MITの研究者らは、発電所から排出される二酸化炭素を、自動車、トラック、航空機向けの有用な燃料や、多種多様な製品の化学原料に変換できる可能性のある新しいシステムを開発しました。
新しい膜ベースのシステムは、MITの博士研究員Xiao-Yu Wuと、機械工学のRonald C. Crane教授Ahmed Ghoniemが開発したもので、その内容は学術誌ChemSusChemに掲載された論文で説明されています。ランタン、カルシウム、酸化鉄の化合物でできたこの膜は、二酸化炭素の流れから酸素を反対側へ通過させ、一酸化炭素を残します。酸素や水素の製造など、複数の用途に向けて、混合イオン電子伝導体として知られる他の化合物も研究室で検討されています。
このプロセスで生成される一酸化炭素は、それ自体を燃料として使えるほか、水素や水と組み合わせて、さまざまな液体炭化水素燃料や、メタノール（自動車燃料として使用）、合成ガスなどの化学物質を作ることもできます。Ghoniemの研究室では、こうした選択肢の一部を調べています。このプロセスは、二酸化炭素回収・利用・貯留（CCUS）と呼ばれる一連の技術の一部となる可能性があり、発電に適用すれば、化石燃料の使用が地球温暖化に及ぼす影響を軽減できるかもしれません。
ペロブスカイトと呼ばれる構造を持つこの膜は、「酸素に対して100％の選択性があり」、酸素原子だけを通すとWuは説明します。分離は最高990℃の温度によって進み、プロセスを機能させる鍵は、二酸化炭素から分離した酸素を、膜の反対側に届くまで膜内を通過させ続けることです。二酸化炭素の流れと反対側に真空を作る方法もありますが、真空を維持するには多くのエネルギーが必要です。
研究者らは真空の代わりに、水素やメタンなどの燃料を流します。これらの物質は非常に酸化されやすいため、圧力差を設けなくても酸素原子を膜に引き通します。また膜は、酸素が逆戻りして一酸化炭素と再結合し、二酸化炭素に戻るのを防ぎます。最終的には用途に応じて、真空と燃料を組み合わせ、プロセスの駆動に必要なエネルギーを減らしながら有用な製品を生み出すことができます。
プロセスを継続するために必要なエネルギー投入は熱だとWuは述べます。熱は太陽エネルギーや廃熱で賄うことができ、その一部は発電所自体から、残りは他の供給源から得られる可能性があります。つまりこのプロセスによって、熱を化学的な形で貯蔵し、必要なときに使えるようになります。化学エネルギー貯蔵は、他の多くの貯蔵方式と比べ、材料の単位重量あたりに蓄えられるエネルギー量、すなわちエネルギー密度が非常に高い方式です。
現時点で、WuとGhoniemはこのプロセスが機能することを実証したとWuは述べます。現在進められている研究では、膜に使う材料を変える、表面の形状を変える、表面に触媒材料を加えるなどして、膜を通る酸素の流量を増やす方法を調べています。研究者らは、実際に稼働する反応器に膜を組み込み、反応器を燃料製造システムと連結する作業も進めています。また、この方法をどのように大規模化できるか、二酸化炭素排出の回収・変換に関する他の手法と比べて、コストや発電所全体の運転への影響がどう異なるかも検討しています。
Ghoniemの研究グループなどが以前に研究した天然ガス発電所では、流入する天然ガスを2つの流れに分けられるとWuは述べます。一方は燃焼させて発電しながら純粋な二酸化炭素の流れを生み出し、もう一方は新しい膜システムの燃料側に送り、酸素と反応する燃料源として使います。この流れから、発電所の2つ目の出力として、水素と一酸化炭素の混合物である合成ガスが生成されます。合成ガスは、広く使われている産業用燃料・原料です。既存の天然ガス配給網に合成ガスを加えることもできます。
したがって、この方法は温室効果ガスの排出を削減するだけでなく、コストの一部を賄う新たな収益源を生み出す可能性もあります。
このプロセスは、二酸化炭素濃度を問わず機能するとWuは述べます。研究チームは濃度2％から99％まで試験しましたが、濃度が高いほどプロセスの効率も高まります。そのため、従来型の化石燃料発電所や、酸素燃焼発電所のように二酸化炭素回収を想定して設計された発電所から出る、高濃度の排出ガス流に適しています。
「持続可能な熱エネルギーを化学エネルギーに変換するために、二酸化炭素を使って一酸化炭素を生成することが重要です」と、中国・大連の中国科学院で化学物理学の教授を務めるXuefeng Zhuは述べます。Zhuは今回の研究には参加していません。「酸素透過膜を使えば、反応温度を1,500℃から1,000℃未満に大幅に下げられます。これは、従来の二酸化炭素分解プロセスに比べて大きな省エネルギー効果を示しています」と彼は述べます。「彼らの研究は、持続可能なエネルギーと膜プロセスの分野にとって重要だと思います。」
