислый газ можно переработать в электричество и водородное топливо
Если мы хотим избежать прогнозируемый уже в этом столетии рост мировой температуры более чем на 1,5 градуса Цельсия, недостаточно просто сократить выбросы углекислого газа — нам необходимо также приложить все усилия для того, чтобы сократить уже имеющийся запас углекислого газа в атмосфере. Вдохновленные ролью океана в качестве эффективного естественного поглотителя углерода, ученые из южнокорейского Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) в сотрудничестве со специалистами из Технологического института Джорджии (США) разработали новую систему фильтрации, которая поглощает CO2 и производит из него электричество и пригодное для использование водородное топливо.
Новая установка Hybrid Na-CO2 System по сути представляет собой большую жидкую батарею. Система состоит из анода из металлического натрия, который помещается в органический электролит, и катода, помещенного в специальный водный раствор. Обе жидкости разделены натриевой мембраной Super Ionic Conductor (NASICON).
Когда в водный раствор подается запас CO2, он входит в реакцию с катодом, в результате чего раствор в резервуаре окисляется, что в свою очередь приводит к генерации электричества и производству водорода. Ученые отмечают, что в ходе испытаний эффективность преобразования CO2 в полезные продукты составила 50 процентов, а сама система оказалась достаточно стабильной и проработала более 1000 часов в полной нагрузке без каких-либо повреждений электродов. В отличии от других систем переработки, говорят разработчики, их установка при работе не производит никаких вредных выбросов. Оставшийся в резервуаре CO2 оседает и извлекается из электролита в виде старой пищевой соды.
«Технологии захвата, использования и хранения углерода в последнее время привлекают к себе повышенное внимание, поскольку обладают потенциалом, способным помочь нам справиться с глобальным потеплением. Ключом к данным технологиям является простое преобразование химически стабильных молекул CO2 в другие материалы. Наша новая система полагается на механизм растворения CO2», — комментирует профессор Ганта Ким, ведущий автор исследования, результаты которого были опубликованы в журнале iScience.
Разработанная инженерами и учеными установка Hybrid Na-CO2 System – не единственный концепт системы для сбора, хранения и переболтки углекислого газа, однако пока не совсем понятно, смогут ли этих технологии стать достаточно практичными в больших масштабах, чтобы оказать значительное влияние на объемы содержания CO2 в атмосфере. Например, технология прямого захвата диоксида углерода, разработанная компанией Climeworks, выглядит на данный момент одной из самых многообещающих. Но если учесть, что за год она способна переработать лишь 150 тонн CO2 при ежегодных выбросах в атмосферу в объеме 40 миллиардов тонн, то выглядит это все как попытка вычерпать воду из тонущего корабля обычной кружкой.
И все же разработчики Hybrid Na-CO2 System отмечают, что в их системе имеется простор для улучшения любой составляющей. А «вишенкой на торте» служит возможность производства электричества и водородного топлива, которое можно будет использовать, например, в водородном транспорте.
Обсудить разработку южнокорейских и американских ученых можно в нашем Telegram-чате.
Переработка углекислого газа
Дата публикации: 19.05.2018 2018-05-19
Статья просмотрена: 1443 раза
Библиографическое описание:
Тумина, Т. С. Переработка углекислого газа / Т. С. Тумина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 20 (206). — С. 117-119. — URL: https://moluch.ru/archive/206/50464/ (дата обращения: 06.11.2021).
Углекислый газ является основным источником парникового эффекта, вызывающий глобальное потепление и изменение климата. В связи с этим, во избежание более опасных последствий, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) и Конференция Организации Объединенных Наций по изменению климата подчеркнули необходимость сокращения выбросов CO2 по меньшей мере на половину от текущего значения к 2050 году, стремясь ограничить глобальное увеличение средней температуры до максимума 2 ° C. Углекислый газ выбрасывается главным образом от электростанций (например, на основе угля) и транспортных средств, а также другие промышленные источники способствуют увеличению выбросов CO2 в атмосферу, такие как котлы или цементные и сталелитейные заводы. Растущее население мира, повышение благосостояния, изменение пищевых привычек увеличение числа животноводческих ферм, также повышает выбросы CO2. В целях сокращения выбросов CO2 в ряде стран был предложен налог на выбросы углерода в качестве стратегии, позволяющей сбалансировать дополнительные затраты на сокращение выбросов углерода с дополнительными выгодами для ограничения ущерба из-за изменения климата, вызывающего дополнительные расходы для промышленности.
