Dwutlenek węgla + woda = benzyna? Nad paliwem przyszłości intensywnie pracują naukowcy z Wydziału Chemii UMCS.

Bak pełen… spalin

Mariusz Karwowski

Prof. Dobiesław Nazimek

Żaden szanujący się fan motoryzacji, zapytany o swoją ulubioną markę, nawet przez chwilę nie zająknie się na temat modeli francuskich producentów. Ani to ładne, ani szybkie. Ale oryginalność jest dziś przecież w cenie. Dlatego na pomysł paliwa produkowanego ze spalin mógł wpaść tylko prof. Dobiesław Nazimek z UMCS, wielki miłośnik francuskich aut, a zwłaszcza citroënów. Opracowana przez niego technologia może się stać źródłem paliwowej potęgi naszego kraju.

Trudno w to uwierzyć? Pewnie, dlatego na potwierdzenie tego lubelski uczony bierze do ręki kalkulator. I liczy.

– Polska emituje rocznie 340 milionów ton CO2. Z tego będziemy mieli 247 mln ton metanolu. Od tej liczby należy odjąć 37 mln ton czystego metanu i prawie tyle samo wody. Zostaje około 170 mln ton benzyny i oleju napędowego. Jeśli sami potrzebujemy rocznie nieco ponad 21 mln ton benzyny, to reszta, czyli sześciokrotność naszego zużycia, może z powodzeniem iść na eksport – podkreśla prof. Nazimek.

Jego imię oznacza „człowieka cieszącego się słuszną sławą”, nie dziwi więc medialne zainteresowanie wynalazkiem opracowanym na czwartym piętrze Wydziału Chemii UMCS. Sam bohater podchodzi do tego z właściwym sobie dystansem. Bo przecież, wbrew temu, co się mu przypisuje, nie zamyka epoki zapoczątkowanej przez Ignacego Łukasiewicza – ropy się nie pozbędziemy, będzie ona nadal potrzebna, np. do produkcji leków syntetycznych czy w kosmetyce. Nie wymyślił też perpetuum mobile – bilans energetyczny jego technologii zamyka się w najlepszym przypadku w 90 proc., a zatem nie ma mowy o samonapędzającym się mechanizmie. W dobry humor wpędza go także przypisywane autorstwo sztucznej fotosyntezy. Badania tego procesu trwają już przecież ponad 30 lat. Ich celem jest możliwie najwierniejsze skopiowanie naturalnej fotosyntezy, w której, pod wpływem promieniowania słonecznego, z dwutlenku węgla i wody otrzymuje się wysokoenergetyczne związki chemiczne. Jednym z nich jest metanol, czyli alkohol metylowy (CH3OH). Do tego, by stał się on paliwem samochodowym, sztuczna fotosynteza jednak nie wystarczy.

– Jest ona procesem silnie endotermicznym, co oznacza, że aby reakcję taką zainicjować, potrzeba sporej dawki energii. Żeby wyprodukować litr metanolu, potrzeba około 1 kWh. Wynika to z faktu, że cząsteczki CO2 czy H2O są bardzo trwałe i aby zmusić je do reakcji, trzeba poluzować wiązania chemiczne.

SPRZĘGANIE METANOLU

Energię można pozyskać na wiele sposobów. Jednym z nich jest spalanie innego paliwa, ale tę możliwość lubelscy uczeni od razu na wstępie odrzucili. Podobnie było z wiatrakami, fotowoltaniką czy też energią pochodzącą ze spadku wód. Uznano, że są to metody podrażające cały projekt, a w przypadku tej ostatniej – mogące działać jedynie w skali lokalnej. Chodziło tymczasem o takie źródło energii, które pozwoliłoby wytwarzać ją dosłownie wszędzie. Trzeba było znaleźć taki „wytrych” w przyrodzie, za pomocą którego można by domknąć bilans energetyczny całego procesu. Ponieważ duża część reakcji syntez chemicznych jest silnie egzotermiczna, a zatem produkuje energię, postanowiono pójść tym tropem.

– W wyniku sztucznej fotosyntezy otrzymaliśmy wodny roztwór, w którym stężenie metanolu wynosi 15 proc. To granica końcowa, więcej się nie da. Ale dzięki opracowanym przez nas warunkom, wydajność i tak jest kilkakrotnie wyższa niż dotychczas. Niemniej, żeby ten metanol stał się benzyną, trzeba zastosować MTG. Te dwa procesy doskonale się uzupełniają, czyniąc technologię wysoce efektywną – tłumaczy prof. Nazimek.

