Technologija, kuri sukeltų revoliuciją: Lietuvos mokslininkai ieško būdų, kaip išmetamą anglį atversti atgal į degalus

Naujausios technologijos leistų elektrą panaudoti ne tik vandeniliui gaminti, bet ir naikinti pagrindinę klimato atšilimo priežastį – anglies dioksidą versti atgal į degalus ar kitus naudingus chemikalus. Prie šių tyrimų dirba viso pasaulio, įskaitant ir Lietuvos elektrochemikus.

Planeta pati moka pasirūpinti anglies dvideginiu – ilgus milijonus metų augalai iš oro siurbdavo CO2, ir anglį paversdavo į naudingas maistines, vykdydami fotosintezę. Žmogus daro atvirkščiai – tai, ką sukūrė augalai, įskaitant ir naftą, kūrena, o degimo produktą – CO2 dujas – išmeta į atmosferą. Tokia žmogaus veikla privedė prie to, kad augalai paprasčiausiai nebespėja – ore CO2 kaupiasi sparčiai ir skatina klimato atšilimą.

Atrodytų, jei pasaulis turi per daug anglies dioksido – tai kodėl jo nepaėmus ir neatvertus atgal į organines molekules, pvz., degalus ar kitus angliavandenilius, panaudojant perteklinę elektros energiją iš atsinaujinančių išteklių, pvz., saulės, vėjo, ar geoterminių šaltinių. Jei gali augalai, nejau nesugebėtų pramoninio proceso rasti ir žmogus? Ar galėtų būti vienas toks įrenginys, kurį apšvietus saule anglies dioksidas būtų „perdirbamas“? Teoriškai įmanomos netgi tokios saulės jėgainės, kurios gamintų ne elektrą, o degalus.

Anglies dioksido (CO2) konversija į anglies monoksidą (CO), naudojant elektrochemines reakcijas, turi potencialo ne tik sumažinti taršą, bet tai leistų apsirūpinti ir alternatyviu energijos šaltiniu.

Kiek toli esame pasistūmėję šioje srityje? To pasiteiravome Kauno technologijos universiteto (KTU) Cheminės technologijos fakulteto Fizikinės ir neorganinės chemijos katedros mokslo darbuotojos dr. Ievos Barauskienės. Ji apgailestauja, kad dar daug liko nuveikti, tačiau perspektyvos iš tiesų daug žadančios.

„Šventasis gralis“, kurio ieško mokslininkai šioje srityje – katalizatorius, arba medžiaga, kuri leistų kuo efektyviau atlikti konversijas, sunaudojant mažiausiai energijos.

„Jei kalbėtume apie elektrocheminę CO2 redukciją, tai šis procesas dar yra technologijos vystymo stadijoje. Yra daugybė tobulintinų vietų: katalizatoriai, kurie šiame procese yra kone svarbiausi, pačios aparatūros konstrukcija, membranos. CO2 molekulė yra labai stabilus junginys, kuriame ir anglis, ir deguonis yra stabiliausių formų. Todėl priversti ją kažkaip reaguoti reikalinga didelė energija.

Panašiai kaip norėtume išjudinti didelį akmenį – jei duosime sprigtą, akmuo nejudės iš vietos, bet jei stipriai stumsime – išjudinsime. Taip ir chemijoje – norint priversti stabilų junginį reaguoti reikia jį aktyvuoti, t.y. suteikti energijos. O didelė energija lygu dideli kaštai. Sunku prognozuoti, kada šis procesas gali tapti finansiškai naudingas, tačiau mokslininkai ties šia tema dirba visame pasaulyje, todėl progresas yra. Gal tik ne taip greitai, kaip norėtųsi“, – sako I. Barauskienė.

Anglies perdirbimas turėtų vykti kartu su vandenilio gamyba

Elektrolizė yra labai švarus gamybos būdas, todėl jis tampa ypač patrauklus, kuomet atsinaujinantys energijos šaltiniai ateityje gali užtikrinti didelį energijos kiekį.

Anot I. Barauskienės, elektrolizė dar yra labai patogi, kadangi norint ją vykdyti, nereikia didžiulių gamyklų, aparatūra gali būti įvairių dydžių. Elektrolizei paprastai nereikia aukštos temperatūros ar didelio slėgio.

Pvz., pakanka du elektrodus panardinti į vandens tirpalą, kad vandens molekulės, veikiamos elektros energijos, skiltų į vandenilį ir deguonį kambario temperatūroje.

Tačiau CO2 turi kelias problemas. Deginant angliavandenilius, susidaro ne tik CO2, bet ir vanduo – norint „atsukti“ šią reakciją priešinga linkme, reikėtų kad ir CO2 redukcijoje dalyvautų vandenilis, kaip protonų ir elektronų šaltinis. Tad norint iš CO2 gauti angliavandenilius, reikėtų derinti abu procesus – ir vandenilio gamybą, ir CO redukciją.

Dar CO2 sunku iš oro surinkti. Nors klimatui kaitinti pakanka nedidelės procentinės dalies, tačiau norint CO2 perdirbti, koncentracija yra labai nedidelė. „Pasėmus“ milijoną oro molekulių, jose būtų tik apie 420 CO2 molekulių, arba apie 0,04 proc. Daugiausia nagrinėjama alternatyva CO2 perdirbti šalia gamyklų, elektrinių.

„Kadangi CO2 pramoniniu mastu dar nėra elektrochemiškai redukuojamas, todėl apie procesų sujungimą anksti kalbėti. CO2 redukcijai reikalingas vandenilio jonas paprastai gaunamas iš vandens“, – sako I. Barauskienė.

Vandens skaidymo elektrolize ir CO2 elektrocheminės reakcijos domina viso pasaulio elektrochemikus, patikina mokslininkė. Šios reakcijos nebūtinai turi būti susijusios, tačiau derinamos kartu leistų iš CO dujų ir vandenilio gaminti įvairius angliavandenilių produktus: pvz., metanolį, metaną, etileną ir kitus.

„Cheminės reakcijos, kol užrašytos ant popieriaus, atrodo logiškos ir paprastos, deja, kalbame apie vienus stabiliausių junginių visoje žemėje – vandenį ir anglies dioksidą. Realybėje jos taip paprastai nevyksta“, – paaiškino mokslininkė.

Didžiausia problema – energija: visi ieško katalizatoriaus

Anot KTU mokslininkės, viena iš didžiausių problemų, susijusių su anglies dioksido perdirbimu – energijos, reikalingos procesui vykti, sąnaudos. Kadangi tai itin stabilios dujos, neapsieinama be katalizatorių – medžiagų, kurios sumažintų energijos poreikį.

Katalizatorius atlieka vieną svarbiausių vaidmenų elektrolizės reakcijose – mažina energiją, reikalingą reakcijai įvykti. Jis turi atitikti daugybę reikalavimų: turi būti efektyvus konkrečiai reakcijai, bet pats nesusinaudoti, taip pat jis turi būti stabilus chemiškai (agresyvioms rūgštinėms ar šarminėms aplinkoms) ir mechaniškai. Mokslininkė siūlo įsivaizduoti, kad katalizatoriaus paviršių nuolat bombarduoja mažų burbuliukų srautas.

Taip pat katalizatorius turi būti geras elektros laidininkas, nes per jo paviršių turi „ateiti“ elektros energija.

„Dažniausiai tokiose reakcijose didžiausią efektyvumą demonstruoja retieji metalai (platina, iridis, rutenis). Bet jų naudojimas labai pakelia pačio proceso kaštus, todėl mokslininkai ieško pigesnių alternatyvų. Pirmiausia iškyla nebrangūs metalai ir jų dariniai, vienas iš jų – varis. Tačiau ir jo efektyvumas nėra pakankamas. Todėl sintetinami įvairūs metalų, anglies dariniai ir taip ieškoma tvarių, efektyvių ir pigių alternatyvų“, – sako mokslininkė.

„Taip pat iššūkis yra proceso selektyvumas, t.y. ar mes gausime tą produktą, kurio norime. Šiuo metu mokslininkams pavyko pasiekti beveik 100 % selektyvumą gaunant CO (anglies monoksidą) ir skruzdžių rūgštį. Tačiau jei kalbėtume apie aukštesnius angliavandenilius, skaičiai perpus mažesni ir kuo sudėtingesnis angliavandenilis, tuo jie mažesni. Pvz., etanoliui gauti panaudojama tik 52 proc. energijos, iš likusios dalies susidaro kitokie junginiai. Propanoliui šis skaičius dar mažesnis – tik 30 proc. Iš to kyla trečiasis iššūkis – kaip išskirstyti gautus produktus, kai jie susimaišę“, – apžvelgia I. Barauskienė.

O štai Kinijos mokslų akademijos Fudziano Medžiagų struktūros tyrimų instituto mokslininkai skelbiasi sukūrę aukso pagrindo nanodalelių hibridinę medžiagą, kuri leidžia pasiekti geriausią iki šiol anglies dioksido redukcijos efektyvumą, rašo scitechdaily.com.

Šiuo darbu tikėjomės išspręsti aplinkos taršos ir energijos trūkumo problemą, elektrocheminiu būdu anglies dioksidą verčiant didesnės pridėtinės vertės produktais“, – teigia instituto mokslininkė, straipsnio autorė Minna Cao ir pažymėjo, kad skiriamasis naujo katalizatoriaus bruožas – aukso paviršiau funkcionalizavimui naudojama makromolekulė cucurbit[n]uril. Hibridinė medžiaga vadinama Au@CB[6].

