Naukowcy wykazali, w jaki sposób można wychwytywać dwutlenek węgla z procesów przemysłowych – a nawet bezpośrednio z powietrza – i przekształcać go w czyste, zrównoważone paliwa przy użyciu wyłącznie energii słonecznej.
Naukowcy z University of Cambridge opracowali reaktor zasilany energią słoneczną, który przekształca wychwycony CO2 i odpady z tworzyw sztucznych w zrównoważone paliwa i inne cenne produkty chemiczne. Podczas testów CO2 został przekształcony w gaz syntezowy, który jest kluczowym budulcem zrównoważonych paliw płynnych, a plastikowe butelki zostały przekształcone w kwas glikolowy, który jest szeroko stosowany w przemyśle kosmetycznym.
Jednak w przeciwieństwie do wcześniejszych testów ich technologii paliw słonecznych, zespół pobrał CO2 z rzeczywistych źródeł – takich jak spaliny przemysłowe lub samo powietrze. Naukowcom udało się wychwycić i skoncentrować CO2 oraz przekształcić go w zrównoważone paliwo.
Chociaż potrzebne są ulepszenia, zanim ta technologia będzie mogła być stosowana na skalę przemysłową, wyniki opisane w czasopiśmie Joule stanowią kolejny ważny krok w kierunku produkcji czystych paliw napędzających gospodarkę, bez konieczności niszczącego środowisko wydobycia ropy i gazu.
Od kilku lat grupa badawcza profesora Erwina Reisnera, z siedzibą na Wydziale Chemii Yusufa Hamieda, opracowuje zrównoważone paliwa o zerowej zawartości węgla netto inspirowane fotosyntezą – procesem, w którym rośliny przekształcają światło słoneczne w żywność – przy użyciu sztucznych liści. Te sztuczne liście przekształcają CO2 i wodę w paliwa, wykorzystując tylko moc słońca.
Do tej pory ich eksperymenty napędzane energią słoneczną wykorzystywały czysty, skoncentrowany CO2 z butli, ale aby technologia miała praktyczne zastosowanie, musi być w stanie aktywnie wychwytywać CO2 z procesów przemysłowych lub bezpośrednio z powietrza. Ponieważ jednak CO2 jest tylko jednym z wielu rodzajów cząsteczek w powietrzu, którym oddychamy, uczynienie tej technologii wystarczająco selektywnej, aby przetwarzać bardzo rozcieńczony CO2, stanowi ogromne wyzwanie techniczne.
„Nie interesuje nas tylko dekarbonizacja, ale także defosylizacja – musimy całkowicie wyeliminować paliwa kopalne, aby stworzyć gospodarkę o obiegu zamkniętym” – powiedział Reisner. „W perspektywie średnioterminowej ta technologia może pomóc w zmniejszeniu emisji dwutlenku węgla poprzez wychwytywanie go z przemysłu i przekształcanie go w coś użytecznego, ale ostatecznie musimy całkowicie wyeliminować paliwa kopalne z równania i wychwytywać CO2 z powietrza”.
Naukowcy czerpali inspirację z wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS), w ramach którego CO2 jest wychwytywany, a następnie pompowany i składowany pod ziemią.
„CCS to technologia popularna w przemyśle paliw kopalnych jako sposób na ograniczenie emisji dwutlenku węgla przy jednoczesnym kontynuowaniu poszukiwań ropy i gazu” — powiedział Reisner. „Ale gdybyśmy zamiast wychwytywania i składowania dwutlenku węgla mieli wychwytywanie i utylizację dwutlenku węgla, moglibyśmy zrobić coś pożytecznego z CO2 zamiast zakopywać go pod ziemią, z nieznanymi długoterminowymi konsekwencjami, i wyeliminować stosowanie paliw kopalnych”.
Naukowcy dostosowali swoją technologię napędzaną energią słoneczną tak, aby działała z gazami spalinowymi lub bezpośrednio z powietrza, przekształcając CO2 i tworzywa sztuczne w paliwo i chemikalia przy użyciu wyłącznie energii słonecznej.
Przepuszczając powietrze przez system zawierający roztwór alkaliczny, CO2 zostaje selektywnie uwięziony, a inne gazy obecne w powietrzu, takie jak azot i tlen, nieszkodliwie wydostają się na zewnątrz. Ten proces bulgotania pozwala naukowcom skoncentrować CO2 z powietrza w roztworze, ułatwiając pracę.
Zintegrowany system zawiera fotokatodę i anodę. System ma dwa przedziały: z jednej strony wychwytywany jest roztwór CO2, który zostaje przekształcony w gaz syntezowy, proste paliwo. Z drugiej strony tworzywa sztuczne są przekształcane w użyteczne chemikalia przy użyciu wyłącznie światła słonecznego.
„Plastikowy element jest ważną sztuczką tego systemu” – powiedział współautor, dr Motiar Rahaman. „Wychwytywanie i wykorzystywanie CO2 z powietrza utrudnia chemię. Ale jeśli dodamy do systemu odpady z tworzyw sztucznych, tworzywa sztuczne oddadzą elektrony CO2. Plastik rozkłada się na kwas glikolowy, który jest szeroko stosowany w przemyśle kosmetycznym, a CO2 jest przekształcany w gaz syntezowy, który jest prostym paliwem”.
„Ten zasilany energią słoneczną system wykorzystuje dwa szkodliwe produkty odpadowe – plastik i emisje dwutlenku węgla – i przekształca je w coś naprawdę użytecznego” – powiedział współautor dr Sayan Kar.
„Zamiast składować CO2 pod ziemią, jak w CCS, możemy wychwytywać go z powietrza i wytwarzać z niego czyste paliwo” – powiedział Rahaman. „W ten sposób możemy odciąć przemysł paliw kopalnych od procesu produkcji paliw, co, miejmy nadzieję, pomoże nam uniknąć zniszczenia klimatu”.
„Fakt, że możemy skutecznie pobierać CO2 z powietrza i robić z niego coś użytecznego, jest wyjątkowy” – powiedział Kar. „To satysfakcjonujące, gdy widzimy, że możemy to zrobić, używając tylko światła słonecznego”.
Naukowcy pracują obecnie nad stołowym urządzeniem demonstracyjnym o zwiększonej wydajności i praktyczności, aby podkreślić korzyści płynące z połączenia bezpośredniego wychwytywania powietrza z wykorzystaniem CO2 jako drogi do przyszłości bezemisyjnej.