В течение последних десятилетий было разработано несколько стратегий и технологий [1,2], касающихся улавливания и хранения двуокиси углерода, и к 2020 году ожидается, что число проектов, касающихся этой темы, удвоится, даже если в настоящее время работает мало крупных хранилищ углекислого газа. С другой стороны, в последние годы научное сообщество начало рассматривать CO2 не как дорогостоящие отходы (особенно в странах, где применяются налоги на выбросы углерода), а главным образом в качестве потенциального источника углерода, альтернативного ископаемым. Поэтому будущие перспективы сокращения выбросов углекислого газа будут касаться не только разработки более эффективных технологий хранения углекислого газа, но и разработки новых стратегий переработки CO2 в энергетическом направлении и химическом — промежуточные продукты. В этой связи преобразование СО2 в диметиловый эфир (ДМЭ) получило повышенное внимание, поскольку ДМЭ можно использовать в качестве промежуточного продукта для производства нескольких продуктов повышенной стоимостью (бензин, ароматические соединения и олефин) или в качестве альтернативного топлива, как описано ниже.
После этого, ДМЭ получают через дегидратацию спирта:
Общей реакцией образования ДМЭ является:
Как показывает стехиометрия, необходимо шесть молей водорода на моль диметилового эфира, и нет возможности для производства диметилового эфира (или даже метанола) посредством гидрирования CO2, поскольку водород обычно получают из ископаемых углеводородов (главным образом из природного газа или легких углеводородов). Поэтому оптимальным вариантом является только если водород образуется из возобновляемых источников; в частности, если водород непосредственно производится с использованием возобновляемых источников энергии, гидрирование диоксида углерода станет ценной стратегией использования возобновляемых источников энергии как в химической промышленности, так и в производстве электроэнергии. Водород можно получать из возобновляемых источников несколькими способами. Нынешний подход заключается в производстве электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии) и использовании этой энергии для электролиза воды с использованием топливных элементов. Были также исследованы другие подходы к производству водорода: водород из цианобактерий или водорослей, термохимический процесс биомассы или анаэробная ферментация, а также расщепление воды посредством фотоэлектролиза. Хотя производство водорода из возобновляемых источников энергии остается открытой задачей, углеродный цикл, основанный на гидрировании CO2, можно определить пятью этапами [4]:
а) производство водорода путем расщепления воды с использованием возобновляемых источников энергии (например, солнечной энергии);
b) улавливание и безопасное хранение CO2 от выбросов электростанций или даже из атмосферы;
c) гидрирование улавливаемого СО2 для получения метанола и / или ДМЭ (предпочтительно ДМЭ в следствии малой токсичности);
d) использование ДМЭ для производства энергии или как промежуточное звено в химической промышленности;
(e) повторное использование диоксида углерода при экологически чистом сжигании ДМЭ для повторного производства.
Следуя этой стратегии и увеличивая исследования по перечисленным шагам, можно будет создать эффективную производственную систему, основанную на CO2, как для химических веществ, так и для производства энергии, снижая зависимость от ископаемых источников, а также снижая количество выбросов углекислого газа в атмосферу. Среди задач, которые все еще открыты, несмотря на то, что в последние годы было выполнено много работ, разработка высокоэффективного катализатора для гидрирования СО2 все еще является основной задачей. Так как образование ДМЭ путем гидрирования CO2 включает в себя две стадии реакции (образование метанола и дегидратацию), поэтому катализатор должен проявлять окислительно-восстановительную функцию, способную гидрировать CO2 до спирта и кислотную функцию, способную превращать спирт в эфир. Было предложено несколько способов для создания катализатора, способного производить ДМЭ посредством гидрирования СО2 в одну стадию, с хорошими характеристиками с точки зрения конверсии СО2, селективности и стабильности ДМЭ. Недавно Альваресом и др. были обсуждены [5] некоторые каталитические аспекты, касающиеся процесса процесса СО2 — диметиловой эфир, которые показали, что для достижения высокой каталитической активности необходимы дальнейшие достижения в исследованиях. Фактически, несмотря на то, что, как ожидается, катализатор на основе меди останется наиболее эффективным катализатором для стадии реакции CO2-метанол, некоторые аспекты, касающиеся бифункционального катализатора, такие как: (1) выбор кислотной функции, (2) метод, используемый для подготовка гибридного катализатора, (3) спекание частиц меди и (4) дезактивация катализатора, остаются основными открытыми проблемами с точки зрения оптимизации процесса.
