Σε όλο τον κόσμο αναζητούνται τρόποι εξαγωγής διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα ή από τα καυσαέρια των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, ώστε στη συνέχεια να γίνει κάτι χρήσιμο. Μία από τις πιο ελπιδοφόρες ιδέες είναι να γίνει ένα σταθερό καύσιμο που μπορεί να αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα σε ορισμένες εφαρμογές. Αλλά οι περισσότερες τέτοιες διεργασίες μετατροπής είχαν προβλήματα με χαμηλή απόδοση άνθρακα ή παράγουν καύσιμα που μπορεί να είναι δύσκολο να τα χειριστείς, τοξικά ή εύφλεκτα.
Τώρα, ερευνητές στο MIT και το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έχουν αναπτύξει μια αποτελεσματική διαδικασία που μπορεί να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε μυρμηκικό, ένα υγρό ή στερεό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως το υδρογόνο ή η μεθανόλη για την τροφοδοσία μιας κυψέλης καυσίμου και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Μυρμηκικό κάλιο ή νάτριο, που παράγεται ήδη σε βιομηχανική κλίμακα και χρησιμοποιείται συνήθως ως αποπαγωτικό για δρόμους και πεζοδρόμια, είναι μη τοξικό, μη εύφλεκτο, εύκολο στην αποθήκευση και μεταφορά και μπορεί να παραμείνει σταθερό σε συνηθισμένες χαλύβδινες δεξαμενές για χρήση μήνες ή και χρόνια , μετά την παραγωγή του.
Η νέα διαδικασία, που αναπτύχθηκε από διδακτορικούς φοιτητές του MIT και του Χάρβαρντ και έναν καθηγητή του MIT, περιγράφεται αυτή την εβδομάδα σε ένα έγγραφο ανοιχτής πρόσβασης στο Cell Reports Physical Science.
Η όλη διαδικασία - συμπεριλαμβανομένης της δέσμευσης και της ηλεκτροχημικής μετατροπής του αερίου σε στερεή σκόνη μυρμηκικού άλατος, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται σε κυψέλη καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας - αποδείχθηκε αποτελεσματική σε μικρή, εργαστηριακή κλίμακα. Ωστόσο, οι ερευνητές αναμένουν ότι θα είναι επεκτάσιμη, έτσι ώστε να μπορεί να παρέχει θερμότητα και ενέργεια χωρίς εκπομπές σε μεμονωμένα σπίτια, αλλά να χρησιμοποιείται ακόμα και σε βιομηχανικές εφαρμογές ή εφαρμογές σε κλίμακα δικτύου.
Άλλες προσεγγίσεις για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο περιλαμβάνουν συνήθως μια διαδικασία δύο σταδίων: Πρώτα το αέριο δεσμεύεται χημικά και μετατρέπεται σε στερεή μορφή ως ανθρακικό ασβέστιο, στη συνέχεια αυτό το υλικό θερμαίνεται για να διώξει το διοξείδιο του άνθρακα και να μετατραπεί σε μια πρώτη ύλη καυσίμου όπως το μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το δεύτερο βήμα έχει πολύ χαμηλή απόδοση, συνήθως μετατρέποντας λιγότερο από το 20% του αερίου διοξειδίου του άνθρακα στο επιθυμητό προϊόν.
Αντίθετα, η νέα διαδικασία επιτυγχάνει μετατροπή πολύ πάνω από 90% και εξαλείφει την ανάγκη για το αναποτελεσματικό στάδιο θέρμανσης, μετατρέποντας πρώτα το διοξείδιο του άνθρακα σε μια ενδιάμεση μορφή, υγρό διττανθρακικό μέταλλο. Αυτό το υγρό στη συνέχεια μετατρέπεται ηλεκτροχημικά σε υγρό μυρμηκικό κάλιο ή νάτριο, σε έναν ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό χαμηλών εκπομπών άνθρακα, π.χ. πυρηνική, αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Το εξαιρετικά συμπυκνωμένο υγρό διάλυμα μυρμηκικού καλίου ή νατρίου που παράγεται, μπορεί στη συνέχεια να στεγνώσει, για παράδειγμα με ηλιακή εξάτμιση, για να παραχθεί μια στερεή σκόνη που είναι εξαιρετικά σταθερή και μπορεί να αποθηκευτεί σε συνηθισμένες δεξαμενές χάλυβα για χρόνια ή και δεκαετίες.
Πολλά βήματα βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκαν από την ομάδα, έκαναν τη διαφορά στην αλλαγή μιας αναποτελεσματικής διαδικασίας χημικής μετατροπής σε πρακτική λύση.
Η διαδικασία δέσμευσης και μετατροπής άνθρακα περιλαμβάνει πρώτα μια δέσμευση με βάση αλκαλικό διάλυμα που συμπυκνώνει το διοξείδιο του άνθρακα, είτε από συγκεντρωμένα ρεύματα όπως από εκπομπές εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής, είτε από πηγές πολύ χαμηλής συγκέντρωσης, ακόμη και σε ανοιχτό αέρα, σε μορφή υγρού μετάλλου- διττανθρακικό διάλυμα. Στη συνέχεια, μέσω της χρήσης ενός ηλεκτρολύτη μεμβράνης ανταλλαγής κατιόντων, αυτό το διττανθρακικό μετατρέπεται ηλεκτροχημικά σε στερεούς μυρμηκικούς κρυστάλλους με απόδοση άνθρακα μεγαλύτερη από 96%, όπως επιβεβαιώθηκε στα πειράματα εργαστηριακής κλίμακας της ομάδας.
Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν απεριόριστη διάρκεια ζωής, παραμένοντας τόσο σταθεροί, που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν για χρόνια, ή και δεκαετίες, με μικρή ή καθόλου απώλεια.
Συγκριτικά, ακόμη και οι καλύτερες διαθέσιμες πρακτικές δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου επιτρέπουν στο αέριο να διαρρέει με ρυθμό περίπου 1% την ημέρα, αποκλείοντας οποιεσδήποτε χρήσεις που θα απαιτούσαν αποθήκευση για ένα χρόνο. Η μεθανόλη, μια άλλη ευρέως διερευνημένη εναλλακτική λύση για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου, είναι μια τοξική ουσία, που δεν μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί για χρήση σε καταστάσεις όπου η διαρροή θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την υγεία.
Το μυρμηκικό οξύ, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται ευρέως και θεωρείται καλοήθες, σύμφωνα με τα εθνικά πρότυπα ασφαλείας.
Αρκετές βελτιώσεις εξηγούν τη σημαντικά βελτιωμένη αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας. Πρώτον, ένας προσεκτικός σχεδιασμός των υλικών μεμβράνης και της διαμόρφωσής τους ξεπερνά ένα πρόβλημα που αντιμετώπισαν προηγούμενες προσπάθειες σε ένα τέτοιο σύστημα, όπου η συσσώρευση ορισμένων χημικών υποπροϊόντων αλλάζει το pH, με αποτέλεσμα το σύστημα να χάνει σταθερά την αποτελεσματικότητά του με την πάροδο του χρόνου.
"Παραδοσιακά, είναι δύσκολο να επιτευχθεί μακροπρόθεσμη, σταθερή, συνεχής μετατροπή των πρώτων υλών. Το κλειδί για το σύστημά μας είναι ότι επιτυγχάνουμε μια ισορροπία pH για μετατροπή σταθερής κατάστασης" αναφέρεται στο έγγραφο.
Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές πραγματοποίησαν θερμοδυναμική μοντελοποίηση, για να σχεδιάσουν τη νέα διαδικασία έτσι ώστε να είναι χημικά ισορροπημένη και το pH να παραμένει σε σταθερή κατάσταση χωρίς μετατόπιση στην οξύτητα με την πάροδο του χρόνου. Επομένως, μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αποτελεσματικά για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Στις δοκιμές τους, το σύστημα έτρεξε για περισσότερες από 200 ώρες χωρίς σημαντική μείωση στην απόδοση. Η όλη διαδικασία μπορεί να γίνει σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σχετικά χαμηλές πιέσεις (περίπου πέντε φορές την ατμοσφαιρική πίεση).
Ένα άλλο ζήτημα ήταν ότι οι ανεπιθύμητες παράπλευρες αντιδράσεις παρήγαγαν άλλα χημικά προϊόντα που δεν ήταν χρήσιμα, αλλά η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να αποτρέψει αυτές τις παρενέργειες με την εισαγωγή ενός επιπλέον στρώματος «ρυθμιστικού» από υαλοβάμβακα εμπλουτισμένο με διττανθρακικά που εμπόδιζε αυτές τις αντιδράσεις.
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης μια κυψέλη καυσίμου ειδικά βελτιστοποιημένη για τη χρήση αυτού του καυσίμου μυρμηκικού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα αποθηκευμένα σωματίδια μυρμηκικού άλατος απλώς διαλύονται στο νερό και αντλούνται στην κυψέλη καυσίμου όπως απαιτείται. Αν και το στερεό καύσιμο είναι πολύ βαρύτερο από το καθαρό υδρογόνο, όταν λαμβάνεται υπόψη το βάρος και ο όγκος των δεξαμενών αερίου υψηλής πίεσης που απαιτούνται για την αποθήκευση υδρογόνου, το τελικό αποτέλεσμα είναι μια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στην ισοτιμία για έναν δεδομένο όγκο αποθήκευσης.
Το καύσιμο μυρμηκικού άλατος μπορεί ενδεχομένως να προσαρμοστεί για οτιδήποτε, από μονάδες οικιακού μεγέθους έως μεγάλης κλίμακας βιομηχανικές χρήσεις ή συστήματα αποθήκευσης σε κλίμακα δικτύου, λένε οι ερευνητές. Οι αρχικές οικιακές εφαρμογές μπορεί να περιλαμβάνουν μια μονάδα ηλεκτρολύτη μεγέθους ψυγείου για τη δέσμευση και τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε μυρμηκικό, το οποίο θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε υπόγειο ή ταράτσα. Στη συνέχεια, όταν χρειάζεται, το κονιοποιημένο στερεό θα αναμιγνύεται με νερό και θα τροφοδοτείται σε μια κυψέλη καυσίμου για να παρέχει ενέργεια και θερμότητα. «Αυτό είναι για την κοινότητα ή το νοικοκυριό, αλλά πιστεύουμε ότι και στο μέλλον μπορεί να είναι καλό για τα εργοστάσια ή το δίκτυο» αναφέρει ένας εκ των ερευνητών.
Η εργασία υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ.
