Стартап SkyNano для преобразования CO2 в твердый углерод: часть 1

К 2050 году все еще будет производиться много выбросов парниковых газов (ПГ) – по некоторым оценкам, 10-15 миллиардов тонн в год. Эти «остаточные» парниковые газы должны быть каким-то образом утилизированы, если к 2050 году мир достигнет нулевого уровня выбросов. Один из методов, улавливание и подземное хранение углерода (CCUS), изучен больше всего, поскольку он был реализован в нефтегазовой отрасли. компании на протяжении десятилетий, хотя есть серьезные ограничения.

Но есть новый ребенок на блоке. А компания SkyNano, запущенный в 2017 году, использует электрохимический процесс для преобразования CO2 в твердые углеродные нанотрубки а не термохимический процесс, используемый в обычном производстве нанотрубок. Единственным побочным продуктом является кислород, в отличие от монооксида углерода, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и летучих органических соединений (VOVO
Cs) от других методов.

Углеродные нанотрубки представляют собой полые углеродные трубки размером в нанометры. Этот твердый углерод прочен и используется в броне для транспортных средств. Они могут проводить электрический ток и используются в кабелях передачи. Они гибкие и используются в тканых тканях.

Поскольку этот процесс также можно использовать для преобразования потоков CO2, выбрасываемых цементными и сталелитейными заводами, он имеет большие перспективы для устранения трудно поддающихся сокращению выбросов.

Генеральным директором SkyNano является Анна Дуглас, которая стала соучредителем компании в 2017 году во время получения докторской степени в Вандербильте вместе с профессором Кэри Пинт, техническим директором SkyNano. Анна окончила Университет Ли по специальности «Математика и химия» в 2014 году, а в 2019 году получила докторскую степень Вандербильта в области междисциплинарного материаловедения. Ее работа, связанная с технологией SkyNano, была отмечена во многих рецензируемых научных публикациях, награде Forbes 2019 до 30 лет в 30 году, премии R&D2020 Award 100, премии TechConnect Innovation Award 2021 и премии губернатора за рациональное использование окружающей среды 2022 года от штата Теннесси.

Ниже приведена часть 1 интервью с Анной, посвященная новым технологиям и финансированию стартап-компании, включая сравнение с улавливанием, закачкой и хранением углерода (CCUS).

Вскоре последует вторая часть, посвященная рынкам и климатическим решениям.

1. Какова предыстория создания компании SkyNano?

Когда я был студентом бакалавриата, я проходил летнюю стажировку в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо, и полностью влюбился в нанотехнологии и материаловедение. Я отправился в Вандербильт, чтобы получить докторскую степень в области материаловедения, и начал работать над наноматериалами для хранения энергии в качестве исследовательской темы, поскольку я твердо чувствовал, что хранение энергии было (и остается) самым серьезным узким местом в устойчивой энергетической инфраструктуре. Пока я изучал батареи, я понял, что то, как мы синтезируем и добываем многие материалы, из которых состоят батареи, на самом деле не очень устойчиво и может даже подорвать использование батарей как «чистой» технологии.

Мой научный руководитель и я начали искать другие способы создания углеродных структур, которые имеют множество применений в химии аккумуляторов, и обнаружили электрохимический процесс, который изучался с начала 1900-х годов для преобразования CO2 в твердый углерод, но без высокой селективности. для конкретных углеродных структур. Мы подумали, что если мы подойдем к этой теме с точки зрения синтеза наноматериалов, мы могли бы улучшить селективность, необходимую для вывода технологии на рынок. Вскоре после этого мы получили первую часть финансирования от программы Министерства энергетики «Инновационный перекресток» — предпринимательской программы, встроенной в лабораторию, а остальное уже история.

2. Какова фундаментальная технология SkyNano?

Базовая технология SkyNano основана на химическом процессе, который изучается с начала 1900-х годов в академических лабораториях по всему миру. По сути, он основан на химическом поглощении CO2 через молекулы оксида с образованием карбоната, а затем на электрохимическом разложении этой молекулы карбоната обратно в исходный оксид. Чистая реакция здесь просто CO2 → C(твердое) + O2(газ). Значение этого процесса глубокое, так как это простой 4-электронный процесс для получения твердого углерода из газообразного углекислого газа.

CO2 чрезвычайно стабилен, и это одна из причин, почему он стал проблематичным в нашей атмосфере, но когда мы вернем его в его твердую углеродную форму, он также будет чрезвычайно стабильным и приведет к постоянному хранению углерода. Это важное различие, поскольку многие технологии преобразования СО2 производят конечные продукты, которые будут повторно выделять СО2 в своем жизненном цикле. В лучшем случае они углеродно-нейтральны, но не обеспечивают долгосрочного постоянного хранения. Твердые продукты, такие как наш процесс, представляют собой лучшее из обоих миров: преобразование углерода (получение экономичного продукта из CO2) и секвестрация (длительное хранение).