Синтетическое топливо из атмосферы: экостартап Carbon Engineering придумал, как бороться с глобальным потеплением
Нужно удалить углерод прямо из атмосферы, чтобы потом его утилизировать или переработать. Новая технология поможет в борьбе с глобальным потеплением, и в неё уже вкладываются нефтяные компании.
Подробно об этом рассказывает The New York Times, а перевела этот материал для вас редакция DTI Algorithmic.
Вентилятор помогает ощутить прохладу в жаркий день. Может ли он сдержать глобальное потепление?
Крупные мировые компании, которые занимаются ископаемым топливом, готовы это проверить: Chevron, Occidental Petroleum и австралийский горнодобывающий гигант BHP в этом году инвестировали в Carbon Engineering.
Канадский стартап утверждает, что практически нашёл решение проблемы глобального потепления. Прорыв — в удалении углерода прямо из атмосферы.
В рамках эксперимента в Сквамише, старом лесопромышленном городке примерно в 30 милях к северу от Ванкувера, компания использует огромный вентилятор для захвата большого количества воздуха в аппарат, предназначенный для извлечения углекислого газа. Затем газ может быть захоронен или переработан в полностью сгораемое, хотя и достаточно дорогое, синтетическое топливо.
Инвестициями в Carbon Engineering и поддержкой других инициатив по сокращению выбросов углерода занимаются компании, которые работают на ископаемом топливе. Им это необходимо, чтобы оставаться в тренде и с прибылью, несмотря на глобальное потепление.
Электромобили, солнечная энергия и энергия ветра становятся всё более доступными, а это заставляет топ-менеджеров признавать, что продолжать работать по-старому — значит ставить компанию под угрозу разорения.
Уже сейчас компании, работающие на ископаемом топливе, сталкиваются со шквалом судебных исков, контролем от инвесторов и законами, подталкивающими их к инвестициям в экологически чистую энергетику.
Инициативные группы оказывают давление на компании и законодательные органы власти. Они требуют прекращения добычи нефти и газа методом гидравлического разрыва пласта и ведут активную борьбу с трубопроводами, с помощью которых транспортируют сырьё из нефтеносных песков Канады.
Речь идёт о признании факта, что изменение климата создаёт значительные риски для всех секторов экономики. Изменение климата больше не рассматривается как второстепенная проблема. Это риск для бизнеса, который требует реакции.
Конечно, крупные энергетические компании продолжают добычу нефти и газа, подталкивая правительства США и других стран открывать всё больше новых территорий для разведки.
Однако некоторые компании уже сигнализируют об изменениях. Так, несколько компаний, в том числе Royal Dutch Shell и BP, принимают меры по сокращению выбросов. Норвежская нефтяная компания Equinor планирует к 2030 году увеличить расходы на экологически чистую энергетику с текущих 5% капиталовложений до 15–20%.
Пилотный проект компании Carbon Engineering — один из нескольких существующих в мире проектов по «прямому захвату углерода». Это всё ещё небольшая инициатива, но она может сыграть немаловажную роль в замедлении изменений климата.
Большая часть работ проводится на старом промышленном складе из гофрированного металла, украшенного выцветшими граффити. Когда-то сооружение использовалось компанией, которая производила химикаты для целлюлозной промышленности.
Офис — чистая импровизация с туалетами на улице. Пока углерод не извлекается из атмосферы постоянно: компания всё ещё работает в тестовом режиме.
Критики от компаний, работающих на ископаемом топливе, говорят, что такие инвестиции слишком скромны, чтобы быть чем-то большим, чем просто PR-ходом.
Для этих ребят это мелочи.
Но другие эксперты не согласны.
