Berkeley Lab driver en portfölj av negativa utsläppstekniker och relaterad forskning för att avlägsna koldioxid från atmosfären. Kredit:Gary Whitton/Shutterstock
Mänsklig aktivitet leder nu till att motsvarande 40 miljarder ton koldioxid släpps ut i atmosfären varje år, sätta oss på rätt spår för att öka planetens temperatur med 1,5 grader Celsius över förindustriella nivåer till 2040. Enligt Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vi måste begränsa den globala uppvärmningen till 1,5 grader Celsius för att undvika de farligaste effekterna av klimatförändringarna.
Alltmer, Forskare inser att negativa utsläppstekniker (NET) för att avlägsna och binda koldioxid från atmosfären kommer att vara en viktig komponent i strategin för att mildra klimatförändringarna. Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ett multidisciplinärt forskningslabb vid Institutionen för energi, driver en portfölj av negativa utsläppstekniker och relaterad forskning. Dessa sträcker sig från geologisk och terrestrisk sekvestrering, att konvertera till bioprodukter, till termiska reaktorer för vätgasbränslen.
En lovande teknik under utveckling för NET är kolavskiljning med ett material som kallas MOF, eller metall-organisk ram. Jeffrey Long, en senior vetenskapsman vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och även professor vid UC Berkeleys College of Chemistry, har arbetat med detta unika material i ett antal år.
F. Vad är en MOF och vilken roll kan den spela för att minska CO 2 utsläpp?
EN MOF, eller metall-organisk ram, är en typ av fast material som är mycket poröst och beter sig som en svamp, kan suga upp stora mängder av en specifik gasmolekyl, som koldioxid. De har funnits i ungefär 20 år, och det har skett en explosion i forskningen under det senaste decenniet när forskare hittar fler och fler praktiska tillämpningar. Det som är utmärkande med MOF är att de har extremt höga inre ytareor. Bara ett gram av en MOF, en mängd som liknar en sockerbit, kan ha en yta som är större än en fotbollsplan. Följaktligen, om den är rätt utformad, en liten mängd MOF kan ta bort en enorm mängd CO 2 från de avgaser som produceras vid förbränning av fossila bränslen.
Vi gjorde en otrolig upptäckt för några år sedan att vissa MOF kan fånga upp koldioxid genom en aldrig tidigare skådad switchliknande mekanism. Vi har ytterligare optimerat materialet för effektivt avlägsnande av CO 2 från ett kraftverks rökkanal innan gasen kommer ut i atmosfären. Vi visade att infångning och frisättning av koldioxid från MOF kunde åstadkommas med mycket mindre temperaturförändringar än vad som krävs för andra teknologier, ger det en stor fördel jämfört med konventionella sätt att fånga CO 2 . (Den adsorberade CO 2 kan sedan användas i andra produkter.) Denna strategi eliminerar behovet av att avleda högt värde, högtemperaturånga borta från kraftproduktion, undvika en stor ökning av kostnaderna för el. Under dessa ansträngningar, vi visade också att varianter av MOF kan vara effektiva för att avlägsna CO 2 från andra gasblandningar, inklusive biogas, naturgas, och även direkt från luften.
För direkt luftinfångning, MOF är det bästa sättet vi har att göra det på som jag ser. För kolavskiljningsdelen av BECCS (eller bioenergi med kolavskiljning och lagring, en ny teknik för negativa utsläpp), där du i huvudsak odlar träd eller grödor, förbränna dem för bränsle, sedan fånga och beslagta den CO 2 , Jag tror att MOFs också skulle kunna göra infångningsdelen bättre än något annat material.
F. Det låter mycket lovande. Vad är statusen för denna teknik nu? Används det kommersiellt?
Ett startup-företag som heter Mosaic Materials (som jag har ett ekonomiskt intresse i) bildades 2014 för att bedriva kommersiell produktion av MOF för olika CO 2 separationsprocesser. På Berkeley Lab leder vi ett projekt finansierat genom National Energy Technology Laboratory (NETL) där vi arbetar med Mosaic Materials och ett kanadensiskt ingenjörsföretag som heter Svante för att genomföra en pilotdemonstration för ett koleldat kraftverks rökgas.
Här, användning av MOF i ett unikt roterande bäddsystem kan uppnå snabba cykeltider för infångning och släppning och minskad energiförbrukning. I sista hand, man föreställer sig att en omfattande kommersiell användning av sådan teknik kan resultera i en dramatisk minskning av kostnaden och energin i samband med kolavskiljning, eftersom det nödvändigtvis implementeras över hela världen.
Någon annanstans, MOF:er används kommersiellt för säker förvaring av andra farliga gaser. För CO2-avskiljning, Jag skulle säga att de nu är nära att vara redo för kommersiell distribution.
F. Om så är fallet, vilken ytterligare forskning om MOF behövs då?
Vi måste sänka kostnaderna för direkt luftinfångning dramatiskt. Det är väldigt dyrt att göra nu. Det finns företag som redan gör det – de bygger enheter med fläktar som blåser luft genom enheter som innehåller porösa material – men materialen som används är inte särskilt effektiva, vilket gör enheterna extremt dyra i drift. Kostnaden för att ta bort CO 2 med en sådan teknik är för närvarande i storleksordningen $500 till $1, 000 per ton. Vi måste ta fram material med högre prestanda för att få ner kostnaden under 100 USD per ton.
Huvudfrågan bakom denna höga kostnad är mängden energi som krävs för att regenerera adsorbenten – det vill säga, för att släppa CO 2 i ren form så att materialet sedan kan användas igen för att fånga upp mer CO 2 . Här, vi tror att den kooperativa adsorptionsmekanismen som är tillgänglig i MOFs avsevärt kan minska värme- och vakuumkraven för regenerering.
En annan tanke, fastän, är den energi som krävs för att blåsa luft. Om du har en luftström som kommer in är det 410 delar per miljon CO 2 , en av svårigheterna är att de flesta material kan ta bort en liten mängd av det och sänka CO 2 koncentration till, säga, 300 ppm, fångar upp 25 % av CO 2 . Det är vad som kallas fångsthastigheten. Och sedan för att fånga mer, du måste i princip flöda mer luft genom materialet för att fylla upp det.
Men med en fångsthastighet på, säga, 90 % kan du sänka CO 2 koncentration till 40 delar per miljon med en enda passage. Det betyder att du blåser mycket mindre luft för att ta bort CO 2 och därmed spara energi.
Ett av våra forskningsmål är att utveckla material som har hög kapacitet, hög fångsthastighet, snabb kinetik för CO 2 adsorption, och en låg regenereringstemperatur, samtidigt som du begränsar samadsorptionen av vatten så att du inte slösar energi på dess desorption om du inte behöver det. Kinetiken betyder hur snabbt CO 2 tas upp av materialet.
Jag tror att det finns en väg att komma till under $100 per ton CO 2 borttagen från luften. Det återstår mycket forskning för att nå dit. Vi måste verkligen ompröva några av de sätt som materialen är designade på och förstå hur man manipulerar saker som delta-S (entropi) för CO 2 adsorption, så att mindre värme krävs för CO 2 släpp.
