PrISMa rewolucjonizuje dziedzinę wychwytywania dwutlenku węgla, łącząc spostrzeżenia z inżynierii materiałowej, inżynierii i analiz ekonomicznych w celu przewidywania skuteczności nowych technologii.
Ta innowacyjna platforma nie tylko wspomaga rozwój rozwiązań w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla, ale także zapewnia ich zrównoważony rozwój i opłacalność ekonomiczną, skutecznie wypełniając lukę pomiędzy badaniami laboratoryjnymi a praktycznym wdrożeniem.
Łagodzenie skutków zmian klimatycznych stało się głównym przedmiotem zainteresowania na całym świecie, a kraje i organizacje międzynarodowe opracowują różne strategie rozwiązania tego problemu. Najważniejszym zadaniem jest obniżenie emisji CO₂, a technologie wychwytywania dwutlenku węgla stanowią obiecujący krok naprzód.
Niemniej jednak wypełnienie luki między badaniami a praktycznym wdrożeniem rozwiązań w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla okazało się tak trudne, że zyskało prawdziwą nazwę: „Dolina Śmierci”. Wyzwanie zwiększa konieczność uwzględnienia w całym procesie perspektyw i priorytetów różnych interesariuszy.
Innowacyjne wychwytywanie dwutlenku węgla za pomocą PrISMa
Tradycyjnie rozwój technologii wychwytywania dwutlenku węgla rozpoczyna się od chemików projektujących materiały, a inżynierów opracowujących procesy, a później ocenia się wpływ na gospodarkę i środowisko. Wyniki są często suboptymalne i jedynie opóźniają wdrożenie rzeczywistych rozwiązań.
W odpowiedzi na to naukowcy pod kierownictwem Berenda Smita z EPFL i Susany Garcia z Uniwersytetu Heriot-Watt opracowali PrISMa Platforma (Process-Informed design of dostosowanych do indywidualnych potrzeb materiałów sorbentowych): innowacyjne narzędzie, które płynnie łączy naukę o materiałach, projektowanie procesów, technoekonomię i ocenę cyklu życia, biorąc od samego początku pod uwagę perspektywy wielu interesariuszy.
Korzystanie z zaawansowanych symulacji i uczenie maszynowePrISMa może identyfikować najbardziej efektywne i zrównoważone rozwiązania oraz przewidywać działanie nowych materiałów, co wyróżnia ją jako potężne narzędzie w walce ze zmianami klimatycznymi.
Kluczowe wskaźniki wydajności PrISMa
PrISMa ocenia cztery kluczowe wskaźniki wydajności (KPI), czyli „warstwy”, w celu oceny wykonalności materiału wychwytującego dwutlenek węgla od jego początkowego opracowania do wdrożenia w kompletnej instalacji wychwytującej dwutlenek węgla.
- Warstwa materiałów: Wykorzystując dane eksperymentalne i symulacje molekularne, platforma przewiduje właściwości adsorpcyjne potencjalnych materiałów sorbentowych.
- Warstwa procesu: PrISMa oblicza parametry wydajności procesu, takie jak czystość, odzysk i zapotrzebowanie na energię.
- Warstwa analizy techniczno-ekonomicznej: PrISMa ocenia ekonomiczną i techniczną wykonalność instalacji wychwytywania dwutlenku węgla.
- Ocena cyklu życia Warstwa: PrISMa ocenia wpływ na środowisko w całym cyklu życia zakładu, zapewniając kompleksowy zrównoważony rozwój.
Zastosowania w świecie rzeczywistym i możliwości przewidywania
Naukowcy wykorzystali PrISMa do porównania ponad sześćdziesięciu studiów przypadków ze świata rzeczywistego, w których CO2 jest pozyskiwany z różnych źródeł w pięciu regionach świata przy użyciu różnych technologii. Biorąc pod uwagę perspektywy wielu interesariuszy, projekt PrISMa pomógł zidentyfikować najbardziej skuteczne i zrównoważone rozwiązania.
„Jedną z unikalnych cech platformy PrISMa jest jej zdolność do przewidywania wydajności nowych materiałów przy użyciu zaawansowanych symulacji i uczenia maszynowego” – mówi Berend Smit. „To innowacyjne podejście przyspiesza odkrywanie najskuteczniejszych materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla, przewyższając tradycyjne metody prób i błędów”.
Symulacje molekularne poprawiają przewidywania
Platforma integruje teorię funkcjonału gęstości (DFT) i symulację molekularną w celu przewidywania właściwości materiałów potrzebnych do projektowania procesów. Zespół przetestował to podejście na CO2 w zakładzie wychwytującym uwzględniono emisje pośrednie w ciągu 30 lat funkcjonowania zakładu i powiązano to z oceną techniczno-ekonomiczną, w której oszacowano koszt procesu.
