Прорыв в материаловедении
Совместная группа ученых представила революционный углеродный материал, который может радикально снизить стоимость и энергопотребление технологии улавливания углерода, важнейшего инструмента в глобальной борьбе с изменением климата. Исследование, опубликованное на прошлой неделе в престижном журнале Nature Communications, описывает новый подход к разработке сорбентов на основе углерода, которые могут улавливать CO2 из промышленных выбросов и высвобождать его с минимальными затратами энергии, потенциально работая на отходящем тепле.
Команда под руководством доктора Ани Шармы, химика по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), и доктора Бена Картера, профессора химического машиностроения в Калифорнийском университете в Беркли, разработала новый класс пористых углеродных сорбентов, легированных азотом (НПУС). В отличие от обычных материалов, прорыв заключается в точном контроле над тем, как атомы азота интегрируются и располагаются в углеродной структуре на молекулярном уровне. «Мы обнаружили, что определенное расположение атомов азота создает «активные центры», которые не только сильнее связывают CO2, но и выделяют его с гораздо меньшими энергозатратами, чем считалось ранее», — объяснил доктор Шарма.
Одним из наиболее важных открытий является то, что некоторые варианты NPCS могут захватывать CO2, а затем выделять его при температуре ниже 60 °C. Это значительное улучшение по сравнению с современными системами улавливания на основе аминов, которые обычно требуют нагрева до 100–120 °C, потребляя значительную часть энергии, производимой теми самыми электростанциями, которые они пытаются декарбонизировать.
Сила точного машиностроения
Инновация заключается не только в поиске нового материала; речь идет о новом проекте материального дизайна. Исследователи использовали комбинацию передового компьютерного моделирования и экспериментального синтеза для точной настройки молекулярной архитектуры своих углеродных сорбентов. Систематически варьируя типы и положения атомов азота, таких как пиридиновый, пиррольный и графитовый азот, они смогли определить оптимальные конфигурации, которые действуют как высокоэффективные ловушки CO2.
Эта возможность низкотемпературного высвобождения меняет правила игры. Такие отрасли, как цементная, сталелитейная и химическая промышленность, производят огромное количество CO2, но также выделяют значительное количество низкопотенциального отходящего тепла, часто с температурой ниже 100 °C. Современные технологии улавливания углерода слишком энергоемки, чтобы эффективно использовать это отходящее тепло. Новый материал NPCS может изменить ситуацию, позволив установкам по улавливанию углерода работать на выбрасываемой в противном случае тепловой энергии, что значительно сократит эксплуатационные расходы. «Представьте себе будущее, в котором промышленные предприятия не только улавливают выбросы, но и перерабатывают собственное отходящее тепло. Этот материал значительно приближает эту концепцию к реальности», — заявил доктор Картер.
Решение ахиллесовой пяты технологии улавливания углерода
В течение многих лет непомерно высокая стоимость и высокие затраты на электроэнергию были основными препятствиями на пути широкого внедрения технологий улавливания, использования и хранения углерода (CCUS). Хотя этап регенерации эффективен при удалении CO2 из дымовых газов, этап регенерации, на котором уловленный CO2 высвобождается из сорбента для секвестрации или повторного использования, общеизвестно энергозатратен и часто составляет 70-80% от общих эксплуатационных затрат.
Открытие команды PNNL и Калифорнийского университета в Беркли напрямую направлено на устранение этой ахиллесовой пяты. Снижая энергию, необходимую для регенерации, примерно на 30-50% по сравнению с традиционными методами, материалы NPCS обещают значительное снижение общих эксплуатационных расходов. Кроме того, углеродные материалы, как правило, более стабильны и менее склонны к разложению, чем растворы жидких аминов, обеспечивая более длительный срок службы и снижая затраты на техническое обслуживание объектов улавливания.
Прокладывая путь к более экологичному будущему
Последствия этого исследования выходят далеко за рамки отдельных промышленных предприятий. Широкое и экономически эффективное улавливание углерода считается необходимым для достижения глобальных климатических целей, в том числе тех, которые изложены в Парижском соглашении. В случае успешного масштабирования эта технология может открыть новые возможности для декарбонизации секторов, которые в настоящее время не имеют жизнеспособных альтернатив.
Д-р. Лена Хансен, директор по климатической политике Глобального экологического совета, прокомментировала потенциальное воздействие: «Это именно та инновация, которая нам нужна для ускорения нашего перехода к экономике с нулевыми выбросами. Сделав улавливание углерода более доступным и энергоэффективным, этот новый материал может сделать CCUS гораздо более привлекательным и применимым решением во всем мире, особенно для стран, борющихся с экономическим бременем борьбы с изменением климата».
Находясь еще на лабораторной стадии, исследователи с оптимизмом смотрят на путь к коммерциализации. Следующие шаги включают расширение производства материалов, проведение пилотных испытаний в реальных промышленных условиях и дальнейшую оптимизацию материала для конкретных применений. Перспектива использования отработанного тепла для борьбы с выбросами углекислого газа открывает новое мощное направление для климатических технологий, которое потенциально изменит экономический ландшафт промышленной декарбонизации на десятилетия вперед.
