Effective methods for capturing and utilizing CO2 (Component 3)

Ефективни методи за улавяне и оползотворяване на СО2
(Компонент 3)

Съвременното бързо икономическо развитие допринася за значително нарастване използването на енергия добивана от конвенционални изкопаеми горива (въглища, нефт и природен газ). Огромната употреба на изкопаеми горива води до неблагоприятен ефект върху околната среда, а именно глобално затопляне и критично изменение климата на земята. Глобалното затопляне е резултат от нарастващата концентрация на парникови газове (ПГ) и по-специално на въглеродния диоксид (CO2), главен антропогенен парников газ. През последното столетие, нивoтo на атмосферния CO2 е нараснало с над 39 %, от 280 ppm (части на милион) през пред-индустриалната ера (1880 г.) до рекордно високото ниво от 400 ppm измерено през май 2013 година, което води до синхронно повишаване на глобалната земна повърхностна температура с около 0.8°C. Тревожно е, че глобалната концентрация на CO2 продължава да растe и на 18 май 2019 г. тя вече е била 414.50 ppm. Критичните промени на климата инициираха глобални усилия на държавите по света за постигане на споразумения (Парижкото споразумение от декември 2015 г) за намаляване емисиите от парниковите газове и по специално от CO2, с главна цел да се ограничи повишението на глобалната температура до 2°C. Едни от основните подходи за намаляване на емисиите от CO2 са улавяне и съхранение на CO2 (carbon capture and storage, CCS) както и улавяне и утилизация на CO2 (carbon capture and utilization, CCU). Разликата между двата подхода е в крайната дестинация на уловения CO2. При CCS подхода, уловеният CO2 се транспортира до подходящо място за продължително във времето съхранение, докато при CCU подхода, уловеният CO2 се конвертира в комерсиални продукти, като ценни химикали и/или горива.

Основните цели на работата по Компонент 3 са следните

  • Да се разшири разбирането и оценяването от българското общество (вкл. учени, бизнесмени и управляващи) на значението и перспективите на подходите за улавяне (CCS) и оползотворяване (CCU) нa СО2 за ограничаване на критичните изменения на климата;
  • Да се създаде необходимата научна база: консолидирана научна общност, интегрирана инфраструктура и върхови научни изследвания за създаване и развитие на нови материали и иновативни подходи за улавяне и оползотворяване на СО2.
  • Да се предложат конкретни научно-обосновани решения в тази насока.

За да се постигне изпълнението на основните цели на Научната програма по Компонент 3, дейността на научния колектив се фокусира върху следните работни пакети (РП):

  • РП 3.1 Изготвяне на аналитичен доклад за улавяне, съхранение и оползотворяване на CO2
  • РП 3.2 Сорбционни методи за улавяне на CO2
  • РП 3.3 Методи за сепариране на CO2 чрез мембрани
  • РП 3.4 Каталитични методи за конверсия на CO2
  • РП 3.5 Трансформация на CO2 в биомаса
  • РП 3.6 Нетрадиционни методи за конверсия на CO2
  • РП 3.7 Създаване на национална научна мрежа за улавяне, съхранение и оползотворяване на CO2

Организационни дейности

Особеност на тематиката на Компонент 3 е, че за разлика от тематиките на първите два компонента на Програмата, научната общност все още не е консолидирана, което поставя организационните въпроси от първостепенно значение.

Структуриране на научни колективи

Научният колектив на Компонент 3 обединява усилията на изследователи от различни области на природните науки като: физика и химия на материалите, физикохимия, сорбционни процеси и катализ, фото- и биокатализ, електрохимия, кристалохимия, полимерна химия, инженерна химия, химични технологии, математическо моделиране и др., което показва интердисциплинарността на работните колективи. За изпълнението на отделните Работни пакети ще работят смесени колективи, формирани от представители на различните научни организации от консорциума.

План за научната дейност

Във връзка със спецификите на Компонент 3 бяха приети следните основни принципи за научна дейност през първия шестмесечен период на изпълнение на ННП ЕПЛЮС:

  • Да се концентрират усилия върху подготовката на аналитичния доклад за МОН.
  • Отделни подбрани материали да се изследват в партньорските институции. Материалите, показали най-добри параметри, да бъдат подбрани за по- подробни изследвания през II етап.

