Внутреннее отопление и окружающий ветер могли бы сделать прямой захват воздуха более дешевым и эффективным
То, что начиналось как простое поручение внести чек в кассу банка, превратилось в своего рода момент «ага», который можно встретить в основном в книгах и фильмах.
Исследователи из технологического института Джорджии работали над идеей упростить традиционные системы прямого улавливания воздуха (DAC). Их подход использовал поток окружающего ветра для подачи воздуха через новый вид углеродного волокна с покрытием для улавливания CO2. Это позволило бы избавиться от шумных вентиляторов, используемых во многих системах. А нити из углеродного волокна можно быстро нагревать для высвобождения захваченного углекислого газа с минимальными потерями тепла, повышая эффективность.
Но они боролись с тем, как использовать эти новые углеродные волокна с покрытием из сорбента для достижения максимального эффекта.
«Мне нужно было внести чек в банк, и я прошел через автосервис. У них были старые пневматические трубки, которые используются для транспортировки документов», — сказал Райан Лайвли, профессор Томаса К. Делоача в Школе химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии (ChBE). «В вашей карьере не так уж часто случаются моменты, когда загорается лампочка, но я увидел трубки и понял, что мы могли бы поместить волокна во что-то вроде контейнера для банковских трубок.
«Это в значительной степени то, что мы сделали, и это сработало».
Установив модули на основе пневматических трубок, команда приступила к тестированию своей системы. Они обнаружили, что могут производить углекислый газ достаточной чистоты для подземного улавливания и устранять многие существенные первоначальные затраты на создание типичных систем ЦАП. Они описали свой дизайн и подход в статье, опубликованной 12 июня в журнале Joule.
Райан Лайвли, Вон Хи Ли (на ноутбуке), Кристофер Джонс и Мэтью Реалфф разработали оптоволоконную систему ЦАП. Источник: Технологический институт Джорджии
«Эта работа не только концептуализировала новое поколение систем ЦАП, но и в некоторой степени продемонстрировала практические действия нашего изобретения», — сказал Вон Хи Ли, первый автор статьи и бывший аспирант лаборатории Лайвли. «Мы уже успешно улавливали окружающий CO2 с помощью нашего лабораторного модуля. Теперь важно расширить масштаб модуля. Поскольку все компоненты нашей системы имеются в продаже, а изготовление относительно простое, технических препятствий для крупномасштабного изготовления модуля должно быть немного».
По крайней мере, в теории команда выполнила это масштабирование, используя свои экспериментальные данные для прогнозирования экономики практической системы. Они обнаружили, что система может улавливать CO2 по цене от 150 до 200 долларов за тонну — значительно дешевле, чем строящиеся коммерческие системы, которые, по оценкам, улавливают углерод по цене от 300 до 600 долларов за тонну.
Более простой подход
Соавторами исследования являются исследователи из ChBE, которые позиционируют Georgia Tech как лидера в области технологии прямого улавливания воздуха. Профессора Кристофер Джонс и Мэтью Реалфф работают с Lively над полным спектром DAC, от молекулярного до системного уровня.
В этой работе представлены два ключевых достижения. Системы DAC используют тепло для выделения CO2 из насыщенных фильтрующих материалов. CO2 собирается и затем может быть закачан под землю или, возможно, использован для производства топлива или химикатов. Как правило, в системах используется внешний источник отопления. Пар — популярный выбор, потому что он быстрый и мощный, но он также вреден и требует дополнительной стадии конденсации. Эти системы также требуют изоляции, чтобы предотвратить утечку всего этого тепла, поэтому они громоздкие и дорогие.
Тепловизионное устройство показывает распределение тепла в покрытых сорбентом углеродных волокнах, которые являются ключевым компонентом более дешевой в изготовлении и эффективной системы прямого улавливания воздуха, предложенной исследователями Технологического института Джорджии. Автор: Кэндлер Хоббс, Технологический институт Джорджии
Лайвли и его команда создали уникальные нити из углеродного волокна, покрытые углеродсодержащим сорбентом. Сердцевина из углеродного волокна нагревается изнутри наружу, что обеспечивает быстрое и равномерное распределение тепла.
«Волокна очень, очень однородные. Когда вы подключаете все это к электрической системе, вы распределяете эту энергию удивительно равномерно, что необычно для систем резистивного нагрева», — сказал Лайвли. «Мы не первые, кто придумал резистивный нагрев для регенерации устройства для улавливания углерода. Но, как правило, нагрев был либо медленным, либо неравномерным. Есть места, где вы нагреваете воздух вместо того, что пытаетесь нагреть.»
В целом система исследователей использует меньше компонентов. В конструкции используется серия модулей в стиле банковских трубок с нитями из углеродного волокна, расположенными по кругу, для улавливания CO2 независимо от того, в какую сторону дует ветер. В системе используется один вакуумный насос, который перемещается от модуля к модулю на этапе регенерации. И нет необходимости в парогенераторах, насосах и конденсаторах для высвобождения CO2 и «подзарядки» нитей. Оба этих изменения означают, что система в целом стала проще и дешевле в сборке и развертывании.
«Капитальные затраты на эту систему значительно ниже, чем у многих существующих систем ЦАП, из-за отсутствия вспомогательных систем, таких как парообразование», — сказал Реалфф. «Затраты на электроэнергию по-прежнему являются проблемой, и нам необходимо увеличить количество CO2, которое мы можем адсорбировать в устройстве, чтобы при разумном нагреве волокон не расходовалась слишком большая часть общего тепла».
Но Реалфф сказал, что быстрый нагрев и быстрая цикличность работы системы открывают большие перспективы для более продуктивного подхода к прямому улавливанию воздуха. «Тот факт, что мы смогли создать работающий прототип и продемонстрировать его в лабораторных условиях за несколько месяцев, является замечательной особенностью технологии», — сказал он.
В идеале система DAC команды могла бы быть расположена на ветроэлектростанции, использующей возобновляемую энергию от ветряных турбин. Но даже при использовании энергии от существующей электросети анализ Reallf показал, что проект команды все равно удалит из атмосферы достаточное количество CO2, чтобы быть углеродно-отрицательным.
Еще одним преимуществом подхода команды является использование нити из углеродного волокна. Материал обладает нужными механическими и электрическими свойствами, он легкодоступен, устойчиво производится в больших количествах и не является чрезмерно дорогим.
Теперь команда стремится повысить качество производимого ими углекислого газа. Они достигли 80% чистоты — этого достаточно для подземного хранения, но они хотели бы достичь 99% чистоты, необходимой для продуктивного повторного использования, например, для производства химикатов или топлива. Они работают с Технологическим исследовательским институтом Джорджии над усовершенствованием и автоматизацией своей системы с учетом этой цели, и они работают над установкой тестовой системы на крыше здания кампуса.
«Я работал над DAC более десяти лет, и почти все проекты, которые я видел, основаны в первую очередь на тепловой энергии для десорбции», — сказал Джонс, который также является председателем школы Джона Ф. Брока III в ChBE. «Технология, которая обеспечивает как быстрое локальное отопление, так и использование возобновляемой электроэнергии, расширяет возможности разработчика технологии DAC по проектированию».