MIT-forskare har utvecklat ett nytt system som potentiellt kan användas för att omvandla kraftverksutsläpp av koldioxid till användbara bränslen för bilar, lastbilar, och flygplan, såväl som till kemiska råvaror för en mängd olika produkter.

Det nya membranbaserade systemet utvecklades av MIT postdoc Xiao-Yu Wu och Ahmed Ghoniem, Ronald C. Crane professor i maskinteknik, och beskrivs i ett papper i tidskriften ChemSusChem . Membranet, gjord av en förening av lantan, kalcium, och järnoxid, låter syre från en ström av koldioxid migrera till andra sidan, lämnar kolmonoxid bakom sig. Andra föreningar, känd som blandade joniska elektroniska ledare, är också under övervägande i deras labb för användning i flera applikationer inklusive syre- och väteproduktion.

Kolmonoxid som produceras under denna process kan användas som bränsle i sig själv eller kombineras med väte och/eller vatten för att göra många andra flytande kolvätebränslen såväl som kemikalier inklusive metanol (används som bilbränsle), syngas, och så vidare. Ghoniems labb undersöker några av dessa alternativ. Denna process skulle kunna bli en del av den svit av teknologier som kallas kolavskiljning, utnyttjande, och förvaring, eller CCUS, som om det tillämpas på elproduktion kan minska effekten av fossilbränsleanvändning på den globala uppvärmningen.

Membranet, med en struktur som kallas perovskit, är "100 procent selektiv för syre, "Låter bara dessa atomer passera, Wu förklarar. Separationen drivs av temperaturer på upp till 990 grader Celsius, och nyckeln till att få processen att fungera är att hålla syret som separeras från koldioxiden flytande genom membranet tills det når andra sidan. Detta kan göras genom att skapa ett vakuum på sidan av membranet mittemot koldioxidströmmen, men det skulle kräva mycket energi att underhålla.

I stället för ett vakuum, forskarna använder en ström av bränsle som väte eller metan. Dessa material oxideras så lätt att de faktiskt drar syreatomerna genom membranet utan att det krävs någon tryckskillnad. Membranet hindrar också syret från att migrera tillbaka och rekombineras med kolmonoxiden, att bilda koldioxid igen. I sista hand, och beroende på applikation, en kombination av visst vakuum och lite bränsle kan användas för att minska energin som krävs för att driva processen och producera en användbar produkt.

Den energiinsats som behövs för att hålla processen igång, Wu säger, är värme, som kan tillhandahållas av solenergi eller av spillvärme, en del kan komma från själva kraftverket och en del från andra källor. Väsentligen, processen gör det möjligt att lagra denna värme i kemisk form, för användning närhelst det behövs. Kemisk energilagring har mycket hög energitäthet - mängden energi som lagras för en given vikt av material - jämfört med många andra lagringsformer.

Vid denna tidpunkt, Wu säger, han och Ghoniem har visat att processen fungerar. Pågående forskning undersöker hur man kan öka syreflödet över membranet, kanske genom att ändra materialet som används för att bygga membranet, ändra ytornas geometri, eller lägga till katalysatormaterial på ytorna. Forskarna arbetar också med att integrera membranet i fungerande reaktorer och koppla ihop reaktorn med bränsleproduktionssystemet. De undersöker hur denna metod skulle kunna skalas upp och hur den kan jämföras med andra metoder för att fånga upp och omvandla koldioxidutsläpp, i fråga om både kostnader och effekter på den totala kraftverksdriften.

I ett naturgaskraftverk som Ghoniems grupp och andra har arbetat på tidigare, Wu säger att den inkommande naturgasen kan delas upp i två strömmar, en som skulle brännas för att generera elektricitet samtidigt som den producerar en ren ström av koldioxid, medan den andra strömmen skulle gå till bränslesidan av det nya membransystemet, tillhandahåller den syrereagerande bränslekällan. Den strömmen skulle producera en andra produktion från anläggningen, en blandning av väte och kolmonoxid känd som syngas, som är ett allmänt använt industriellt bränsle och råmaterial. Syngasen kan också läggas till det befintliga distributionsnätet för naturgas.

Metoden kan alltså inte bara minska utsläppen av växthusgaser; det skulle också kunna producera en annan potentiell intäktsström för att hjälpa till att täcka sina kostnader.

Processen kan fungera med alla nivåer av koldioxidkoncentration, Wu säger – de har testat det hela vägen från 2 procent till 99 procent – ​​men ju högre koncentration, desto effektivare är processen. Så, den är väl lämpad för den koncentrerade utströmmen från konventionella kraftverk som förbränner fossila bränslen eller de som är konstruerade för kolavskiljning, såsom syreförbränningsanläggningar.