Gaz syntezowy, wytwarzany dzisiaj głównie z paliw kopalnych i biomasy, stanowi ważny surowiec w przemyśle. Niektórzy upatrują w nim szansy na zastąpienie wysoce emisyjnych paliw kopalnych do napędzania ważnych procesów produkcyjnych i silników spalinowych. Nikogo jednak do końca nie satysfakcjonuje rozwiązanie nadal bazujące na paliwach kopalnych, a więc niezupełnie odnawialne i bezemisyjne. Dlatego już od kilkudziesięciu lat naukowcy podejmują wysiłki, żeby gaz wytworzyć używając procesów inspirowanych naturą i naturze przyjaznych. Tak powstały sztuczne liście, które gaz syntezowy mogą produkować przy użyciu jedynie wody, dwutlenku węgla i światła słonecznego.
Czym jest gaz syntezowy?
Żeby zrozumieć, dlaczego sztuczne liście mogą być przełomem, warto zrozumieć także istotę tego, co produkują. Gaz syntezowy, inaczej nazywany gazem wodnym, to mieszanina tlenku węgla i wodoru. Wykorzystuje się go do różnych procesów produkcyjnych, w tym np. do produkcji amoniaku, metanolu i etanolu [1]. Znajduje zastosowanie także w generowaniu energii elektrycznej, przy produkcji tworzyw sztucznych i nawozów oraz jako środek do wytwarzania paliwa napędzającego silniki spalinowe.
Gaz syntezowy może być produkowany na różne sposoby, w tym z paliw kopalnych i biomasy. Innowacyjnym pomysłem jest wykorzystanie masy roślinnej po fitoremediacji [2], której utylizacja, ze względu na dużą zawartość np. metali ciężkich, jest dość problematyczna. Tak wytworzony gaz łączy się jednak zawsze z pośrednimi emisjami (chociaż znacznie niższymi w przypadku biomasy niż paliw kopalnych). Wysokoemisyjne jest zarówno wydobycie surowców czy transport, jak i przetworzenie ich na gaz syntezowy. W przypadku sztucznych liści, które wykorzystują energię słoneczną, z emisjami związane jest wyłącznie jednorazowe ich wyprodukowanie . Są to zatem wartości nieporównywalnie mniejsze.
Gaz syntezowy bez emisji, z jednego urządzenia
Po wieloletnich próbach kilku zespołów naukowców zaangażowanych w motywującą rywalizację [3], w końcu zbliżamy się do rozwiązania. Pierwsze (i tak rewolucyjne) urządzenia konwertowały atmosferyczny dwutlenek węgla w tlenek węgla, który następnie mógł zostać użyty do produkcji sztucznej benzyny – lub rozbijały wodę na tlen i wodór, który również mógł zostać wykorzystany do produkcji paliwa lub ogniw paliwowych. Dzisiaj udało się połączyć te dwie funkcje i wyprodukować gęsty energetycznie gaz syntezowy za pośrednictwem jednego urządzenia.
Opracowane na przestrzeni ostatniego roku sztuczne liście są już w stanie wytworzyć gaz syntezowy w sposób efektywny i przyjazny dla środowiska. Przełomu dokonali ostatnio naukowcy z University of Cambridge [4]. Opracowane przez nich urządzenie jest inspirowane fotosyntezą – naturalnym procesem, w którym rośliny wykorzystują energię słoneczną do przekształcania dwutlenku węgla w pożywienie, energię. Gdy urządzenie zanurza się w wodzie, jeden z dwóch “pochłaniaczy” światła wykorzystuje katalizator do produkcji tlenu. Drugi przeprowadza reakcję chemiczną, która redukuje atmosferyczny dwutlenek węgla i wodę do tlenku węgla i wodoru, tworząc gaz syntezowy.
