Uruchomienie SkyNano w celu przekształcenia CO2 w stały węgiel: część 1

Wiele emisji gazów cieplarnianych (GHG) będzie nadal generowanych do 2050 r. – niektóre szacunki wynoszą 10-15 miliardów ton rocznie. Ten „pozostały” gaz cieplarniany musi zostać w jakiś sposób unieszkodliwiony, jeśli świat ma osiągnąć zero netto do 2050 r. Jedna z metod, wychwytywanie dwutlenku węgla i podziemne składowanie (CCUS), została przebadana najbardziej, ponieważ została wdrożona przez ropę i gaz firm od dziesięcioleci, choć istnieją poważne ograniczenia.

Ale na bloku jest nowy dzieciak. A firma o nazwie SkyNano, rozpoczęty w 2017 roku, wykorzystuje proces elektrochemiczny do konwersji CO2 na stałe nanorurki węglowe zamiast procesu termochemicznego stosowanego w konwencjonalnej produkcji nanorurek. Jedynym produktem ubocznym jest tlen w przeciwieństwie do tlenku węgla, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) i lotnych związków organicznych (VOVO
Cs) z innych metod.

Nanorurki węglowe to puste rurki węglowe o wielkości w nanometrach. Te węgle stałe są wytrzymałe i są używane w opancerzeniu pojazdów. Mogą przenosić prądy elektryczne i są stosowane w kablach transmisyjnych. Są elastyczne i stosowane w tkaninach.

Ponieważ proces ten może być również wykorzystywany do przetwarzania strumieni CO2 emitowanych z fabryk cementu i stali, daje duże nadzieje na usunięcie trudnych do ograniczenia emisji.

Prezesem SkyNano jest Anna Douglas, która współtworzyła firmę w 2017 roku podczas swojego doktoratu w Vanderbilt z prof. Cary Pint, CTO SkyNano. Anna ukończyła studia na Wydziale Matematyki i Chemii na Uniwersytecie Lee w 2014 r., a w 2019 r. uzyskała tytuł doktora nauk interdyscyplinarnych w dziedzinie materiałoznawstwa w Vanderbilt. Jej praca związana z technologią SkyNano została wyróżniona w wielu recenzowanych publikacjach naukowych, nagrodą Forbes 2019 do 30 lat, nagrodą R&D30 2020, nagrodą TechConnect Innovation Award 100 oraz nagrodą 2021 Governor's Environmental Stewardship Award od stanu Tennessee.

Poniżej znajduje się część 1 wywiadu z Anną, który jest kluczem do nowej technologii i finansowania firmy startowej, w tym porównanie z wychwytywaniem dwutlenku węgla, wtłaczaniem pod ziemią i składowaniem (CCUS).

Część druga pojawi się wkrótce i będzie ukierunkowana na rynki i rozwiązania klimatyczne.

1. Jaka jest historia powstania firmy SkyNano?

Kiedy byłem studentem, odbyłem letni staż w NASA Glenn Research Center w Cleveland, OH i całkowicie zakochałem się w nanotechnologii i materiałoznawstwie. Poszedłem do Vanderbilt, aby zrobić doktorat z materiałoznawstwa i zacząłem pracować nad nanomateriałami do przechowywania energii jako tematem badawczym, ponieważ mocno czułem, że magazynowanie energii było (i jest) najważniejszym wąskim gardłem w zrównoważonej infrastrukturze energetycznej. Kiedy studiowałem baterie, zdałem sobie sprawę, że sposób, w jaki syntetyzujemy i wydobywamy wiele materiałów, z których składają się baterie, naprawdę nie jest zbyt zrównoważony, a nawet może podważyć wykorzystanie baterii jako „czystej” technologii.

Mój doradca z tytułem doktora i ja zaczęliśmy szukać innych sposobów tworzenia struktur węglowych, które mają niezliczone zastosowania w chemii akumulatorów, i odkryliśmy proces elektrochemiczny, który był badany od początku XX wieku w celu przekształcenia CO1900 w węgiel stały, ale bez wysokiej selektywności dla określonych struktur węglowych. Pomyśleliśmy, że jeśli podejdziemy do tego tematu od podstaw syntezy nanomateriałów, być może będziemy w stanie poprawić selektywność niezbędną do wprowadzenia technologii na rynek. Niedługo potem otrzymaliśmy pierwszą część finansowania z programu Departamentu Energii Innowacje Crossroads, programu przedsiębiorczości wbudowanego w laboratorium, a reszta to już historia.

2. Jaka jest podstawowa technologia SkyNano?

Podstawowa technologia SkyNano opiera się na procesie chemicznym, który był badany od początku XX wieku w laboratoriach akademickich na całym świecie. Zasadniczo opiera się na chemicznej absorpcji CO1900 przez cząsteczki tlenku w celu wytworzenia węglanu, a następnie na elektrochemicznym rozkładzie tej cząsteczki węglanu z powrotem do pierwotnego tlenku. Reakcja netto tutaj to po prostu CO2 à C (ciało stałe) + O2 (gaz). Implikacje tego procesu są głębokie, ponieważ jest to prosty 2-elektronowy proces wytwarzania stałego węgla z gazowego dwutlenku węgla.

CO2 jest niezwykle stabilny, co jest jednym z powodów, dla którego stał się problematyczny w naszej atmosferze, ale kiedy przywrócimy go do jego stałej postaci węglowej, jest on również niezwykle stabilny i umożliwia trwałe przechowywanie dwutlenku węgla. Jest to ważne rozróżnienie, ponieważ wiele technologii przetwarzania CO2 wytwarza produkty końcowe, które będą ponownie emitować CO2 w swoim cyklu życia. Są one w najlepszym razie neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, ale nie zapewniają długotrwałego stałego przechowywania. Produkty stałe, takie jak nasz proces, prezentują to, co najlepsze z obu światów: przemiany węgla (wytwarzanie ekonomicznego produktu z CO2) i sekwestracji (długotrwałe przechowywanie).

