Стартап SkyNano для пераўтварэння CO2 у цвёрды вуглярод: частка 1

Шмат выкідаў парніковых газаў (ПГ) будзе па-ранейшаму генеравацца да 2050 года - некаторыя ацэнкі складаюць 10-15 мільярдаў тон у год. Гэты «рэшткі» парніковых газаў неабходна ўтылізаваць нейкім чынам, калі свет хоча дасягнуць чыстага нулявога выкіду да 2050 г. Адзін з метадаў, улоўліванне і падземнае захоўванне вугляроду (CCUS), быў вывучаны больш за ўсё, таму што ён быў рэалізаваны нафтай і газам кампаніі на працягу дзесяцігоддзяў, хоць ёсць сур'ёзныя абмежаванні.

Але ў блоку ёсць новы хлопец. А кампанія пад назвай SkyNano, пачаты ў 2017 годзе, выкарыстоўвае электрахімічны працэс для пераўтварэння CO2 у цвёрдыя вугляродныя нанатрубкі а не тэрмахімічны працэс, які выкарыстоўваецца ў вытворчасці звычайных нанатрубак. Адзіным пабочным прадуктам з'яўляецца кісларод у адрозненне ад угарнага газу, поліцыклічных араматычных вуглевадародаў (ПАВ) і лятучых арганічных злучэнняў (В.О.VO
Cs) ад іншых метадаў.

Вугляродныя нанатрубкі - гэта полыя трубкі з вугляроду памерам у нанаметрах. Гэтыя цвёрдыя вугляроды з'яўляюцца трывалымі і выкарыстоўваюцца ў броні для транспартных сродкаў. Яны могуць пераносіць электрычны ток і выкарыстоўваюцца ў кабелях перадачы. Яны гнуткія і выкарыстоўваюцца ў тканых тканінах.

Паколькі гэты працэс таксама можа быць выкарыстаны для пераўтварэння патокаў CO2, якія выкідваюцца з цэментавых і сталеліцейных заводаў, ён дае вялікія перспектывы для выдалення выкідаў, якія цяжка паменшыць.

Генеральным дырэктарам SkyNano з'яўляецца Ганна Дуглас, якая стала сузаснавальнікам кампаніі ў 2017 годзе падчас атрымання доктарскай ступені ў Вандэрбільце разам з прафесарам Кэры Пінтам, тэхнічным дырэктарам SkyNano. Ганна скончыла Універсітэт Лі са ступенню матэматыкі і хіміі ў 2014 годзе і атрымала ступень доктара філасофіі Вандэрбільта ў 2019 годзе па міждысцыплінарным матэрыялазнаўстве. Яе праца, звязаная з тэхналогіяй SkyNano, адзначалася ў многіх рэцэнзаваных навуковых публікацыях, узнагародзе Forbes 2019 under 30 у 30 годзе, прэміі R&D2020 у 100 годзе, прэміі TechConnect Innovation Award у 2021 годзе і прэміі губернатара штата Тэнэсі за ахову навакольнага асяроддзя ў 2022 годзе.

Ніжэй прыводзіцца частка 1 інтэрв'ю з Ганнай, якое прысвечана новай тэхналогіі і фінансаванню стартап-кампаніі, уключаючы параўнанне з улоўліваннем, запампоўкай і падземным захоўваннем вугляроду (CCUS).

Частка 2 выйдзе ў бліжэйшы час і прысвечана рынкам і кліматычным рашэнням.

1. Якая перадгісторыя стварэння кампаніі SkyNano?

Калі я быў студэнтам бакалаўрыяту, я праходзіў летнюю стажыроўку ў даследчым цэнтры NASA Глена ў Кліўлендзе, штат Агаё, і цалкам закахаўся ў нанатэхналогіі і матэрыялазнаўства. Я паехаў у Вандэрбільт, каб атрымаць ступень доктара філасофіі ў галіне матэрыялазнаўства, і пачаў працаваць над нанаматэрыяламі для назапашвання энергіі ў якасці тэмы даследавання, бо цвёрда адчуваў, што назапашванне энергіі было (і ёсць) самым значным вузкім месцам для ўстойлівай энергетычнай інфраструктуры. У той час як я вывучаў акумулятары, я зразумеў, што спосаб сінтэзу і здабычы многіх матэрыялаў, з якіх вырабляюцца акумулятары, на самай справе не надта ўстойлівы і можа нават падарваць выкарыстанне акумулятараў як «чыстай» тэхналогіі.

