能源部太平洋西北国家实验室的研究人员在不断努力使碳捕获更加经济实惠的过程中开发了一种方法，可将捕获的二氧化碳 (CO2) 转化为天然气的主要成分甲烷。
通过简化 CO2转化为甲烷的长期过程，研究人员的新方法减少了运行反应所需的材料、为反应提供燃料所需的能源，并最终降低了天然气的售价。
一个名为 EEMPA 的关键化学参与者使该过程成为可能。EEMPA 是 PNNL 开发的溶剂，可从发电厂烟气中提取CO2，结合温室气体，使其转化为有用的化学品。
今年早些时候，PNNL 研究人员透露，在发电厂中使用 EEMPA 可以将碳捕获价格削减至比标准行业成本低 19%——碳捕获的最低记录价格。现在，在 8 月 21 日星期五发表在 ChemSusChem 杂志上的一项研究中，该团队揭示了一种新的激励措施——使用更便宜的天然气——以进一步降低成本。
与传统的甲烷转化方法相比，新工艺所需的初始投资成本降低了 32%。运维成本降低35%，合成天然气售价降低12%。
甲烷在碳捕获中的作用
将CO2转化为甲烷的不同方法早已为人所知。然而，大多数工艺依赖于高温，并且对于广泛的商业用途而言通常过于昂贵。
除了地质生产，甲烷还可以从可再生或回收的 CO2来源中生产，并且可以用作燃料本身或作为 H2能源载体。主要作者兼 PNNL 化学家 Jotheeswari Kothandaraman 说，虽然它是一种温室气体，需要仔细的供应链管理，但甲烷有许多应用，从家庭使用到工业过程。
“目前，美国使用的大部分天然气必须从地下抽出，”Kothandaraman 说，“预计需求会随着时间的推移而增加，即使在减缓气候变化的途径下也是如此。这一过程产生的甲烷-- 使用废弃的 CO2和可再生来源的氢气制成-- 可以为寻求具有可再生成分和较低碳足迹的天然气的公用事业和消费者提供替代方案。”
计算成本和捕获碳
为了探索使用 EEMPA 将 CO2转化为甲烷，Kothandaraman 和她的同事研究了该反应的分子基础，然后评估了在 550 兆瓦发电厂中大规模运行该过程的成本。
传统上，工厂运营商可以通过使用特殊溶剂在烟气从工厂烟囱排放之前对其进行浸泡来捕获 CO2。但这些传统溶剂的含水量较高，甲烷转化困难。
相反，使用 EEMPA 可以减少为这种反应提供燃料所需的能量。节省的部分原因是 EEMPA 能够使 CO2更容易溶解，这意味着运行转化所需的压力更小。
作者的评估确定了进一步的成本节约，因为 EEMPA 捕获的CO2可以在现场转化为甲烷。传统上，CO2从富含水的溶剂中分离出来，然后运往现场进行转化或储存在地下。在新方法下，捕获的 CO2可以在一个简单的腔室中与可再生氢和催化剂混合，然后加热到传统方法所用压力的一半来制造甲烷。
作者说，该反应是有效的，将捕获的 CO2 的90% 以上转化为甲烷，尽管最终的温室气体足迹取决于甲烷的用途。EEMPA 可捕获烟道气中排放的95% 以上的 CO2。新工艺也会释放多余的热量，为发电提供蒸汽。
从 CO2 中获得更多
Kothandaraman 说，论文中强调的化学过程代表了许多途径中的一种，其中捕获的 CO2可用作生产其他有价值化学品的原料。
“当我可以让这个过程像现在对甲烷一样有效地用于甲醇时，我会很高兴，”她说。“这是我的长期目标。”Kothandaraman 说，甲醇比甲烷具有更多的应用，他在大约十年的时间里一直试图揭示可以从 CO2生产甲醇的催化反应。从捕获的 CO2 中制造塑料是该团队计划探索的另一条路线。
SoCalGas 高级技术开发经理 Ron Kent 说：“重要的是，我们不仅要捕获 CO2，还要找到使用它的有价值的方法，而且这项研究提供了一种经济高效的途径，可以从废弃的 CO2 中制造有价值的东西.”
这项名为“使用贫水、燃烧后 CO2捕集溶剂对 CO2 进行综合捕集和转化”的研究得到了 SoCalGas 和能源部技术商业化基金和科学办公室的支持。
除了 Kothandaraman 之外，作者还包括 PNNL 科学家 Johnny Saavedra Lopez、Yuan Jiang、Eric D. Walter、Sarah D. Burton、Robert A. Dagle 和 David J. Heldebrant，他们在华盛顿州立大学拥有联合任命。
