High temperature electrolysis of carbon dioxide

Abstract

As the amount of atmospheric carbon dioxide increases, new climate agreements are being signed limiting greenhouse gas emissions. However, limiting these emissions alone is not enough to maintain the average surface temperature below the agreed levels. This means in addition to transiting to renewable energy sources, technologies that reduce the atmospheric carbon dioxide concentration are being developed. One such technology is direct air capture, which captures carbon dioxide directly from air. This captured carbon dioxide contains important elemental building blocks for different technological systems, meaning that otherwise unwanted carbon dioxide can be utilized.

One way to utilize carbon dioxide is by electrochemically reducing it to carbon/carbon monoxide and oxygen by using an electrolysis process carried out in high-temperature molten salts. The most commonly the electrolysis process is carried out in lithium carbonate, that is heated to 750–950°C. The electrolysis process produces carbon monoxide at temperatures over 900°C from where the end product gradually shifts to carbon structures. The structure of the forming carbon product can be modified by altering different process conditions.

The goal of this thesis is to carry out a literature-review on high-temperature carbon dioxide electrolysis process, depict how the process works and what kind of known challenges has been encountered. The thesis also considers different possible end products, how they can be used in different technologies and compares the production costs of different end products using electrolysis process to the production costs of currently used methods. The thesis also ponders what role this electrolysis technology will have in the future energy systems and how the technology will develop in the near future.

Ilmakehässä olevan hiilidioksidin määrän kasvaessa useita, ilmastosopimuksia päästöjen rajoittamiseksi on solmittu. Päästörajoitukset eivät kuitenkaan itsessään pysty enää pitämään maan lämpötilan nousua sovituissa rajoissa. Tämän takia uusiutuvan energian tuotannon lisäämisen lisäksi, erinäisiä hiilidioksidin poistoteknologioita on kehitetty. Yksi tämänlainen teknologia on direct air capture, joka poistaa hiilidioksidia suoraan ilmasta. Tämä kaapattu hiilidioksidi sisältää tärkeitä alkuaineita, joita voidaan käyttää rakennuspalikoina erilaisille teknologisille systeemeille. Tämä tarkoittaa, että muutoin lähes hyödytöntä hiilidioksidia voitaisiin muokata hyödyllisiksi tuotteiksi.

Yksi tapa muokata hiilidioksidia on sen hajottaminen hiileksi/hiilimonoksidiksi ja hapeksi käyttämällä korkealämpöisessä sulasuolassa tapahtuvaa elektrolyysiä. Tavallisimmin elektrolyysireaktio toteutetaan elektrolyyttinä toimivassa litiumkarbonaattiyhdisteessä, joka on lämmitetty 750–950°C. Elektrolyysireaktio tuottaa puhdasta hiilimonoksidia yli 900°C lämpötilassa, josta lopputuote hiljalleen muuttuu hiileksi, ja 800°C lämpötilassa tuote on kokonaan hiiltä. Hiilituotteen rakennetta voidaan muokata muuntelemalla prosessiolosuhteita.

Tämän työn tarkoituksena on tarjota kirjallisuuskatsaus korkealämpöisestä hiilidioksidin elektrolyysiteknologiasta, kuvata kuinka prosessi toimii ja mitä tunnettuja ongelmia prosessissa on esiintynyt. Työ myös käsittelee eri lopputuotteiden käyttökohteita, sekä vertailee tuotteiden tuotantokustannuksia nykyisillä tuotantomenetelmillä elektrolyysiprosessin vastaaviin tuotantokustannuksiin. Työ myös pohtii teknologian tulevaisuudennäkymiä, sekä sen roolia tulevaisuuden energiasysteemissä.