Мы з маім доктарам філасофіі пачалі шукаць іншыя спосабы вырабу вугляродных структур, якія маюць мноства прымянення ў хіміі акумулятараў, і выявілі электрахімічны працэс, які вывучаўся з пачатку 1900-х гадоў для пераўтварэння CO2 у цвёрды вуглярод, але без высокай селектыўнасці для канкрэтных вугляродных структур. Мы падумалі, што калі мы падыдзем да гэтай тэмы з сінтэзу нанаматэрыялаў, мы зможам палепшыць селектыўнасць, якая патрабуецца для выхаду тэхналогіі на рынак. Неўзабаве пасля гэтага мы атрымалі першую частку фінансавання ад праграмы Innovation Crossroads Міністэрства энергетыкі, убудаванай у лабараторыю прадпрымальніцкай праграмы, а астатняе ўжо гісторыя.

2. Якая фундаментальная тэхналогія SkyNano ляжыць у аснове?

Асноўная тэхналогія SkyNano заснавана на хімічным працэсе, які вывучаўся з пачатку 1900-х гадоў у акадэмічных лабараторыях па ўсім свеце. Па сутнасці, ён заснаваны на хімічным паглынанні CO2 малекуламі аксіду з адукацыяй карбанату, а затым электрахімічным раскладанні малекулы карбанату назад у зыходны аксід. Чыстая рэакцыя тут проста CO2 à C(цвёрдае рэчыва) + O2(газ). Наступствы гэтага працэсу глыбокія, бо гэта просты 4-электронны працэс для атрымання цвёрдага вугляроду з газападобнага вуглякіслага газу.

CO2 надзвычай стабільны, таму ён стаў праблематычным у нашай атмасферы, але калі мы вяртаем яго ў цвёрдую вугляродную форму, ён таксама надзвычай стабільны і дазваляе пастаянна захоўваць вуглярод. Гэта важнае адрозненне, таму што многія тэхналогіі пераўтварэння CO2 вырабляюць канчатковыя прадукты, якія будуць паўторна выкідваць CO2 на працягу свайго жыццёвага цыклу. Яны ў лепшым выпадку з'яўляюцца нейтральнымі да вугляроду, але не забяспечваюць працяглага пастаяннага захоўвання. Такія цвёрдыя прадукты, як наш працэс, прадстаўляюць лепшае з абодвух светаў: трансфармацыя вугляроду (стварэнне эканамічнага прадукту з CO2) і секвестрацыя (доўгатэрміновае захоўванне).

3. Як фінансуецца кампанія SkyNano? Хто зацікаўленыя бакі? Якія вашыя мэты фінансавання?

Па стане на жнівень 2022 года SkyNano прыцягнула ~8.5 мільёнаў долараў (мільёнаў) неразбаўляльнага фінансавання з розных федэральных, дзяржаўных і камерцыйных крыніц. Нашымі асноўнымі федэральнымі падтрымоўвальнікамі з'яўляюцца Міністэрства энергетыкі ЗША, Нацыянальны навуковы фонд і Міністэрства абароны ЗША. Тэхналогія SkyNano закранае стратэгічныя мэты амаль кожнага федэральнага ведамства, альбо праз нашы намаганні па дэкарбанізацыі, альбо праз канкрэтныя матэрыялы, якія мы вырабляем, якія былі вызначаны як важны матэрыял для нацыянальнай бяспекі. Для гэтага ў нас ёсць шэраг зацікаўленых бакоў, у тым ліку крыніцы выкідаў, палітыкі, занепакоеныя дэкарбанізацыяй, кліенты крэдытаў на выдаленне вугляроду і кліенты матэрыялаў, якія мы вырабляем.

З моманту заснавання мы сканцэнтраваны на кліентах матэрыялаў, якія вырабляем з CO2. Матэрыялы з цвёрдай вугляроднай дабаўкай бываюць у шырокім дыяпазоне структур, і мы можам задаволіць многія патрэбы сучаснага рынку разам са стварэннем новых рынкаў з дапамогай недарагіх сучасных вугляродных матэрыялаў. Нашы мэты фінансавання па-ранейшаму сканцэнтраваны на задавальненні патрэб кліентаў, і па гэтай прычыне яны сканцэнтраваны на фінансаванні на аснове праектаў, якое паступае як з грантаў на даследаванні і распрацоўкі, так і з платных пілотных праектаў з кліентамі.

4. Вы атрымліваеце CO2 шляхам прамога захопу з паветра. Гэта не вельмі эфектыўна, праўда. Ці можаце вы таксама атрымаць яго з патокаў канцэнтраванага CO2 з цэментных і металургічных заводаў і іншых сектараў, якія цяжка паменшыць?

Гэта правільна. Выцягваць CO2 з атмасферы не вельмі эфектыўна. Нашы тэхналогіі, вядома можа працаваць як працэс прамога захопу паветра, але гэта значна больш эфектыўна, калі мы працуем з уваходнымі патокамі, якія змяшчаюць па меншай меры 1% CO2. Гэта патокі адходаў, якія сустракаюцца ў розных галінах прамысловасці - ад цэментнай і сталеліцейнай да хімічнай і вытворчасці энергіі. У цяперашні час мы супрацоўнічаем з Упраўленнем даліны Тэнэсі, найбуйнейшым камунальным прадпрыемствам нашай краіны, каб прадэманстраваць, што дымавыя газы з камбінаваных газавых электрастанцый могуць выкарыстоўвацца для вытворчасці цвёрдых вугляродных прадуктаў.

У ланцужку выкідаў вугляроду ёсць шэраг зацікаўленых бакоў. На адным канцы ёсць некалькі тэхналогій, вельмі прыдатных для прамога захопу паветра для атрымання канцэнтраванага патоку CO2. На іншым канцы шмат тэхналогій, здольных апрацоўваць CO2 высокай чысціні (>90%). Ёсць значна менш тэхналогій, якія могуць працаваць з 1-80% CO2 без папярэдняй канцэнтрацыі, і гэта тое, адкуль сёння адбываецца пераважная большасць нашых выкідаў CO2. Тэхналогія SkyNano вельмі добра працуе, каб непасрэдна спалучаць выкіды з кропкавых крыніц і дэкарбанізаваць некаторыя сектары, якія цяжка паменшыць, ад якіх сёння залежыць якасць жыцця.

5. Наколькі дарагі ваш працэс у параўнанні з захопам вугляроду і падземнай запампоўкай і захоўваннем CO2 (CCUS), які, верагодна, запатрабуе падатку на вуглярод, калі толькі на другім канцы не здабываецца нафта.

Эканамічны выклік CCUS у першую чаргу заключаецца ў тым, што акрамя магчымага падатку на выкід вугляроду няма ніякага эканамічнага даходу, таму агульнае практыкаванне - гэта чыстая страта для кампаній. Буйныя кампаніі па-ранейшаму разглядаюць магчымасць CCUS з-за сталасці гэтай тэхналогіі і іх жадання хутка дэкарбанізаваць, але гэта агульныя чыстыя страты ў кожным выпадку, нават з падатковымі стымуламі.

Працэс SkyNano з'яўляецца эканамічна мэтазгодным, зыходзячы з кошту нашага прадукту з CO2, цвёрдага вугляроду, і падатковыя льготы будуць проста бонусам. Фактычна, пры цяперашняй падатковай структуры 45 квартала патэнцыйны даход ад падатковых ільгот нязначны ў параўнанні з даходам ад нашага вугляроднага прадукту.

Калі справа даходзіць да выдаткаў, некаторыя з праблем з CCUS - гэта дазволы, нарматыўныя перашкоды і іншыя выдаткі, якія не заўсёды відавочныя пры ацэнцы тэхналогіі па вартасцях. Што тычыцца SkyNano, нашы выдаткі ў асноўным залежаць ад электраэнергіі, неабходнай для кіравання нашым працэсам, і мы чакаем, што з цягам часу мы атрымаем выгаду ад прагназуемага зніжэння цэнаў на энергію з пачаткам паступлення ў нашу сетку большай колькасці аднаўляльных крыніц энергіі.

Яшчэ некалькі пытанняў і адказаў гл Стартап SkyNano для пераўтварэння CO2 у цвёрды вуглярод: частка 2 – Рынкі і кліматычнае рашэнне.