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分離二氧化碳,儲(chǔ)能電池應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性仍待考量
日期:2019-11-11   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:chengling 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:近日,科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),電池的電流效率超過90%,每分離一摩爾的二氧化碳(44克)需要消耗40-90kJ的能量,且可以長期運(yùn)行,7000次充放電循環(huán)后容量損失不超過30%。

儲(chǔ)能與碳捕捉與儲(chǔ)存(Carben Capture and Storage, 簡稱CCS)看似是毫不相關(guān)的兩個(gè)領(lǐng)域,但是來自麻省理工的科學(xué)家Sahag Voskian和T. Alan Hatton改變了這一點(diǎn)。他們研發(fā)出了一種新型CCS技術(shù),通過一塊儲(chǔ)能電池的充放電過程,在充電過程中將二氧化碳從濃度低至0.6%-10%的氣流中分離出來,并在放電過程中釋放純凈的二氧化碳。電池的電流效率超過90%,每分離一摩爾的二氧化碳(44克)需要消耗40-90kJ的能量,且可以長期運(yùn)行,7000次充放電循環(huán)后容量損失不超過30%。這一結(jié)果于9月30日發(fā)布在能源頂級(jí)期刊Energy& Environmental Science上。

CCS技術(shù)簡介

由二氧化碳引起的全球變暖帶來的威脅是本世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC于2018年10月發(fā)布的《IPCC 全球升溫 1.5oC 特別報(bào)告》,如果想要將全球變暖控制在1.5°C以內(nèi),全球碳排放在2030年下降到2010年的55%,到2050年人類實(shí)現(xiàn)零排放。這就需要從空氣中除去二氧化碳來平衡碳排放。

相關(guān)的研究也早已開展。目前比較成熟的技術(shù)是氧燃料燃燒(通過使用純氧而不是空氣使燃料燃燒,從而得到高二氧化碳濃度的廢氣,便于二氧化碳儲(chǔ)存)加溶液洗滌(通常為胺洗)。這個(gè)過程要求二氧化碳濃度大于10%,且需要對(duì)電廠進(jìn)行大規(guī)模的改造。許多技術(shù)通過化學(xué)過程吸收二氧化碳,這就需要吸收器的再生以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。目前再生的手段主要可以分為“熱變化”(Termal-swing)和“壓力變化”(Pressure-swing)兩種,但這兩種方式需要大量能量,用于將加熱吸收器或?qū)⑽掌鞒檎婵铡R虼?,能量利用效率都很低?br />
除此之外,CCS的應(yīng)用場景不應(yīng)僅限于處理高濃度的二氧化碳流,在一些特殊環(huán)境,如太空站、飛機(jī)機(jī)艙、潛水艇等封閉環(huán)境中,需要從二氧化碳濃度很低的空氣中分離二氧化碳。這樣的技術(shù)也能成為人類在用盡碳排放指標(biāo)后力挽狂瀾的工具。

所以,雖然關(guān)于CCS的研究已經(jīng)持續(xù)了很多年,且碳交易為CCS的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用提供了可能,但是目前電廠應(yīng)用CCS的實(shí)現(xiàn)減排的成本依舊十分高昂。據(jù)IPCC估計(jì),一座燃煤電站應(yīng)用CCS能夠減少80%-90%的碳排放,但也會(huì)因此增加25%-40%的能源消耗和21%-91%的成本。2015年,商務(wù)部將CCS稱為“應(yīng)對(duì)全球變暖的一種重要方案”,同時(shí)也稱為其“一項(xiàng)昂貴的實(shí)驗(yàn)品”。

新技術(shù)原理與特點(diǎn)

在這項(xiàng)研究中,MIT科學(xué)家沒有使用傳統(tǒng)的“熱變化”或“壓力變化”吸收體,而是采用“電變化”(Electro-Swing)吸收器。由于電化學(xué)過程近乎等溫等壓,能極大地提升其能量利用效率。整個(gè)裝置的核心部件就是這個(gè)“電變化”吸收器。吸收器由三部分組成:兩片涂有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物納米管涂層的電極,中間是聚乙烯二茂鐵納米管復(fù)合材料制成的電極。在陰陽極之間是絕緣材料。

接下來的內(nèi)容涉及大量化學(xué),對(duì)化學(xué)有恐懼癥的小伙伴可以跳過。充電時(shí),蒽醌上的兩個(gè)氧原子得電子,形成負(fù)電中心(或者說使其具有足夠的路易斯堿強(qiáng)度),吸引二氧化碳中位于正電中心附近的碳原子,使醌羧酸化,捕獲二氧化碳。由于氮?dú)夂脱鯕舛疾痪邆溥@樣的路易斯酸強(qiáng)度,所以反應(yīng)有很好的選擇性。充電電壓越高,氧原子被極化得越明顯,反應(yīng)速率越快,但能量損失更大,因此從能量的角度,應(yīng)該使充電電壓略大于反應(yīng)需要的電壓,在純氮?dú)鈼l件下大約是1.21V左右,隨二氧化碳濃度變化。

這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)在于電極材料的選擇和制作。首先,需要能選擇性捕獲二氧化碳;其次,電極表面需要較大的表面積,增加反應(yīng)速率,這對(duì)于從低濃度的二氧化碳源中捕獲二氧化碳尤為重要;最后,還需要良好的導(dǎo)電性,這一點(diǎn)通過聚蒽醌中的離域π鍵得以實(shí)現(xiàn)。

成本和儲(chǔ)能密度方面,作者沒有過多提及。不過可以猜的是,這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)好于原有的技術(shù)。一方面,電極沒有用到稀有金屬,所使用的蒽醌和二茂鐵也都實(shí)現(xiàn)了人工合成,成本不會(huì)太高。另一方面,這項(xiàng)技術(shù)既可以用于碳交易,用于電力負(fù)荷的削峰填谷,反應(yīng)過程不需要加熱或加壓,也節(jié)省了大量能源開支,捕獲的二氧化碳還可用于生產(chǎn)尿素等工業(yè)產(chǎn)品。不過,其儲(chǔ)能密度應(yīng)該不大。一方面,部分空間需要留作氣道,增加了裝置的體積,另一方面,真正發(fā)生反應(yīng)的只有表面的一層聚蒽醌,能儲(chǔ)存的電量有限。由于捕獲二氧化碳終究需要能量,其單次循環(huán)效率不高。不過,這項(xiàng)技術(shù)最初就是作為碳捕獲技術(shù)而研究,其儲(chǔ)能的特性可以作為錦上添花。

目前,研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立了一家名為Verdox的公司,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。

原標(biāo)題:分離二氧化碳,儲(chǔ)能電池應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性仍待考量
 
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來源:電池中國網(wǎng)
 
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