3. Как финансируется компания SkyNano? Кто является заинтересованными сторонами? Каковы ваши цели финансирования?

По состоянию на август 2022 года SkyNano привлекла около 8.5 миллионов долларов США в виде неразводняющего финансирования из различных федеральных, государственных и коммерческих источников. Нашими основными федеральными покровителями являются Министерство энергетики США, Национальный научный фонд и Министерство обороны США. Технология SkyNano затрагивает стратегические цели почти каждого федерального агентства, либо благодаря нашим усилиям по обезуглероживанию, либо благодаря конкретным материалам, которые мы производим, которые были определены как критически важные материалы для национальной безопасности. Для этого у нас есть ряд заинтересованных сторон, в том числе источники выбросов, политики, заинтересованные в декарбонизации, клиенты кредитов на удаление углерода и потребители материалов, которые мы производим.

С самого начала мы сосредоточились на клиентах материалов, которые мы производим из CO2. Твердые углеродные аддитивные материалы бывают самых разных структур, и мы можем удовлетворить многие из существующих сегодня потребностей рынка, а также создать новые рынки с помощью более дешевых усовершенствованных углеродных материалов. Наши цели финансирования по-прежнему сосредоточены на удовлетворении потребностей клиентов, и по этой причине они сосредоточены на проектном финансировании, получаемом как за счет грантов на исследования и разработки, так и за счет платных пилотных проектов с клиентами.

4. Вы получаете CO2 путем прямого улавливания из воздуха. Это не очень эффективно, да. Можно ли также получить его из потоков концентрированного СО2 с цементных и сталелитейных заводов и других трудноизвлекаемых отраслей?

Это правильно. Вытягивать CO2 из атмосферы не очень эффективно. Наша технология безусловно может работает как прямой процесс улавливания воздуха, но он гораздо более эффективен, когда мы работаем с входными потоками, которые содержат не менее 1% CO2. Это потоки отходов, встречающиеся в различных отраслях промышленности, от производства цемента и стали до химических веществ и производства энергии. В настоящее время мы постоянно сотрудничаем с Управлением долины Теннесси, крупнейшим коммунальным предприятием нашей страны, чтобы продемонстрировать, что дымовые газы электростанций комбинированного цикла, работающих на природном газе, можно использовать для производства твердых углеродных продуктов.

В цепочке выбросов углерода есть ряд заинтересованных сторон. С одной стороны, есть несколько технологий, очень подходящих для прямого улавливания воздуха для производства концентрированного потока CO2. С другой стороны, существует множество технологий, способных перерабатывать CO2 высокой чистоты (>90%). Технологий, которые могут работать с 1-80% CO2 без предварительного концентрирования, гораздо меньше, и именно отсюда сегодня происходит подавляющее большинство наших выбросов CO2. Технология SkyNano работает очень хорошо, чтобы напрямую связываться с выбросами из точечных источников и обезуглероживать некоторые из трудно поддающихся сокращению секторов, на которые мы все полагаемся для сегодняшнего качества жизни.

5. Насколько дорог ваш процесс по сравнению с улавливанием углерода и подземной закачкой и хранением CO2 (CCUS), который, вероятно, потребует налога на выбросы углерода, если на другом конце не будет добывать нефть.

Экономика, бросающая вызов CCUS, в первую очередь заключается в том, что нет никаких экономических преимуществ, кроме возможного налога на выбросы углерода, поэтому в целом это упражнение приносит компаниям чистый убыток. Крупные компании все еще рассматривают CCUS прямо сейчас из-за зрелости этой технологии и их желания быстро обезуглерожиться, но в любом случае это чистый убыток, даже с налоговыми льготами.

Процесс SkyNano экономически целесообразен, исходя из стоимости нашего продукта на выходе из CO2, твердого углерода, а налоговые льготы будут просто бонусом. Фактически, при существующей налоговой структуре 45Q потенциальный доход от налоговых льгот ничтожен по сравнению с доходом от нашего углеродного продукта.

Когда дело доходит до затрат, некоторые из проблем с CCUS связаны с получением разрешений, нормативными препятствиями и другими затратами, которые не всегда очевидны при оценке технологии по ее достоинствам. Для SkyNano наши затраты в основном связаны с электроэнергией, необходимой для управления нашим процессом, и мы ожидаем, что со временем выиграем от прогнозируемого снижения цен на энергию с появлением большего количества возобновляемых источников энергии в нашей сети.

Еще несколько вопросов и ответов см. Стартап SkyNano для преобразования CO2 в твердый углерод: часть 2 — рынки и решение для климата.