3. Jak finansowana jest firma SkyNano? Kim są zaangażowani interesariusze? Jakie są Twoje cele finansowania?

Od sierpnia 2022 r. SkyNano pozyskało ~8.5 mln USD (milionów) w postaci nierozwadniającego finansowania z różnych źródeł federalnych, stanowych i komercyjnych. Naszymi głównymi sponsorami federalnymi są Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowa Fundacja Nauki i Departament Obrony Stanów Zjednoczonych. Technologia SkyNano dotyka strategicznych celów prawie każdej agencji federalnej, czy to poprzez nasze wysiłki na rzecz dekarbonizacji, czy też poprzez konkretne produkowane przez nas materiały, które zostały zidentyfikowane jako materiał krytyczny dla bezpieczeństwa narodowego. W tym celu mamy szereg zaangażowanych interesariuszy, w tym źródła emisji, decydentów politycznych zaniepokojonych dekarbonizacją, klientów kredytów na usuwanie dwutlenku węgla oraz klientów wytwarzanych przez nas materiałów.

Od samego początku skupiamy się na klientach materiałów, które produkujemy z CO2. Materiały z dodatkami z węgla stałego występują w szerokiej gamie struktur i jesteśmy w stanie zaspokoić wiele obecnych potrzeb rynkowych, a także tworzyć nowe rynki dzięki tańszym, zaawansowanym materiałom węglowym. Nasze cele w zakresie finansowania pozostają skoncentrowane na zaspokajaniu potrzeb klientów iz tego powodu koncentrują się na finansowaniu projektowym, pozyskiwanym zarówno z dotacji na badania i rozwój, jak i płatnych programów pilotażowych z klientami.

4. CO2 uzyskujesz poprzez bezpośrednie wychwytywanie z powietrza. To nie jest zbyt wydajne, prawda. Czy można go również uzyskać ze strumieni skoncentrowanego CO2 z fabryk cementu i stali oraz innych trudnych do zlikwidowania sektorów?

To jest poprawne. Wyciąganie CO2 z atmosfery nie jest zbyt wydajne. Nasza technologia z pewnością mogą działają jako taki proces bezpośredniego wychwytywania powietrza, ale są znacznie bardziej wydajne, gdy pracujemy ze strumieniami wejściowymi, które zawierają co najmniej 1% CO2. Są to strumienie odpadów występujące w branżach od cementu i stali po chemikalia i produkcję energii. Obecnie prowadzimy stałą współpracę z Tennessee Valley Authority, największym przedsiębiorstwem użyteczności publicznej w naszym kraju, aby wykazać, że gazy spalinowe z elektrowni gazowych pracujących w cyklu skojarzonym mogą być wykorzystywane do produkcji stałych produktów węglowych.

W łańcuchu emisji dwutlenku węgla istnieje szereg zainteresowanych stron. Z jednej strony jest kilka technologii bardzo odpowiednich do bezpośredniego wychwytywania powietrza w celu wytworzenia skoncentrowanego strumienia CO2. Na drugim końcu jest wiele technologii zdolnych do przetwarzania CO2 o wysokiej czystości (>90%). Istnieje znacznie mniej technologii, które mogą pracować z 1-80% CO2 bez wstępnego zatężania i to właśnie stąd pochodzi znaczna większość naszych emisji CO2. Technologia SkyNano działa naprawdę dobrze, łącząc się bezpośrednio z emisjami ze źródła punktowego i dekarbonizując niektóre z trudnych do złagodzenia sektorów, na których wszyscy polegamy, jeśli chodzi o dzisiejszą jakość życia.

5. Jak kosztowny jest twój proces w porównaniu z wychwytywaniem dwutlenku węgla i podziemnym wtłaczaniem i składowaniem CO2 (CCUS), które prawdopodobnie będą wymagały podatku węglowego, chyba że na drugim końcu jest produkowana ropa.

Ekonomia, która stanowi wyzwanie dla CCUS, polega przede wszystkim na tym, że poza ewentualnym podatkiem węglowym nie ma żadnych zwyżek ekonomicznych, więc ogólne działanie jest stratą netto dla firm. Duże firmy wciąż rozważają CCUS ze względu na dojrzałość tej technologii i chęć szybkiej dekarbonizacji, ale w każdym przypadku jest to ogólna strata netto, nawet przy zachętach podatkowych.

Proces SkyNano jest ekonomicznie wykonalny w oparciu o wartość naszego produktu wyjściowego z CO2, węgla stałego, a ulgi podatkowe byłyby po prostu bonusem. W rzeczywistości przy obecnej strukturze podatkowej 45 kwartałów potencjalny dochód z ulg podatkowych jest znikomy w porównaniu z dochodami z naszego produktu węglowego.

Jeśli chodzi o koszty, niektóre wyzwania związane z CCUS pozwalają na to, przeszkody regulacyjne i inne koszty, które nie zawsze są oczywiste przy ocenie technologii pod kątem jej zalet. W przypadku SkyNano nasze koszty wynikają przede wszystkim z energii elektrycznej potrzebnej do napędzania naszego procesu i spodziewamy się, że z biegiem czasu odniesiemy korzyści z przewidywanego spadku cen energii wraz z pojawieniem się większej ilości odnawialnych źródeł energii w naszej sieci.

Aby uzyskać więcej pytań i odpowiedzi, zobacz Startup SkyNano przekształcający CO2 w stały węgiel: Część 2 – Rynki i rozwiązanie klimatyczne.