Инфраструктура

За изпълнението на задачите по работните пакети ще бъдат споделяни и проверявани за валидност общи концепции за функционалността на разработваните материали, например адсорбенти и катализатори, както и методи за тяхното физикохимично охарактеризиране, измерване параметрите на функционалност и устойчивост, приспособимост към реални условия на експлоатация и др. Особено полезна в това отношение е консолидацията на наличната инфраструктура. В по- напредналия стадий на разработване на материалите, ще бъдат споделяни най- перспективните образци между отделните колективи за провеждане на допълващи измервания на структурни и функционални характеристики, както и за проверка на параметри за устойчивост и регенерация.

Научна и научно-приложна дейност

Работен пакет 1: Изготвяне на аналитичен доклад за улавяне на CO2 и оползотворяването му

Дейността по този работен пакет се състои в изготвяне на доклад: „Критичен анализ на съвременните и перспективни методи за улавяне, съхранение, конверсия и оползотворяване на СО2

Аналитичният доклад има за цел да направи критичен анализ на съвременните световни тенденции в научната и практическата области на методите и технологиите за намаляване на антропогенните емисии от парникови газове и по-специално на техния главен компонент, въглероден диоксид (СО2), свързани с решаването на световния проблем на кризисно, глобално изменение земния климат. Главната цел на този доклад е да постави основата за разбиране и оценяване на значението и перспективите на подходите за намаляване на антропогенните емисии от CO2, a именно улавяне на въглерод и съхранение (carbon capture and storage, CCS) и улавяне на въглерод и оползотворяване (carbon capture and utilization, CCU), сред научната, инженерна, предприемаческа и управленска общности в страната, както и сред българската общественост. За постигане на тази цел в доклада ще бъде направен критичен анализ на съвременните и перспективни методи за редукция на емисиите от СО2 както и критичен анализ на въздействието на тези подходи върху жизнения цикъл на околната среда. Ще бъдат разгледани различни, свързани аспекти на CCS и CCU подходите като улавяне на CO2, сепариране, транспорт, съхранение, оползотворяване (утилизация), течове и мониторинг, както и оценка на жизнения цикъл, на екологичните въздействия, и на ограниченията за комерсиална реализация. Ще бъде направен анализ на съвременните тенденции в изследователската и развойна дейности както и на патентната активност по създаване на нови материали и технологии. Ще бъдат представено съвременното състояние на разгръщане на комерсиални проекти в световен мащаб и особено на голямомащабни, цялостни проекти за CCS и CCU системи. Ще бъдат разгледани също така състоянието на емисиите на парникови газове в България и перспективите за развитие на CCS и CCU подходите в страната.

Работен пакет 2: Сорбционни методи за улавяне на СО2

Дейността по този работен пакет бе съсредоточена по изпълнение на следните задачи:

  • Идентифициране на най-подходящи материали за ефективна адсорбция на СО2 (зеолити, мезопорести материали, метал-органични структури, пепели от изгаряне на биомаса, хибридни и модифицирани материали).
  • Синтез/закупуване на материали и базичното им охарактеризиране.
  • Адсорбция на СО2 върху подбраните материали.

Работен пакет 3: Методи за сепариране на СО2 чрез мембрани

Работата по този работен пакет обхваща проучване на съвременно състояние и перспективите за развитие на мембранните технологии за сепариране и улавяне/утилизация на CO2, както и оценка на възможностите тези технологии да получат развитие в страната.

Работен пакет 4: Каталитични методи за конверсия на СО2

Фокус на този работен пакет бе разработването на нови ефективни каталитични процеси за конверсия на СО2, а именно:

  • Реформинг на метан с СО2 (сух реформинг на метан) - ИК
  • Оползотворяване на CO2 за конверсия на алкохоли, получавани от биомаса, до енергоносители и електролити за батерии - ИОХЦФ

Работен пакет 5: Трансформация на СО2 в биомаса

Работата по този работен пакет бе осъществена в две направления: биоконверсия на СО2 и биоелектрохимична конверсия на СО2.

Работен пакет 6: Нетрадиционни методи за конверсия на СО2

През първия етап на програмата, работата по този работен пакет бе фокусирана върху проучване потенциала на нетрадиционни методи за активиране на СО2 и конверсия в ценни химически продукти, по специално:

  • Нови подходи за фоторедуктивно активиране на СО2
  • Нови подходи за плазмено активиране на СО2

Работен пакет 7: Създаване на национална научна мрежа за улавяне и съхранение/оползотворяване на СО2

Работата по този работен пакет е насочена към консолидиране на научната общност по провеждане на изследователска и приложна дейност по улавяне и съхранение/оползотворяване на СО2. Една от специфичните цели на ННП ЕПЛЮС е обединяването на националната експертиза на научните институти и висшите училища чрез тематично дефинирана дейност на мултидисциплинарни екипи.