Questa animazione mostra la configurazione del flash a due fasi, uno dei numerosi processi descritti in un nuovo studio che illustra in dettaglio come EEMPA, un solvente sviluppato dal Pacific Northwest National Laboratory, può catturare il carbonio dai gas di combustione emessi dalle centrali elettriche. Da sinistra a destra, EEMPA (rosso) interagisce prima con i fumi (nero), dove assorbe anidride carbonica. Quindi, come solvente saturo (blu), EEMPA viene privato dell'anidride carbonica in serbatoi ad alta e bassa pressione. Finalmente, il solvente strippato viene reintrodotto nell'assorbitore di anidride carbonica, dove ricomincia il processo. Credito:Michael Perkins | Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale
Come parte di una maratona di ricerca per ridurre il costo della cattura del carbonio, i chimici hanno ora dimostrato un metodo per catturare l'anidride carbonica (CO 2 ) che riduce i costi del 19% rispetto all'attuale tecnologia commerciale. La nuova tecnologia richiede il 17% in meno di energia per svolgere lo stesso compito delle sue controparti commerciali, superando le barriere che hanno impedito ad altre forme di cattura del carbonio un uso industriale diffuso. E può essere facilmente applicato nei sistemi di acquisizione esistenti.
In uno studio pubblicato nell'edizione di marzo 2021 di International Journal of Greenhouse Gas Control , i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, insieme ai collaboratori della Fluor Corp. e dell'Electric Power Research Institute, descrivono le proprietà del solvente, noto come EEMPA, che gli permettono di eludere le richieste energeticamente costose sostenute dai solventi tradizionali.
"EEMPA ha alcune qualità promettenti, ", ha affermato l'ingegnere chimico Yuan Jiang, autore principale dello studio. "Può catturare l'anidride carbonica senza un alto contenuto di acqua, quindi è magro per l'acqua, ed è molto meno viscoso di altri solventi magri d'acqua."
I metodi di cattura del carbonio sono diversi. Si va dalle ammine acquose, i solventi ricchi di acqua che attraversano le odierne unità di cattura disponibili in commercio, che Jiang ha usato come confronto industriale, con membrane ad alta efficienza energetica che filtrano la CO 2 dai fumi emessi dalle centrali elettriche.
CO . atmosferica attuale 2 i livelli sono aumentati vertiginosamente negli ultimi anni rispetto a qualsiasi altro punto negli ultimi 800, 000 anni, come un nuovo record di 409,8 parti per milione è stato raggiunto nel 2019. CO 2 viene rilasciato principalmente attraverso attività umane come la combustione di combustibili fossili, e le concentrazioni atmosferiche odierne superano i livelli preindustriali del 47 percento.
Ad un costo di $ 400- $ 500 milioni per unità, la tecnologia commerciale può catturare il carbonio a circa $ 58,30 per tonnellata di CO 2 , secondo un'analisi del DOE. EEMPA, secondo lo studio di Jiang, può assorbire CO 2 dai gas di combustione della centrale elettrica e successivamente rilasciarlo come CO . pura 2 per un minimo di $ 47,10 per tonnellata, offrendo un'opzione tecnologica aggiuntiva agli operatori delle centrali elettriche per catturare la loro CO 2 .
Lo studio di Jiang ha descritto sette processi che le centrali elettriche possono adottare quando si utilizza EEMPA, che vanno da semplici configurazioni simili a quelle descritte nella tecnologia degli anni '30, a configurazioni multistadio di maggiore complessità. Jiang ha modellato i costi energetici e dei materiali per eseguire tali processi in una centrale elettrica a carbone da 550 megawatt, scoprendo che ogni metodo si fonde vicino al segno di $ 47,10 per tonnellata metrica.
Risolvere i problemi di un solvente
Uno dei primi brevetti noti per la tecnologia di cattura del carbonio a base di solventi è apparso nel 1930, presentata da Robert Bottoms.
