Η προσέγγιση αυτή μετατρέπει απευθείας το αέριο του θερμοκηπίου σε φορμικό, ένα στερεό καύσιμο που μπορεί να αποθηκευτεί απεριόριστα και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση σπιτιών ή την ενεργοποίηση βιομηχανιών.
Σε παγκόσμιο επίπεδο, διεξάγονται έρευνες για την εξαγωγή διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα ή από τους καυσαέριους των εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής και στη συνέχεια την μετατροπή του σε κάτι χρήσιμο. Ένα από τα πιο υποσχόμενα ιδεώδη είναι η μετατροπή του σε ένα σταθερό καύσιμο που μπορεί να αντικαταστήσει τα ορυκτά καύσιμα σε ορισμένες εφαρμογές. Ωστόσο, οι περισσότερες τέτοιες διαδικασίες μετατροπής αντιμετωπίζουν προβλήματα με τη χαμηλή αποδοτικότητα στη χρήση του άνθρακα, ή παράγουν καύσιμα που μπορεί να είναι δύσκολα στη διαχείριση, τοξικά ή εύφλεκτα.
Τώρα, ερευνητές από το MIT και το Πανεπιστήμιο Harvard έχουν αναπτύξει ένα αποτελεσματικό διαδικασία που μπορεί να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε φορμικό, ένα υγρό ή στερεό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως το υδρογόνο ή το μεθανόλ για να τροφοδοτήσει κυψέλη καυσίμου και να παράγει ηλεκτρισμό. Το φορμικό καλίου ή νατρίου, που ήδη παράγεται σε βιομηχανικές κλίμακες και χρησιμοποιείται συχνά ως απαγωγεάς πάγου για δρόμους και πεζοδρόμια, είναι μη τοξικό, μη εύφλεκτο, εύκολο στην αποθήκευση και τη μεταφορά, και μπορεί να παραμείνει σταθερό σε συνηθισμένες χάλυβες δεξαμενές για να χρησιμοποιηθεί μήνες, ακόμα και χρόνια, μετά την παραγωγή του.
Η νέα διαδικασία, αναπτυγμένη από διδακτορικούς φοιτητές του MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren και Alexander H. Quinn, διδακτορικό φοιτητή του Πανεπιστημίου Harvard Dawei Xi και τον καθηγητή του MIT Ju Li, περιγράφεται πρόσφατα σε ένα άρθρο με ανοιχτή πρόσβαση στο Cell Reports Physical Science. Η ολοκληρωμένη διαδικασία – συμπεριλαμβανομένης της κατάληψης και της ηλεκτροχημικής μετατροπής του αερίου σε στερεό φορμικό σκόνη, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται σε μια κυψέλη καυσίμου για την παραγωγή ηλεκτρισμού – επιδείχθηκε σε μικρή κλίμακα εργαστηρίου. Ωστόσο, οι ερευνητές προβλέπουν ότι μπορεί να κλιμακωθεί ώστε να παρέχει ηλεκτρισμό και θέρμανση χωρίς εκπομπές σε μεμονωμένα σπίτια και ακόμα και να χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανικές ή ομαδικές εφαρμογές στο δίκτυο.
Βελτιωμένη Απόδοση και Εφικτότητα Άλλες προσεγγίσεις για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμο, όπως εξηγεί ο Li, συνήθως περιλαμβάνουν μια διαδικασία δύο σταδίων: Πρώτα το αέριο καταλαμβάνεται χημικά και μετατρέπεται σε στερεό σχήμα ως ανθρακικό ασβέστιο, και στη συνέχεια αυτό το υλικό θερμαίνεται για να απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα και να το μετατρέψει σε μια πηγή τροφοδοσίας καυσίμου όπως το μονοξείδιο του άνθρακα. Αυτό το δεύτερο βήμα έχει πολύ χαμηλή απόδοση, μετατρέποντας συνήθως λιγότερο από 20% του αερίου διοξειδίου του άνθρακα στο επιθυμητό προϊόν, λέει ο Li.
Αντίθετα, η νέα διαδικασία επιτυγχάνει μια μετατροπή πολύ άνω του 90% και εξαλείφει την ανάγκη για το αποτελεσματικό βήμα θέρμανσης μετατρέποντας πρώτα το διοξείδιο του άνθρακα σε μια ενδιάμεση μορφή, υγρό μεταλλικό βικαρβονικό. Αυτό το υγρό μετατρέπεται έπειτα ηλεκτροχημικά σε υγρό φορμικό καλίου ή νατρίου σε έναν ηλεκτρολυτικό που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια χαμηλού άνθρακα, όπως πυρηνική, αιολική ή ηλιακή ενέργεια. Το υγρό φορμικό καλίου ή νατρίου που παράγεται μπορεί στη συνέχεια να αποξηρανθεί, για παράδειγμα μέσω ηλιακής εξάτμισης, για να παράγει μια στερεή σκόνη που είναι υψηλά σταθερή και μπορεί να αποθηκευτεί σε συνηθισμένες χάλυβες δεξαμενές για μήνες ή ακόμη και χρόνια, λέει ο Li.
Πολλά βήματα βελτιστοποίησης που ανέπτυξε η ομάδα έκαναν τη διαφορά στο να μετατραπεί μια ανεπαρκής χημική διαδικασία σε μια πρακτική λύση, λέει ο Li, που κατέχει κοινές διορισμούς στα τμήματα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής και Επιστήμης των Υλικών.
Η διαδικασία κατάληψης και μετατροπής του άνθρακα περιλαμβάνει πρώτα μια κατάληψη με βάση αλκαλίων που συγκεντρώνει το διοξείδιο του άνθρακα, είτε από συγκεντρωμένες ροές, όπως από εκπομπές εργοστασίων ή από πηγές πολύ χαμηλής συγκέντρωσης, ακόμη και από τον ανοιχτό αέρα, στη μορφή ενός υγρού μεταλλικού δικαρβονικού διαλύματος. Στη συνέχεια, μέσω της χρήσης ενός ηλεκτρολυτικού μεμβρανικού ανταλλακτή καταόρθωσαν ηλεκτροχημικά να μετατραπεί αυτό το δικαρβονικό σε στερεές κρίσταλλες φορμίτη με μια απόδοση άνω του 96%, όπως επιβεβαιώθηκε στις εργαστηριακές εξετάσεις της ομάδας.
Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν απεριόριστο χρόνο διάρκειας, παραμένοντας τόσο σταθεροί που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν για χρόνια, ακόμη και δεκαετίες, με ελάχιστη ή καθόλου απώλεια. Σε σύγκριση, ακόμη και οι καλύτερες διαθέσιμες δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου επιτρέπουν τη διαρροή του αερίου σε ποσοστό περίπου 1% την ημέρα, αποκλείοντας κάθε χρήση που θα απαιτούσε αποθήκευση για ολόκληρο το έτος, λέει ο Li. Ο μεθανόλη, ένα άλλο ευρέως μελετημένο εναλλακτικό 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 σε καταστάσεις όπου η διαρροή θα μπορούσε να αποτελέσει κίνδυνο για την υγεία. Αντίθετα, ο φορμικός θεωρείται ευρέως χρηστικός και αθώος, σύμφωνα με εθνικά πρότυπα ασφαλείας.
Τεχνικές Βελτιώσεις Πολλές βελτιώσεις λογαριάζουν για την πολύ βελτιωμένη απόδοση αυτής της διαδικασίας. Πρώτον, ένας προσεκτικός σχεδιασμός των υλικών των μεμβρανών και της διάταξής τους ξεπερνά ένα πρόβλημα που έχουν αντιμετωπίσει προηγούμενες προσπάθειες σε ένα τέτοιο σύστημα, όπου η ανάπτυξη ορισμένων χημικών παραπροϊόντων αλλάζει το pH, προκαλώντας το σύστημα να χάνει σταδιακά την αποτελεσματικότητά του με την πάροδο του χρόνου. “Παραδοσιακά, είναι δύσκολο να επιτευχθεί μακροχρόνια, σταθερή, συνεχής μετατροπή των εκθέσεων,” λέει ο Zhang. “Το κλειδί για το σύστημά μας είναι να επιτευχθεί μια ισορροπία pH για σταθερή μετατροπή στην κατάσταση ισορροπίας.”
Για να επιτευχθεί αυτό, οι ερευνητές πραγματοποίησαν θερμοδυναμικό μοντελοποίηση για τον σχεδιασμό της νέας διαδικασίας έτσι ώστε να είναι χημικά ισορροπημένη και το pH να παραμένει σε σταθερή κατάσταση χωρίς μεταβολές στην οξύτητα με την πάροδο του χρόνου. Επομένως, μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αποδοτικά για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Στις δοκιμές τους, το σύστημα λειτούργησε για πάνω από 200 ώρες χωρίς σημαντική μείωση της παραγωγής. Ολόκληρη η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σε σχετικά χαμηλές πιέσεις (περίπου πέντε φορές η ατμοσφαιρική πίεση).
Ένα άλλο πρόβλημα ήταν ότι ανεπιθύμητες παράπλευρες αντιδράσεις παρήγαγαν άλλα χημικά προϊόντα που δεν ήταν χρήσιμα, αλλά η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να εμποδίσει αυτές τις παράπλευρες αντιδράσεις με την εισαγωγή ενός επιπλέον “αντιδραστικού” στρώματος από βικαρβονικό εμπλουτισμένο με γυαλί ίνας, το οποίο απέκλεισε αυτές τις αντιδράσεις.
Επίσης, η ομάδα κατασκεύασε μια κυψέλη καυσίμου που βελτιστοποιήθηκε ειδικά για τη χρήση αυτού του καυσίμου φορμικής ουσίας για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Τα αποθηκευμένα σωματίδια φορμικής απλά διαλύονται σε νερό και αντλούνται στην κυψέλη καυσίμου όταν απαιτείται. Αν και το στερεό καύσιμο είναι πολύ βαρύτερο από το καθαρό υδρογόνο, όταν ληφθούν υπόψη το βάρος και τον όγκο των δεξαμενών υψηλής πίεσης που απαιτούνται για την αποθήκευση του υδρογόνου, το τελικό αποτέλεσμα είναι μια παραγωγή ηλεκτρισμού κοντά στην ισορροπία για έναν δεδομένο όγκο αποθήκευσης, δηλώνει ο Li.
Πιθανές Εφαρμογές Το καύσιμο φορμικής ουσίας μπορεί ενδεχομένως να προσαρμοστεί για οτιδήποτε από μονάδες στο σπίτι έως μεγάλες βιομηχανικές χρήσεις ή συστήματα αποθήκευσης σε κλίμακα πλέγματος, λένε οι ερευνητές. Οι αρχικές εφαρμογές σε νοικοκυριά μπορεί να περιλαμβάνουν μια μονάδα ηλεκτρολυτικού μεγέθους περίπου όσο ένα ψυγείο για την καταγραφή και τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε φορμική ουσία, η οποία θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε ένα υπόγειο ή ένα ροοφτόπιο δοχείο. Στη συνέχεια, όταν απαιτείται, το σκόνη στερεό θα ανακατευτεί με νερό και θα τροφοδοτηθεί σε κυψέλη καυσίμου για την παροχή ενέργειας και θερμότητας. “Αυτό είναι για επιδείξεις στην κοινότητα ή το νοικοκυριό”, δηλώνει ο Zhang, “αλλά πιστεύουμε ότι και στο μέλλον μπορεί να είναι καλό και για εργοστάσια ή το δίκτυο”.
“Η οικονομία της φορμικής ουσίας είναι ένα συναρπαστικό concept επειδή τα άλατα μετάλλου φορμικής είναι πολύ αβλαβή και σταθερά και ένα ελκυστικό μέσο μεταφοράς ενέργειας”, λέει ο Ted Sargent, καθηγητής χημείας και ηλεκτρολόγων μηχανικών στο Πανεπιστήμιο Northwestern, που δεν συνδέεται με αυτό το έργο. “Οι συγγραφείς έχουν επιδείξει βελτιωμένη απόδοση στη μετατροπή υγρού σε υγρό από τον βικαρβονικό πρώτο ύλη σε φορμική ουσία και έχουν δείξει ότι αυτά τα καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αργότερα για την παραγωγή ηλεκτρισμού”, δηλώνει.