Coraz bardziej wydajna technologia
Co więcej, urządzenie działa także w pochmurne i deszczowe dni – intensywne światło słoneczne nie jest zatem niezbędne. Dlatego, między innymi, sztuczne liście nowej generacji są przełomem. Są niedrogie w produkcji, przyjazne dla środowiska i mogą być używane do wytwarzania gazu syntezowego na całym świecie.
Kluczem w uzyskaniu wysokiej wydajności urządzenia było zastosowanie perowskitów do absorpcji promieni słonecznych zamiast tradycyjnych materiałów, np. silikonu. Jako katalizatora użyto z kolei kobaltu – pierwiastka dużo łatwiejszego w pozyskaniu niż zazwyczaj używane do tego celu srebro i platyna. Pierwiastek ten jest nie tylko znacznie tańszy, ale też bardziej wydajny w produkcji tlenku węgla.
To jednak nie wszystko. Sztuczne liście, jak np. ten wytworzony w University of Illinois at Chicago [5], mogą pochłaniać bardzo duże ilości dwutlenku węgla. Naukowcy twierdzą, że ich konstrukcja byłaby w tym procesie do 10 razy bardziej wydajna niż naturalny liść.
Dlaczego gaz syntezowy, a nie fotowoltaika lub energia wiatrowa?
Na ten moment, sztuczne liście wytwarzają bezpośrednio tylko gaz syntezowy. Następnym krokiem, nad którym naukowcy już pracują, jest produkcja ciekłego paliwa bezpośrednio. Bez konieczności przetwarzania gazu w paliwo poza urządzeniem.
Mimo, że postęp technologiczny w dziedzinie odnawialnych źródeł energii takich jak fotowoltaika czy farmy wiatrowe jest coraz większy, zmiana zachodzi trochę zbyt powoli. Prace nad bezpieczną energetyką termojądrową także potrwają jeszcze lata. Metamorfoza światowej energetyki, a zatem także rozwój elektromobilności są możliwe, ale wymagają czasu. Nasze skrajnie zanieczyszczone miasta i stale zatruwana przyroda tego czasu nie mają – potrzebują zmiany teraz.
Dopóki zapotrzebowanie na paliwa kopalne nie spadnie (np. w przypadku statków czy samolotów), potrzebne jest rozwiązanie równie efektywne i dostępne. Niewykluczone zatem, że syntetyczne paliwo z gazu syntezowego, pozyskane w zrównoważony sposób, mogłoby być rozwiązaniem, które przyniesie realne efekty najszybciej. Jego komercyjna produkcja umożliwiłaby także pochłanianie dużej ilości naddatkowego dwutlenku węgla z atmosfery. Nie mówimy oczywiście, że to rozwiązanie idealnie. Jest jednak bardzo obiecujące i zdecydowanie lepsze od tego, z czym musimy zmagać się dzisiaj.
Źródła:
[1] Pańczyk M., Borowiecki T.: Otrzymanie i zastosowanie gazu syntezowego. Zakład Technologii Chemicznej, Wydział Chemii, Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej: http://www.ztch.umcs.lublin.pl/materialy/rozdzial_15.pdf [dostęp 29.10.2019].
[2] Zhang B., Zhang J., Zhong Z., Wang W., Zhu M., 2019: Syngas production and trace element emissions from microwave-assisted chemical looping gasification of heavy metal hyperaccumulators. Science of The Total Environment, 659, 612–620.
[3] Sivaram V., 2018: The race to invent the artificial leaf. MIT Technology Review: https://www.technologyreview.com/s/610177/the-race-to-invent-the-artificial-leaf/ [dostęp 29.10.2019].
[4] Science Daily, 2019: 'Artificial leaf’ successfully produces clean gas: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191021111826.htm [dostęp 29.10.2019].
[5] Irving M., 2019: Real-world-ready artificial leaf can pluck carbon dioxide out of thin air. New Atlas: https://newatlas.com/artificial-leaf-real-world-ready/58472/ [dostęp 29.10.2019].
Jeśli podoba Ci się treść na blogu, możesz podziękować za moją pracę stawiając mi wirtualną kawę:
