Karbondioksitten Katı Yakıt Elde Etmek için Etkili Bir Süreç Geliştiriliyor
Geliştirilen bu teknoloji, sera gazını doğrudan süresiz olarak depolanabilen ve konutlarda veya endüstriyel tesislerde kullanılabilen katı bir yakıt olan formata dönüştürüyor.
Havadan veya elektrik santralinin egzozundan karbondioksiti çıkarmanın ve daha sonra onu yararlı bir şeye dönüştürmenin yollarını bulmak için dünya çapında araştırmalar sürüyor. En umut verici fikirlerden biri, onu bazı uygulamalarda fosil yakıtların yerini alabilecek istikrarlı bir yakıt haline getirmektir. Ancak bu tür dönüşüm süreçlerinin çoğunda düşük karbon verimliliğiyle ilgili sorunlar yaşandı veya işlenmesi zor, toksik veya yanıcı olabilen yakıtlar üretildi.
Şimdi, MIT ve Harvard Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, karbondioksiti, bir yakıt hücresine güç sağlamak ve elektrik üretmek için hidrojen veya metanol gibi kullanılabilecek sıvı veya katı bir malzeme olan formata dönüştürebilen etkili bir süreç geliştirdiler. Halihazırda endüstriyel ölçeklerde üretilen ve genellikle yollar ve kaldırımlarda buz çözücü olarak kullanılan potasyum veya sodyum format, toksik ve yanıcı değildir, depolanması ve taşınması kolaydır, üretiminin ardından sıradan çelik tanklarda aylarca, hatta yıllarca kullanılmak üzere stabil kalabilir.
MIT doktora öğrencileri Zhen Zhang, Zhichu Ren ve Alexander H. Quinn tarafından geliştirilen yeni süreci, Harvard Üniversitesi doktora öğrencisi Dawei Xi ve MIT Profesörü Ju Li, Cell Reports Physical Science dergisindeki açık erişimli bir makalede anlattı. Gazın yakalanması ve elektrokimyasal olarak katı format tozuna dönüştürülmesi, daha sonra elektrik üretmek için bir yakıt hücresinde kullanılması da dahil olmak üzere tüm süreç, küçük bir laboratuvar ölçeğinde gösterildi. Ancak araştırmacılar, bireysel evlere emisyonsuz ısı ve güç sağlayabilecek ve hatta endüstriyel veya şebeke ölçekli uygulamalarda kullanılabilecek şekilde ölçeklenebilir olmasını bekliyor.
Li, karbondioksiti yakıta dönüştürmeye yönelik diğer yaklaşımların genellikle iki aşamalı bir süreci içerdiğini açıklıyor: İlk önce gaz kimyasal olarak yakalanır ve kalsiyum karbonat gibi katı bir forma dönüştürülür, daha sonra bu malzeme karbondioksiti uzaklaştırmak ve dönüştürmek için ısıtılır, karbon monoksit gibi bir yakıt ham maddesine dönüştürür. Li, bu ikinci adımın çok düşük bir verimliliğe sahip olduğunu, tipik olarak gaz halindeki karbondioksitin yüzde 20'den azını istenen ürüne dönüştürdüğünü söylüyor.
Buna karşılık, yeni işlem yüzde 90'ın üzerinde bir dönüşüm sağlıyor ve önce karbondioksiti bir ara form olan sıvı metal bikarbonata dönüştürerek verimsiz ısıtma adımına olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor. Bu sıvı daha sonra nükleer, rüzgâr veya güneş enerjisi gibi düşük karbonlu elektrik kullanan bir elektrolizörde elektrokimyasal olarak sıvı potasyum veya sodyum formata dönüştürülüyor. Li, üretilen yüksek konsantrasyonlu sıvı potasyum veya sodyum format çözeltisinin daha sonra örneğin güneş enerjisiyle buharlaştırılıp kurutularak son derece stabil olan ve sıradan çelik tanklarda yıllarca, hatta on yıllarca saklanabilen katı bir toz üretilebileceğini söylüyor.
Nükleer Bilim ve Mühendislik ile Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümlerinde ortak görevlerde bulunan Li, ekip tarafından geliştirilen birkaç optimizasyon adımının, verimsiz bir kimyasal dönüşüm sürecini pratik bir çözüme dönüştürmede büyük fark yarattığını söylüyor.
Karbon yakalama ve dönüştürme süreci, öncelikle, enerji santrali emisyonları gibi konsantre akışlardan veya çok düşük konsantrasyonlu kaynaklardan, hatta açık havadan gelen karbondioksiti sıvı metal bikarbonat çözeltisi formuna yoğunlaştıran alkali çözelti bazlı bir yakalamayı içerir. Daha sonra, katyon değişim membranlı elektrolizör kullanılarak bu bikarbonat, ekibin laboratuvar ölçekli deneylerinde de doğrulandığı gibi, karbon verimliliği yüzde 96'nın üzerinde olacak şekilde elektrokimyasal olarak katı format kristallerine dönüştürülüyor.
Bu kristallerin belirsiz bir raf ömrü vardır ve o kadar stabil kalırlar ki, çok az kayıpla veya hiç kayıp olmadan yıllarca, hatta onlarca yıl saklanabilir. Karşılaştırıldığında, Li, mevcut en iyi pratik hidrojen depolama tanklarının bile günde yaklaşık yüzde 1 oranında gazın dışarı sızmasına izin verdiğini ve bunun da yıl boyu depolama gerektiren herhangi bir kullanımın önüne geçtiğini söylüyor. Karbon dioksiti yakıt hücrelerinde kullanılabilen bir yakıta dönüştürmek için yaygın olarak araştırılan bir alternatif olan metanol, sızıntının sağlık açısından tehlike oluşturabileceği durumlarda kullanıma kolayca uyarlanamayan zehirli bir maddedir. Öte yandan format yaygın olarak kullanılmakta ve ulusal güvenlik standartlarına göre zararsız olarak kabul edilmektedir.
Bu sürecin verimliliğinin büyük ölçüde artmasının nedeni çeşitli iyileştirmelerdir. İlk olarak, membran malzemelerinin ve bunların konfigürasyonunun dikkatli bir şekilde tasarlanması, böyle bir sistemde daha önceki girişimlerde karşılaşılan, belirli kimyasal yan ürünlerin birikmesinin pH'ı değiştirdiği ve sistemin zaman içinde sürekli olarak verimliliğini kaybetmesine neden olduğu bir sorunun üstesinden gelir. Zhang, "Geleneksel olarak, hammaddelerin uzun vadeli, istikrarlı ve sürekli dönüşümünü sağlamak zordur. Sistemimizin anahtarı, kararlı durum dönüşümü için bir pH dengesi elde etmektir" diyor.
Bunu başarmak için araştırmacılar, yeni süreci kimyasal olarak dengelenecek ve pH'ın zaman içinde asitlikte herhangi bir değişiklik olmadan sabit bir durumda kalacağı şekilde tasarlamak için termodinamik modelleme gerçekleştirdiler. Bu nedenle uzun süreler boyunca verimli bir şekilde çalışmaya devam edebiliyor. Testlerinde sistem, çıktıda önemli bir azalma olmadan 200 saatten fazla çalıştı. İşlemin tamamı ortam sıcaklıklarında ve nispeten düşük basınçlarda (atmosfer basıncının yaklaşık beş katı) yapılabilir.
Diğer bir sorun ise, istenmeyen yan reaksiyonların yararlı olmayan başka kimyasal ürünler üretmesiydi; ancak ekip, bu reaksiyonları bloke eden bikarbonatla zenginleştirilmiş cam yününden ekstra bir "tampon" katman ekleyerek bu yan reaksiyonları önlemenin bir yolunu buldu.
Ekip ayrıca bu formattaki yakıtın elektrik üretmek amacıyla kullanılması için özel olarak optimize edilmiş bir yakıt hücresi de geliştirdi. Depolanan format parçacıkları suda kolayca çözülür ve gerektiğinde yakıt hücresine pompalanır. Li, katı yakıtın saf hidrojenden çok daha ağır olmasına rağmen, hidrojeni depolamak için gereken yüksek basınçlı gaz tanklarının ağırlığı ve hacmi göz önüne alındığında, nihai sonucun, belirli bir depolama hacmi için eşdeğere yakın bir elektrik üretimi olduğunu söylüyor.
Araştırmacılar, katı formatlı yakıtının ev tipi ünitelerden büyük ölçekli endüstriyel kullanımlara veya şebeke ölçekli depolama sistemlerine kadar her şeye uyarlanabileceğini söylüyor. İlk ev uygulamaları, karbon dioksiti yakalayıp formata dönüştürmek için yaklaşık buzdolabı boyutunda bir elektroliz ünitesi gerektirebilir; bu, bir yer altı veya çatı tankında depolanabilir. Daha sonra ihtiyaç duyulduğunda toz halindeki katı, su ile karıştırılıp bir yakıt hücresine beslenerek güç ve ısı sağlayabilir. Zhang, "Bu model konutsal kullanım için iyi olabilir, ama gelecekte fabrikalar veya şebekeler için de iyi olabileceğine inanıyoruz" diyor.
Northwestern Üniversitesi'nde kimya, elektrik ve bilgisayar mühendisliği profesörü olan ve bu çalışmaya dahil olmayan Ted Sargent, "Format ekonomisi ilgi çekici bir kavramdır, çünkü metal format tuzları çok iyi huylu ve kararlıdır, iyi bir enerji taşıyıcısıdır. Yazarlar, bikarbonat ham maddesinden formata sıvıdan sıvıya dönüşümde verimliliğin arttığını ve bu yakıtların daha sonra elektrik üretmek için kullanılabileceğini gösterdiler" diyor.
Bu çalışma ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklendi.
Kaynak: MIT News
