Використовуючи повторне використання холодної енергії, отриманої в результаті переробки СПГ, вчені розробили новий, економічно ефективний метод уловлювання вуглекислого газу з повітря за допомогою передових сорбентних матеріалів. Вчені Школи хімічної та біомолекулярної інженерії (ChBE) Технологічного університету Джорджії представили новий метод, спрямований на зниження рівня вуглекислого газу (CO₂) в атмосфері, що є ключовою стратегією боротьби зі зміною клімату.
Хоча в останні роки з’явилися різні технології прямого захоплення повітря (DAC), їх широке використання було обмежене через високу вартість та енергоємність. У нещодавно опублікованому дослідженні в журналі Energy & Environmental Science команда Технологічного інституту Джорджії представила більш економічно ефективний та енергоефективний спосіб уловлювання CO₂ за допомогою дуже холодного повітря та загальнодоступних пористих сорбентних матеріалів, що відкриває шлях для ширшого застосування DAC у майбутньому.
Використання вже доступної енергії
Підхід, розроблений у співпраці з дослідниками з Національної лабораторії Оук-Рідж у Теннессі, а також з Національного університету Чонбук і Національного університету Чоннам у Південній Кореї, передбачає інтеграцію DAC з процесом регазифікації зрідженого природного газу (ЗПГ). Цей промисловий етап, який перетворює ЗПГ назад у газ для подальшого використання, генерує надзвичайно низькі температури, які можна повторно використовувати для ефективного уловлювання CO₂.
ЗПГ, природний газ, охолоджений до рідкого стану для транспортування, перед використанням необхідно знову нагріти до газоподібного стану. У цьому процесі нагрівання часто як джерело тепла використовується морська вода, що, по суті, призводить до марнування низькотемпературної енергії, що міститься в зрідженому природному газі.
Натомість використовуючи холодну енергію ЗПГ для охолодження повітря, дослідники Технологічного інституту Джорджії створили чудове середовище для уловлювання CO₂ за допомогою матеріалів, відомих як «фізисорбенти», які являють собою пористі тверді речовини, що поглинають гази.
Більшість систем DAC, що використовуються сьогодні, використовують матеріали на основі амінів, які хімічно зв’язують CO₂ з повітря, але вони мають відносно обмежений поровий простір для захоплення, з часом розкладаються та потребують значної енергії для ефективної роботи. Фізисорбенти, однак, мають довший термін служби та швидше поглинають CO₂, але часто мають труднощі в теплих і вологих умовах.
Дослідження показало, що коли повітря охолоджується до температур, близьких до кріогенних, для DAC майже вся водяна пара конденсується з повітря. Це дозволяє фізисорбентам досягати вищої продуктивності захоплення CO₂ без необхідності дорогих етапів видалення води.
«Це захопливий крок уперед», — сказав професор Раян Лайвлі з ChBE@GT. «Ми показуємо, що можна вловлювати вуглець з низькими витратами, використовуючи існуючу інфраструктуру та безпечні, недорогі матеріали».
Економія коштів та енергії
Економічне моделювання, проведене командою Лайвлі, показує, що інтеграція цього підходу на основі ЗПГ у DAC може знизити вартість уловлювання однієї метричної тонни CO₂ до 70 доларів, що приблизно втричі менше, ніж у нинішніх методах DAC, які часто перевищують 200 доларів за тонну.
За допомогою моделювання та експериментів команда визначила цеоліт 13X та CALF-20 як провідні фізисорбенти для цього процесу DAC. Цеоліт 13X — це недорогий та довговічний осушувальний матеріал, що використовується для очищення води, тоді як CALF-20 — це металоорганічний каркас (MOF), відомий своєю стабільністю та здатністю захоплювати CO2 з димових газів, але не з повітря.
Ці матеріали продемонстрували сильну адсорбцію CO₂ при -78°C (типова температура для системи LNG-DAC) з потужністю приблизно втричі вищою, ніж в амінних матеріалів, що працюють за кімнатних умов. Вони також вивільняли захоплений та очищений CO₂ з низькими енерговитратами, що робить їх привабливими для практичного використання.
«Окрім високої ємності по CO2, обидва фізисорбенти демонструють критичні характеристики, такі як низька ентальпія десорбції, економічна ефективність, масштабованість та довгострокова стабільність, що є важливим для реальних застосувань», — сказав провідний автор дослідження Сео-Юл Кім, постдокторант у Lively Lab.
Використання існуючої інфраструктури
Дослідження також розглядає ключову проблему для DAC: місце розташування. Традиційні системи часто найкраще підходять для сухого, прохолодного середовища. Але, використовуючи існуючу інфраструктуру ЗПГ, майже кріогенний DAC можна розгорнути в помірних і навіть вологих прибережних регіонах, що значно розширить географічний охоплення видалення вуглецю.
«Системи регазифікації ЗПГ наразі є невикористаним джерелом холодної енергії, а термінали працюють у великих масштабах у прибережних районах по всьому світу», – сказав Лайвлі. «Використовуючи навіть частину їхньої холодної енергії, ми потенційно могли б уловлювати понад 100 мільйонів метричних тонн CO₂ на рік до 2050 року».
Оскільки уряди та промисловість стикаються зі зростаючим тиском щодо досягнення цілей нульового рівня викидів, такі рішення, як майже кріогенний ЦАП на базі ЗПГ, пропонують багатообіцяючий шлях уперед. Наступні кроки команди включають подальше вдосконалення матеріалів та конструкцій систем для забезпечення продуктивності та довговічності у більших масштабах.
«Це захопливий приклад того, як переосмислення енергетичних потоків у нашій існуючій інфраструктурі може призвести до низьковитратного скорочення вуглецевого сліду», – сказав Лайвлі.
Дослідження також продемонструвало, що для ЦАП можна використовувати розширений спектр матеріалів. Хоча лише невелика підмножина матеріалів може використовуватися за кімнатної температури, кількість придатних для використання матеріалів значно зростає за температур, близьких до кріогенних.
«Багато фізісорбентів, які раніше відкидали для DAC, раптово стають життєздатними при зниженні температури», — сказав професор Метью Рілфф, співавтор дослідження та професор ChBE@GT. «Це відкриває абсолютно новий простір для розробки матеріалів для захоплення вуглецю».