Это может быть «зелёный камуфляж» (или гринвошинг — маркетинговый ход, используемый сомнительными компаниями для создания имиджа экологически-ориентированной компании с целью увеличения продаж), но что с того? Если деньги тратятся на исследования и разработки способов улавливания углерода из атмосферы — это хорошо.
Руководители Carbon Engineering заявили, что они приветствуют инвестиции компаний, работающих на ископаемом топливе, не только за вкладываемые ими средства, но и за инженерную помощь и лоббирование.
Сначала компании хотели лишь показать, какие они «зелёные», а теперь вы видите реальные действия.
Carbon Engineering заявила, что на коммерческих заводах будут стоять огромные вентиляторы диаметром в 10 метров, чтобы собирать воздух и пропускать его через сложный химический процесс.
Удаление углекислого газа из воздуха с использованием технологии прямого захвата воздуха
Это одна из нескольких компаний в мире, работающих с подобной технологией. Каждая такая установка могла бы в конечном итоге ежегодно удалять из атмосферы количество углекислого газа, сопоставимое с результатом работы 40 миллионов деревьев.
Диоксид углерода может быть переработан в топливо или захоронен для утилизации. Захоронение безвредно, если углерод не просочится обратно в атмосферу.
Выделенный углекислый газ также будут смешивать с водородом, извлекаемым из воды, и получать синтетическое топливо. Оно будет переработано в бензин, дизельное или реактивное топливо. Энергия, необходимая для производства водорода, будет поступать от ветровых турбин и солнечных батарей.
В Carbon Engineering заявляют, что синтетическое топливо может использоваться в стандартных двигателях автомобилей, грузовиков и самолётов и будет меньше загрязнять воздух. При сжигании топлива Carbon Engineering будет выделяться углекислый газ, но это не приведёт к значительному увеличению парниковых газов в атмосфере, так как в процессе будет перерабатываться углерод, уже находившийся в воздухе.
Одним из первых инвесторов в Carbon Engineering стал Билл Гейтс, соучредитель Microsoft, а также Н. Мюррей Эдвардс — исполнительный председатель Canadian Natural Resources, крупного производителя нефтеносных песков, тяжёлой нефти, которая известна большим количеством выбросов углерода.
Нефтяные и газовые компании должны задуматься о своём будущем. Они знают, что когда-нибудь состав энергетического комплекса будет другим. И мотивов для этих инвестиций предостаточно.
Occidental хочет получать регулярные поставки углекислого газа. Его можно будет использовать для закачки в нефтяные месторождения. Газ повысит давление в скважине, количество добытой нефти увеличится.
Компания уже использует углерод, который был найден в естественных подземных месторождениях, но это не приносит большую пользу для окружающей среды.
Утилизируя углерод из атмосферы, она надеется захоронить столько углерода, сколько выделяет топливо, или даже больше. Дополнительная выгода для компании — налоговые льготы за сокращение выбросов углекислого газа.
Каждая нефтяная компания должна стремиться к нулевому выбросу углерода. Мы думаем, что можем показать отрицательный уровень эмиссии углерода. Решение вопроса изменения климата — поворотный момент для отрасли.
Chevron также стремится удовлетворить одну из своих потребностей. Закон штата Калифорния требует, чтобы нефтеперерабатывающие заводы и другие дистрибьюторы постепенно снижали выброс углерода для своего топлива.
Компания, которая базируется в городе Сан-Рамон, в штате Калифорния, имеет два больших нефтеперерабатывающих завода в штате, и они могли бы использовать синтетическое топливо.
У нас есть потребность в низкоуглеродном топливе — миру все же необходимо топливо для транспорта, в то время как общественность выступает за сокращение выбросов углерода. И это один из вариантов выхода из этой ситуации.
Для воплощения амбициозных идей компании Carbon Engineering потребуются значительные инвестиции.
Одна из установок по улавливанию и хранению диоксида углерода будет ежегодно удалять из атмосферы 1 млн тонн углекислого газа — это небольшая доля от более чем 33 миллиардов тонн, которые человечество выбрасывает в год.
У синтетического топлива могут быть проблемы с выходом на рынок из-за его стоимости.