Auksas kaip katalizatorius ir šiaip žinomas kaip viena aktyviausių medžiagų, leidžiančių su mažesniais energijos nuostoliais konvertuoti CO2 į CO. O sudėtingesnės nanodalelės dar padidino efektyvumą. Mokslininkai ketina ieškoti dar geresnių molekulių formų ir dydžių, kad aukso katalizatorius paskatintų elektrocheminę anglies dioksido redukciją.

Vandenilis irgi anksčiau neatrodė kaip apsimokanti alternatyva

„Kol kas gal viskas atrodo kiek niūrokai, tačiau ir vandenilio gamyba elektrolizės būdu kažkada buvo nepaprastai brangus procesas, kurio efektyvumas buvo mažas. Tačiau eilę dešimtmečių tobulinant procesą, jis pasiekė 57-65 proc. efektyvumą, o vietovėse, kuriose yra daug pigios alternatyvios energijos (saulės, vėjo), pagaminamo vandenilio kaina, skaičiuojama, gali būti žemesnė nei įprastais būdais iš gamtinių dujų, naftos ar anglies gaunamo vandenilio“, – lygina KTU mokslininkė.

Mokslininkė patikina – anglies redukcija, arba „perdirbimas“ yra verta tyrimų sritis. Dar sunku atsakyti, kokį efektyvumą teoriškai būtų galima pasiekti – svarbu privesti prie to, kad procesas taptų ekonomiškai efektyvus, o tai priklauso nuo daugybės faktorių, pvz., kiek kainuotų surinkti toną CO2, kiek kainuotų energija jam redukuoti, kokių kapitalo išlaidų reikėtų ir pan.

O pagaminti anglies produktai, įskaitant degalus ir kurą, būtų ekologiški. Net jei tai būtų benzinas – jį būtų galima būtų laikyti žaliu, kol gamybai naudojama tik atsinaujinanti energija. Matir prasminga toks procesas tik naudojant atsinaujinančią energiją.

„Degindami kurą kaip energijos šaltinį procesui, kurio efektyvumas tikrai nebūtų 100 proc., mes sugeneruotume tik dar didesnį CO2 kiekį“, – paaiškina mokslininkė.

Teoriškai ateityje netgi įmanoma, kad saulės elektrinės gamintų ne elektrą, o degalus. Tačiau praktiškai – tai laiko ir finansų klausimas, vertina I. Barauskienė.

Vandenilis tebėra pasirinkimas numeris vienas

Pasauliui pereinant prie atsinaujinančios energetikos, ieškoma būdų, kaip juos balansuoti – kur padėti energijos perteklių, kuomet šviečia saulė ir pučia vėjas, ir ką daryti, kai yra priešingai.

Elektrolizė leistų kurti uždaro ciklo įrenginius, kurie kurą gamintų, kai yra daug perteklinės energijos, o kai jos pritrūksta – kurą naudoti papildomai energijai išgauti.

„Tai yra viena iš Tarptautinės atsinaujinančios energetikos agentūros (IRENA) skelbiamų vizijų – atsinaujinančios energijos perteklių išnaudoti sumontuojant elektrolizerius. Tik kol kas kalba eina apie vandenilio gamybą. Tai realu, tačiau klausimas yra kokia būtų taip pagaminto vandenilio kaina (vandens elektrolizerio efektyvumas yra apie 60 proc.) ir kam jis būtų naudojamas vėliau (kaip kuras, parduodamas produktas ar kt.)“, – dėsto I. Barauskienė.

Žmonijos energijos poreikiai kasmet tik didėja, o problemos dėl taršos nebeleidžia laukti – išeičių reikia ieškoti kuo greičiau.

„Pramoninė vandenilio gamyba elektrolizės būdu yra vystoma jau nuo XIX amžiaus, todėl šis procesas yra nepalyginamai labiau pažengęs į priekį nei CO2 elektrocheminė redukcija. Vandenilis gali būti naudojamas ir kaip kuras transportui, tačiau tai taip pat gali būti energijos šaltinis ir pramonei, kurioje procesams vykdyti reikalinga aukšta temperatūra ar slėgis. Juk jo degimo produktas yra vienas – vanduo. O vėl deginant angliavandenilius, kad ir gautus tvariai, mes gausime tą patį CO2, kurį vėl reikės perdirbti“, – lygina I. Barauskienė.

Mokslininkai bando atkartoti ir fotosintezę

Dar viena sritis, ties kuria intensyviai dirba mokslininkai – fotoelektrocheminė CO2 redukcija. Dar šis procesas vadinamas dirbtine fotosinteze, pažymi I. Barauskienė.

„Tai yra idėja atkartoti šį augalų vykdomą procesą, kai saulės energija suaktyvina šviesai jautrų katalizatorių, ant kurio paviršiaus vyksta CO2 redukcija. Šiam procesui išvystyti iki pramoninio prireiks dar daugiau laiko, tad kol kas ypač svarbu ieškoti būdų kaip CO2 išmesti kuo mažiau, kad gamta, kurioje šis procesas vystėsi milijonus metų, būtų pajėgi susidoroti“, – apibendrino mokslininkė.