"Non ti prendo in giro, " disse il chimico verde David Heldebrant, coautore del nuovo studio. "Novantuno anni fa, Bottoms ha utilizzato quasi lo stesso processo di progettazione e chimica per affrontare quello che oggi conosciamo come un problema del 21° secolo".
Il processo chimico per l'estrazione della CO 2 dal gas di post-combustione rimane sostanzialmente invariato:le ammine ricche di acqua si mescolano con i fumi, assorbire CO 2 e vengono successivamente spogliati del gas, che viene poi compresso e memorizzato. Ma le ammine acquose hanno dei limiti. Perché sono ricchi d'acqua, devono essere bolliti ad alte temperature per eliminare la CO 2 e poi raffreddati prima di poter essere riutilizzati, spingendo i costi verso l'alto.
"Volevamo colpirlo dall'altra parte e chiedere, perché non usiamo la chimica del 21° secolo per questo?" ha detto Heldebrant. nel 2009, lui ei suoi colleghi hanno iniziato a progettare solventi magri come alternativa. I primi solventi erano troppo viscosi per essere utilizzabili.
"'Aspetto, '" ha ricordato i partner del settore dicendo, "'Il tuo solvente si sta congelando e si sta trasformando in vetro. Non possiamo lavorare con questo.' Così, Noi abbiamo detto, OK. Sfida accettata."
Nel decennio successivo, il team del PNNL ha affinato la chimica del solvente con l'obiettivo esplicito di superare la "barriera di viscosità". Il tasto, si è scoperto, consisteva nell'usare molecole allineate in modo da promuovere il legame idrogeno interno, lasciando meno atomi di idrogeno per interagire con le molecole vicine.
Heldebrant fa un paragone con i bambini che corrono in una vasca di palline:se due bambini si tengono per mano mentre attraversano, si muovono lentamente. Ma se invece si tengono per mano, passano come due più piccoli, oggetti che si muovono più velocemente. Il legame idrogeno interno lascia anche meno atomi di idrogeno con cui interagire in generale, simile a rimuovere le palline dalla fossa.
Perno verso la plastica
Dove un tempo il solvente della squadra era viscoso come il miele, ora scorreva come l'acqua dal bollitore. EEMPA è il 99% meno viscoso rispetto alle precedenti formulazioni a base di acqua di PNNL, ormai quasi alla pari con i solventi commerciali, consentendo loro di essere utilizzati nelle infrastrutture esistenti, che è in gran parte costruito in acciaio. Ruotando sulla plastica al posto dell'acciaio, la squadra ha trovato, può ridurre ulteriormente i costi delle apparecchiature.
L'acciaio è costoso da produrre, costoso da spedire e tende a corrodersi nel tempo a contatto con i solventi. A un decimo del peso, sostituire la plastica con l'acciaio può ridurre il costo complessivo di altri $ 5 per tonnellata, secondo uno studio condotto da Jiang nel 2019.
L'abbinamento con la plastica offre un altro vantaggio a EEMPA, la cui superficie reattiva è potenziata nei sistemi plastici. Poiché le ammine acquose tradizionali non possono "bagnare" anche la plastica (si pensi alle perle d'acqua sul teflon), questo vantaggio è unico per il nuovo solvente.
Il team PNNL prevede di produrre 4, 000 galloni di EEMPA nel 2022 da analizzare su una scala di 0,5 megawatt all'interno delle strutture di prova presso il National Carbon Capture Center nella contea di Shelby, Alabama, in un progetto guidato dall'Electric Power Research Institute in collaborazione con Research Triangle Institute International. Continueranno a testare su scale crescenti e a perfezionare ulteriormente la chimica del solvente, con l'obiettivo di raggiungere l'obiettivo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di implementare la tecnologia disponibile in commercio in grado di catturare la CO 2 al costo di $ 30 per tonnellata entro il 2035.