„Udało nam się powiązać ruch elektronów na poziomie DFT, aby obliczyć całkowitą ilość CO₂ wychwyconego w ciągu 30-letniego okresu eksploatacji instalacji wychwytującej oraz po jakim koszcie” – mówi Berend Smit.
Spostrzeżenia interesariuszy i odkrywanie nowych materiałów
PrISMa zapewnia bezcenne spostrzeżenia różnym zainteresowanym stronom, oferując inżynierom narzędzia do projektowania najbardziej wydajnych i opłacalnych procesów wychwytywania dwutlenku węgla oraz udzielając wskazówek chemikom na temat właściwości molekularnych, które poprawiają wydajność materiałów.
Menedżerowie ds. ochrony środowiska zyskują dostęp do kompleksowych ocen oddziaływania na środowisko, umożliwiając podejmowanie bardziej świadomych decyzji, a inwestorzy korzystają ze szczegółowych analiz ekonomicznych, które zmniejszają ryzyko i niepewność związaną z inwestowaniem w nowe technologie.
Odkrywanie nowych materiałów
PrISMa może przyspieszyć odkrycie najskuteczniejszych materiałów do wychwytywania dwutlenku węgla, przewyższając tradycyjne metody prób i błędów. Jego interaktywne narzędzia pozwalają użytkownikom przeglądać ponad 1200 materiałów i rozumieć kompromisy między kosztami, wpływem na środowisko i wydajnością techniczną.
To kompleksowe podejście gwarantuje, że wybrane rozwiązania skutecznie wychwytują CO₂, minimalizując jednocześnie ogólny wpływ na środowisko.
Jednym ze sposobów, w jaki Smit przewiduje wykorzystanie PrISMa, jest odkrycie szkieletów metaloorganicznych (MOF-y), materiałów porowatych o szerokim spektrum zastosowań, w tym wychwytywania dwutlenku węgla. „Pomysł jest taki, że chemicy mogą przesyłać struktury krystaliczne swoich MOF, a platforma klasyfikuje te materiały pod kątem wszystkich rodzajów procesów wychwytywania” – mówi. „Dzięki temu nawet chemicy, którzy nie mają szczegółowej wiedzy na temat technologii wychwytywania dwutlenku węgla, mogą uzyskać informacje zwrotne na temat tego, który MOF jest najskuteczniejszy i dlaczego”.
PrISMa może przyspieszyć rozwój technologii wychwytywania dwutlenku węgla, pomagając osiągnąć zerową emisję netto, jednocząc wszystkie zainteresowane strony na wczesnym etapie procesu badawczego. Zapewniając kompleksową ocenę materiałów i procesów, PrISMa umożliwia podejmowanie bardziej świadomych decyzji, co prowadzi do opracowania bardziej skutecznych i zrównoważonych rozwiązań w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Ta platforma może na zawsze zmienić wychwytywanie dwutlenku węgla.
Odniesienie: „Holistyczna platforma do przyspieszania wychwytywania dwutlenku węgla w oparciu o sorbent” autorstwa: Charithea Charalambous, Elias Moubarak, Johannes Schilling, Eva Sanchez Fernandez, Jin-Yu Wang, Laura Herraiz, Fergus Mcilwaine, Shing Bo Peh, Matthew Garvin, Kevin Maik Jablonka, Seyed Mohamad Moosavi, Joren Van Herck, Aysu Yurdusen Ozturk, Alireza Pourghaderi, Ah-Young Song, Georges Mouchaham, Christian Serre, Jeffrey A. Reimer, André Bardow, Berend Smit i Susana Garcia, 17 lipca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07683-8
Inni współpracownicy:
- ETH Zurych
- Solverlo spółka z ograniczoną odpowiedzialnością
- Institut des Matériaux Poreux de Paris, ENS-Paryż
- Laboratorium Narodowe Lawrence Berkeley
Finansowanie: Program ACT (Accelerating CCS Technologies, Horyzont 2020), Brytyjski Departament Biznesu, Energii i Strategii Przemysłowej (BEIS), Brytyjskie Rady ds. Badań Naukowych (NERC i EPSRC), Norweska Rada ds. Badań Naukowych (RCN), Szwajcarski Federalny Urząd ds. Energii (SFOE), Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Total, Equinor, Fundacja Grantham na rzecz Ochrony Środowiska (Projekt USorb-DAC), UKRI ISCF Industrial Challenge (Centrum Badań i Innowacji w zakresie Dekarbonizacji Przemysłu w Wielkiej Brytanii), Narodowa Fundacja Nauki Stanów Zjednoczonych