Metoda MTG (z ang. methanol to gasoline) znana jest już od lat 80. ubiegłego wieku. Zorientowano się wówczas, że dobrym surowcem wyjściowym do produkcji syntetycznych paliw może być metanol pozyskiwany z gazu syntezowego. Pierwszą tego typu instalację postawiono w Nowej Zelandii. Wkrótce potem gaz ziemny zaczął drożeć i MTG na większą skalę przestała być opłacalna. Alternatywnym surowcem stał się dwutlenek węgla. Uzyskany z niego metanol poddawany jest separacji termicznej. Polega ona na wydzieleniu alkoholu z wody przy wysokim ciśnieniu i w temperaturze blisko 400°C. Tym sposobem „sprzęga się” on do wyższych węglowodorów, czyli do benzyny i oleju napędowego. W wyniku procesu MTG powstaje paliwo syntetyczne, 108-oktanowe, a w dodatku ekologiczne.

– Dwutlenek węgla, który dziś ulatnia się z wielu polskich kominów fabrycznych, przyczyniając się do efektu cieplarnianego, my zagospodarowujemy w ten sposób, że zamieniamy w benzynę. Wychwytujemy, spalamy i tak w kółko. Ten proces w dużym uproszczeniu przypomina cykl wymiany węgla w przyrodzie.

Nad technologią prof. Nazimek pracował od 6 lat. Jak przy każdych badaniach, były momenty zwątpienia. Przełom nastąpił dopiero w ubiegłym roku. Całkiem inaczej pomyślano wtedy o katalizatorze, który jest jednym z najważniejszych elementów całej koncepcji. Tak jak w każdym katalizatorze, substancją wiodącą jest ditlenek tytanu, ale…

– Inny skład i zupełnie odmienny sposób mocowania katalizatora stanowi nasz znaczący wkład w sztuczną fotosyntezę. Cała filozofia polega na tym, że nasz katalizator nie porusza się w postaci zawiesiny i nie jest później separowany, tak jak to robią w innych ośrodkach. U nas jest on elementem stałym, wbudowanym w ścianę fotoreaktora. Ruchoma pozostaje tylko faza ciekła, tak więc aktywujemy cząsteczki tylko poprzez katalizator. To jest rewolucyjna wręcz zmiana podejścia do tematu sztucznej fotosyntezy.

Ta rewolucja ściśle związana jest właśnie z energią. Katalizator pełni tu rolę swoistego transformatora energii, w którym fotony zmieniają się w fonony, a więc drgania sieci. Do tej pory standardem było aktywowanie cząsteczek CO2 i H2O w sposób bezpośredni. Ta zmiana niesie za sobą istotne zmniejszenie strat energetycznych. Dość powiedzieć, że cały proces można domknąć nawet w 90 proc. Ilość dodatkowej energii, którą trzeba włożyć do procesu, na poziomie 10 proc. jest już wynikiem bardzo dobrym.

– Udało nam się zoptymalizować warunki sztucznej fotosyntezy, konkretnie – od strony absorpcji energii, sposobu jej przekazywania do katalizatora i do cząsteczek. Nie zmienia to ilości energii, natomiast racjonalizuje jej podział: jaka część idzie na cząsteczki, a jaka – do aktywacji katalizatora – wyjaśnia prof. Nazimek.

TANIA BENZYNA

Ze wstępnych szacunków wynika, że koszt wytworzenia litra metanolu na bazie opracowanej technologii będzie oscylował wokół 10 groszy. To czterokrotnie mniej niż przy obecnych technologiach. Oznacza to, że i sama benzyna – produkt końcowy całego procesu – mogłaby być o wiele tańsza. Wyprodukowanie litra takiej benzyny nie przekroczy pół złotego. Nawet dodając do tego marżę i akcyzę, wydaje się, że cena będzie mocno konkurencyjna w stosunku do dzisiaj obowiązującej, którą w dużej mierze warunkuje koszt gazu ziemnego. Mój rozmówca podkreśla, że tych wyliczeń nie dokonywał sam. Zaangażował do tego przedsiębiorców polskich i niemieckich. To oni obliczyli, ile kosztowałaby ich produkcja benzyny z dwutlenku węgla i wody. Biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, skalkulowali cenę na wyjątkowo niskim poziomie. A skoro tak, wydaje się to ze wszech miar opłacalne. Nieco zaskakujący jest fakt, że w lubelskim ośrodku koszty surowcowe sprowadzono jedynie do… wody. I nie jest to dziełem przypadku.

– Przyjęliśmy, że CO2 jest darmowy, a to z uwagi na pakiet klimatyczny. Za emisję dwutlenku węgla trzeba przecież będzie zapłacić, ale jeśli tę samą emisję będzie można sprzedać na rynku paliwowym, to automatycznie się to zbilansuje. Oczywiście, będzie można na tym zarobić, ale na początek założyliśmy sprzedaż na poziomie opłaty za pakiet klimatyczny.

Prof. Dobiesław Nazimek ma świadomość, że właśnie rozpoczął się wyścig z czasem. Zasoby ropy naftowej nie wystarczą na długo, więc cały świat pracuje nad alternatywnym paliwem. W marcu tego roku naukowcy z uniwersytetu w Berkeley ogłosili wyniki swoich badań. W toku są projekty amerykańsko argentyński oraz japoński. Czy polski zespół będzie się liczył w tej rywalizacji?