Дэвид Кит, инженер, прикладной физик из Гарварда, который основал компанию Carbon Engineering и находится в составе правления, утверждает, что синтетическое топливо будет скорее необходимо для грузовиков, кораблей и самолётов, в то время как автомобили и другие более мелкие транспортные средства перейдут в будущем на аккумуляторы.
Однако в случае глобальной климатической чрезвычайной ситуации правительствам, вероятно, придётся вмешаться, чтобы ускорить удаление углерода из атмосферы. Для улавливания и поглощения необходимого количества углерода потребуются триллионы долларов.
Если есть существенная политическая воля для серьёзного сокращения выбросов, тогда я думаю, что в ближайшее десятилетие или два мы увидим распространение этой технологии.
Диоксид углерода может быть полезным
Технологии захвата и утилизации парниковых газов становятся все более эффективными
Особенно привлекательным сегодня кажется применение CO2 для выпуска карбамида, с помощью которого получают азотные удобрения. Фото Pixabay
Захват и применение диоксида углерода для создания продуктов, обладающих экономической ценностью, может привести к снижению затрат на сокращение эмиссий или содержания этого газа в атмосфере. К такому выводу пришли авторы доклада «Технологические и экономические перспективы применения и изъятия СО2», который был опубликован в научном журнале Nature. Они выделяют десять наиболее реалистичных вариантов утилизации углекислоты.
Один из основных способов – использование диоксида углерода для изготовления химической продукции. Его можно преобразовать в целый ряд веществ, но только несколько вариантов имеют смысл с точки зрения масштаба производства, технологического потенциала и экономической эффективности.
Особенно активно СО2 сейчас применяется для выпуска карбамида (с помощью которого получают азотные удобрения, гербициды, смолы для скрепления материалов, чистящие средства и пищевые добавки) и поликарбонатных полиолов (для создания изоляционных материалов, твердых и эластичных покрытий). Подобная трансформация уже сегодня кажется экспертам рентабельной. При этом существуют варианты технологически возможные, но не получившие широкого распространения, такие как производство метанола. Потенциал использования диоксида углерода для выработки химической продукции к 2050 году авторы исследования видят в диапазоне от 0,3 до 0,6 Гт/год.
Другой путь ведет к топливу и микроводорослям. Опция с топливом из СО2 (на базе метанола, метана, диметилового эфира и реакции Фишера–Тропша) достаточно затратная, но привлекает экологов, так как этот ресурс вносит свой собственный вклад в процесс декарбонизации. Ведь его можно использовать в существующей транспортной системе и даже в сегментах, которые особенно тяжело декарбонизировать, например, в авиации. Долгосрочная перспектива такого применения СО2 для достижения углеродной нейтральности экономики будет зависеть от вовлечения возобновляемых источников энергии в производство, снижения себестоимости такого топлива и его конкуренции с водородом и аммиаком. Из-за этого потенциал использования СО2 в данном случае высокий, но не очень определенный – 1–4,2 Гт/год.
Между тем биотопливо и другие полезные продукты на основе микроводорослей выходят еще дороже, но и уровень фиксации диоксида углерода значительно выше – до 10%. Однако исследования в этом направлении еще ведутся, поэтому и ожидания по задействованию СО2 к 2050 году у экспертов ниже – 0,2–0,9 Гт/год.
СО2 постепенно приходит и в строительную отрасль. В долгосрочной перспективе за счет бетонных стройматериалов можно будет извлекать, использовать и хранить от 0,1 до 1,4 Гт/год. Среди прочих вариантов наиболее удачным ученым кажется применение диоксида углерода в качестве ускорителя застывания цемента.
Еще одним традиционным методом применения углекислого газа считается его подача в скважину под давлением для повышения нефтеотдачи. Так, в США он обеспечивает около 5% добычи черного золота. 1 тонна СО2 позволяет извлечь от 1,1 до 3,3 барр. нефти. Эксперты отмечают, что такой метод подходит для 90% нефтяных скважин в мире. А значит, этим способом можно задействовать и хранить максимум 140 Гт СО2, однако прогноз к 2050 году – 0,1–1,8 Гт/год. В докладе подчеркивается, что, если производители будут ставить целью не максимальную добычу нефти, а максимальную фиксацию диоксида углерода, можно добиться более значительного снижения его концентрации в атмосфере. Но это опять же недешево.
