Elektřina z oxidu uhličitého

Ve světě jsou elektrárny odpovědné za produkci přibližně 12 miliard tun CO₂ ročně. K tomuto číslu je třeba připočítat i 11 miliard tun emitovaných dalšími zdroji, například auty nebo lokálními topeništi. Tyto emise přispívají k tvorbě skleníkového efektu a ovlivňují atmosféru z hlediska globálního oteplování. Na druhé straně jsou však i potenciálními zdroji energie.

Ve světě jsou elektrárny odpovědné za produkci přibližně 12 miliard tun CO₂ ročně. K tomuto číslu je třeba připočítat i 11 miliard tun emitovaných dalšími zdroji, například auty nebo lokálními topeništi. Tyto emise přispívají k tvorbě skleníkového efektu a ovlivňují atmosféru z hlediska globálního oteplování. Na druhé straně jsou však i potenciálními zdroji energie.

Elektřina z komína

Z průměrného komína tepelné elektrárny vycházejí spaliny s desetiprocentním obsahem CO₂. Podobné je to i v případě většiny ostatních energetických procesů založených na spalování nafty nebo zemního plynu. Pokud by se podařilo tyto spaliny jímat, mohly by podle společnosti Westus posloužit jako energetický zdroj. Reakcí CO₂ s vodou (nebo jinou kapalinou) a dalším procesním zpracováním by bylo údajně možné vytvořit tok elektronů, který by dokázal generovat elektřinu. Za předpokladu zapojení této technologie u všech stávajících znečišťovatelů se uvažuje o možném výkonu 1 570 TWh.

Princip

Když se dvě různé látky smísí (nevratně), vzroste entropie o jisté ∆S. Toho lze využít: smísíme-li je vratně, můžeme toto ∆S použít k převodu tepla T∆S na práci. Dosud však chyběla technologie, která by s tímto pravidlem dokázala něco prakticky podniknout.

BertHamelers začal experimentovat nejprve v laboratorních podmínkách. Využil „komínový plyn“ a několik porózních elektrod (jednu selektivní pro anionty a druhou pro kationty). Jako elektrolyt mu posloužila obyčejná voda. Membrána na jedné straně nádržky umožňovala průchod kladně nabitým iontům na druhou stranu, kde podobná membrána propouštěla záporně nabité ionty.

Nad membránami byly elektrody. Když se oxid uhličitý CO₂ dostal do vody H₂O, vytvořil s ní kladně nabitý kationt vodíku H⁺ (ihned hydratovaný na H₃O⁺) a negativně nabitý hydrogenuhličitanový aniont HCO₃^-. Tím, že membrány propouštěly jen ionty jednoho náboje, vznikal elektrický proud. Tento jednoduchý generátor v nádržce dokázal generovat elektrický proud ale jen s malým výkonem (0,28 mW/m²). Další pokusy však na sebe nenechaly dlouho čekat.

Jinak řečeno: Hamelers použil princip elektrochemického článku. Rozpustil CO₂ buď v deionizované vodě, nebo v 0,25 molárním vodném roztoku monoethanolaminu (MEA), který se používá pro odstraňování CO₂ ze spalin. CO₂ ve vodě vytvoří kyselinu uhličitou, která se disociuje na H⁺ a HCO₃^- ionty. Když roztok prochází článkem, iontoměničové membrány na elektrodách tyto ionty adsorbují – H⁺ na jedné straně a HCO₃^- na druhé. Tím vzniká mezi elektrodami proud. Následně článkem protéká voda s rozpuštěným čerstvým vzduchem. Protože ta neobsahuje ionty téměř žádné, H⁺ a HCO₃^- ionty se z membrán desorbují zpátky do roztoku. Tím vznikne elektrický proud opačného směru. Systém opakovaně střídá tyto cykly a plní článek buď roztokem s CO₂ nebo roztokem se vzduchem.

Zvýšení výkonu

V laboratořích Westus nejprve nahradili pramenitou vodu deionizovanou vodou, čímž dosáhli zvýšení efektivity procesu na 24 %. Od tohoto okamžiku začal být projekt podrobněji sledován, a získal dotace z fondu EU v rámci programu „Samenwerkingsverband Noord-Nederland“. K dalšímu zvýšení efektivity procesu (na 32 %) došlo, když byl jako elektrolyt použit 0,25molární roztok monoethanolaminu (MEA). Dosud nejvyšší dosažený „výkon“ se při použití tohoto elektrolytu rovná 4,5 mW/m².

V současnosti Westus testuje v leeuwardenských laboratořích „průmyslové řešení“, které by ke generování elektřiny využívalo systému selektivních membrán a vody, a mohlo by být instalováno v elektrárnách. Než by však mohl být systém v praxi využit, musí ještě překonat řadu problémů. Ve skutečných spalinách z komínů mohou být například další plyny – oxid siřičitý, oxidy uhlíku, které mohou znečistit membrány. Největším problémem je rozpuštění tak velkého množství CO₂, které komínové spaliny obsahují – se současnými technologiemi rozpouštění spotřebuje více energie, než kolik jí systém dokáže vyrobit. Sám Hamelers přiznává, že k průmyslové aplikaci ještě vede dlouhá cesta.

Použité zdroje

Harvesting Energy from CO2 Emissions
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ez4000059

Harvesting Electricity from the Greenhouse Gas Carbon Dioxide
http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2013/july/harvesting-electricity-from-the-greenhouse-gas-carbon-dioxide.html

Carbon Dioxide Turned Into Electricity
http://mashable.com/2013/07/23/carbon-dioxide-energy

Článek vyšel 23. 6 2013 na serveru ScienceDaily.com pod názvem „Harvesting Electricity from the Greenhouse Gas Carbon Dioxide“.