– Wszystko zależy od tego, jak zachowa się nasz rząd. Ponieważ dotykamy miękkiego podbrzusza każdego państwa, jakim są paliwa, doszliśmy do wniosku, że bez względu na to, jak rządzący zareagują, powinni być świadomi tego, co zrobiliśmy. Najważniejszą dla mnie kwestią jest to, żeby nie było monopolu. I dlatego skierowaliśmy nasze kroki w kierunku państwa, a nie sfery prywatnej. Niech z tej naszej technologii korzysta każdy przedsiębiorca, niech będzie konkurencja – nawołuje prof. Nazimek, z nadzieją oczekując na przyznanie swoim badaniom rangi projektu strategicznego. To oznaczałoby zastrzyk finansowy, nawet 21 mln zł.

Będą one potrzebne m.in. do zoptymalizowania warunków prowadzenia procesu fotokatalitycznej redukcji CO2 z H2O w reaktorze przepływowym własnej konstrukcji. Co ciekawe, nie będzie on później wymagał następnych prototypów. Wystarczy jedynie powielić istniejący układ w dowolnej ilości egzemplarzy. Ponieważ fotoreaktory są relatywnie małe – o wysokości 1,5 m i średnicy niecałych 5 cm – można sobie wyobrazić, że postawienie ich choćby tysiąca nie będzie zadaniem niewykonalnym.

– W odlocie reaktora mamy czysty tlen, więc nie ma problemu z emisją do środowiska. A zatem wszędzie tam, gdzie emituje się dwutlenek węgla, można zbudować taką instalację i zacząć produkować benzynę – dowodzi prof. Nazimek.

POLSKA TYGRYSEM?

Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, najpóźniej w 2012 roku ukończona zostanie budowa pierwszej instalacji pracującej według technologii prof. Nazimka. Stanie w Kędzierzynie Koźlu. Będzie w stanie przerobić w paliwo czwartą część polskiej emisji dwutlenku węgla.

– Jeśli chodzi o jakość, będzie ono co najmniej tak dobre, jak to tradycyjne, które teraz wlewamy do baków. Przypuszczam jednak, że ta jakość wzrośnie, bo przecież cząsteczki węglowodorów otrzymywane za pomocą metody MTG nie zawierają ani siarki, ani azotu.

Do syntezy konieczne jest skierowanie dwutlenku węgla o bardzo wysokiej czystości. W warunkach laboratoryjnych nie było więc mowy o gazach rzeczywistych, zanieczyszczonych. W przyrodzie, gdzie tlen stanowi 1/5 wszystkich gazów, fotosynteza odbywa się bez przeszkód. W fotoreaktorach był on tymczasem traktowany jako toksyna, która powoduje utlenienie każdej cząsteczki organicznej. Innym problemem jest twarde promieniowanie UV. Na razie nie udało się stworzyć katalizatora, który chciałby pracować w tzw. miękkich fotonach.

– Gdybyśmy pracowali w północnej Afryce, to w ogóle nie byłoby o czym mówić, bo nasza technologia bazowałaby na promieniowaniu słonecznym. Ale w naszych warunkach potrzebujemy sztucznego źródła do wytworzenia głębokiego ultrafioletu – przyznaje prof. Nazimek.

I od razu dodaje, że to także jest do pokonania. Wystarczy tylko, jak sam mówi, cały czas biec, nie stać w miejscu. Bo wówczas można się cofnąć. Projekt, który realizowany jest w UMCS, służy właśnie temu, aby technologia ewoluowała, była ulepszana, udoskonalana.

– Przekonaliśmy się na własnej skórze, że im dłużej płynie się tą samą łódką, co inni, tym trudniej jest z niej wyjść i zmienić kurs. Dlatego w pewnym momencie zaryzykowaliśmy, zmieniliśmy utartą już ścieżkę i okazało się, że warto było.

W głosie kierownika Zakładu Chemii Środowiskowej UMCS słychać nutkę zarozumialstwa, ale taka też powinna być natura prawdziwego naukowca – z powagą zaznacza. Ma przy tym świadomość pewnych niedostatków swojej koncepcji. Pojawiające się zewsząd powątpiewania, a nawet odsądzanie go od czci i wiary, jeszcze bardziej motywują do pracy i udowodnienia, że jednak ma rację. Po co mamy czekać, aż podobną technologię wymyślą Amerykanie czy Japończycy – a że wymyślą, można być więcej niż pewnym – zróbmy ją sami – zdaje się nawoływać lubelski uczony. A nuż, za kilka lat staniemy się energetycznym tygrysem w tej części Europy? A może, jak dobrze pójdzie, za trzy lata prof. Nazimek zatankuje ulubionego citroëna już „swoim” paliwem?