Первым из нестандартных аспектов утилизации СО2 авторы исследования называют биоэнергетику, которая подразумевает сжигание растительного топлива со связыванием и сохранением выделяемого углерода. В то же время эксперты сомневаются в достаточности ресурсов для полномасштабного внедрения таких технологий, так как невозможно бездумно выделять земли под выращивание растений для биотоплива в ущерб продуктам питания. Так или иначе потенциальный уровень устранения СО2 этим методом может варьироваться в диапазоне от 0,5 до 5 Гт/год.
Далее идет геоинжениринг, а именно ускоренное выветривание силикатных и карбонатных горных пород. Таким образом можно захватить двуокись углерода (в перспективе 2–4 Гт/год) из атмосферы, а заодно повысить плодородность почвы через поглощение ею питательных веществ, которое ускоряется за счет изменения pH.
В случае лесоразведения и восстановления лесных массивов углекислый газ забирается из атмосферы благодаря процессу фотосинтеза и хранится непосредственно в растущих лесах. При устойчивом развитии лесного хозяйства часть этой углекислоты участвует в производственных процессах и после небольших энергетических потерь переходит в готовую древесную продукцию. И эта продукция, и растущие леса обладают экономической ценностью, а значит, такой процесс может считаться вариантом использования СО2, говорят эксперты. По их расчетам, к 2050 году потенциал его улавливания в этом секторе будет 0,5–3,6 Гт/год.
Также среди способов применения диоксида углерода ученые называют землепользование и удобрение биоуголем, но только когда в результате увеличиваются объемы получаемой сельскохозяйственной продукции, которая обладает экономической ценностью. СО2, что попадает в землю, либо идет на увеличение урожайности, либо сохраняется в почве. Эксперты отмечают, что это два взаимоисключающих варианта развития событий. Применение техник по управлению земельными ресурсами может привести к использованию 2,3–5,3 Гт СО2, а конкретно внесение в почву биоугля – 0,3–2 Гт СО2.
Препятствия в распространении
На пути широкомасштабного внедрения всех этих вариантов множество проблем. Главные связаны со стоимостью, технологиями и энергией. И надо учитывать, что, даже если тот или иной метод станет конкурентоспособным исходя из затрат на него, это еще не значит, что он получит коммерческое распространение. Его могут затормозить, например, политические, социальные опасения и задачи или географический фактор.
Однако большинство технологий все еще слишком затратные. Так себестоимость топлива с применением СО2 пока значительно превышает среднерыночные показатели в этом секторе. В то же время представители бизнеса уверены, что те технологии, которые уже сейчас рациональные с экономической точки зрения, будут становиться все более выгодными. Особенно это относится к закреплению цемента и производству поликарбонатных полиолов.
Что касается энергии, иногда она требуется в больших количествах для проведения химических реакций при трансформации, а иногда чтобы увеличить концентрацию СО2 от 0,04% до 100%. В свою очередь, для естественных процессов нужна энергия солнца, которая собирается в процессе фотосинтеза, чтобы преобразовать двуокись углерода и воду в карбогидраты. И хотя фотосинтез, по словам ученых, процесс в данном случае неэффективный, биологические варианты утилизации СО2 необязательно более дорогие.
В заключение стоит сказать, что потенциалы разных вариантов использования двуокиси углерода нельзя суммировать. Эксперты предупреждают, что выход на первый план той или иной технологии может затормозить или вообще исключить внедрение другой. Также надо понимать, что они не всегда идут на пользу замедления глобального потепления, а в некоторых случаях при изменении условий могут даже добавить парниковых газов в атмосферу. Например, так может произойти в случае повышения нефтеотдачи скважин с помощью СО2 без прямого захвата воздуха и при определенном уровне декарбонизации атмосферы. Чем дальше зайдет процесс декарбонизации, тем менее эффективными и полезными будут многие из этих методов.
Статья подготовлена на основе доклада «Технологические и экономические перспективы применения и изъятия СО2» Кэмерона Хэпберна, Эллы Адлен, Джона Беддингтона и др., напечатанного в еженедельном международном журнале Nature (№ 575, 2019, стр. 87–97).
Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.
