Co zrobić z surowcami, które z jednej strony nadal napędzają znaczną część gospodarki, a z drugiej coraz wyraźniej ciążą klimatowi? Gaz ziemny (mieszanina gazów, której głównym skłądnikiem jest metan) jest tu przykładem wręcz podręcznikowym. Nadal pozostaje ważnym paliwem i surowcem, ale każdy wyciek metanu, każda pochodnia na polu naftowym i każda energochłonna instalacja przypomina, że “tańsze dziś” nie musi oznaczać “rozsądniejsze jutro”. Dlatego nowe badanie z amerykańskiego Northwestern University przyciąga uwagę, bo uderza dokładnie w jeden z najbardziej niewygodnych punktów tej układanki
Zamiast rozrywać metan temperaturami liczonymi w setkach stopni i ściskać gazy w instalacjach pracujących pod gigantycznym ciśnieniem, badacze postanowili spróbować czegoś znacznie bardziej eleganckiego. Zamknęli w reaktorze coś na kształt mikrobłyskawic i sprawdzili, czy da się w ten sposób przejść prostszą drogą od metanu do metanolu, czyli ciekłego produktu znacznie wygodniejszego w magazynowaniu i transporcie.
Chemicy z USA zrobili coś, czego branża chciała od dawna
Dzisiejsza przemysłowa produkcja metanolu nie polega na bezpośredniej przemianie metanu w metanol, ale na wieloetapowej ścieżce. Najpierw z gazu ziemnego lub innego surowca wytwarza się gaz syntezowy, a dopiero potem prowadzi syntezę metanolu, która we współczesnych instalacjach zwykle zachodzi przy około 50-100 bar i temperaturze rzędu 250-300°C. Bardzo wysokie ciśnienia rzędu 200-300 bar są kojarzone głównie ze starszymi procesami. Taki proces działa, ale pożera ogromne ilości energii, wymaga wielkich instalacji i z definicji generuje emisje, bo najpierw rozbija metan na prostsze składniki, a dopiero potem składa z nich metanol. Nowa metoda ma ominąć ten długi i wymagający proces.
Zespół z Northwestern zamienił metan bezpośrednio w metanol w jednym kroku, wykorzystując impulsy wysokiego napięcia, wodę i katalizator na bazie tlenku miedzi. Reakcja zachodziła w porowatej szklanej rurce zanurzonej w wodzie, gdzie przepływający metan był zamieniany w plazmę, czyli silnie wzbudzony stan materii. Powstające fragmenty cząsteczek metanu i wody mogły następnie połączyć się ponownie już jako metanol, który od razu rozpuszczał się w otaczającej wodzie. Tego typu szybkie “schłodzenie” produktu miało kluczowe znaczenie, bo ograniczało dalszy rozkład do dwutlenku węgla. Właśnie tutaj kryje się największa wartość tego badania, ale trzeba od razu dodać, że chodzi o demonstrację laboratoryjną, a nie gotową alternatywę dla przemysłowych zakładów metanolowych.
Czytaj też: Samochód pokonał dach z fotowoltaiką. Wyjaśniam unikalny sposób działania Aptery
Nie wszystko jest jednak takie proste i jednoznaczne. Po pierwsze, najlepsze wyniki uzyskano nie w byle jakich warunkach, lecz po dostrojeniu układu, a w tym z dorzuceniem do niego argonu. Po drugie, badacze osiągnęli bardzo wysoką selektywność metanolu w fazie ciekłej, na poziomie 96,8%, ale kiedy spojrzeć na wszystkie produkty reakcji (zarówno gazowe, jak i ciekłe), to około 57% kończyło jako metanol. Resztę stanowiły m.in. wodór, etylen i niewielkie ilości propanu, więc daleko jest jeszcze do idealnej produkcji metanolu.
Po trzecie, mówimy o demonstracji laboratoryjnej, a nie o gotowej alternatywie dla przemysłowych zakładów metanolowych. Sam zespół przyznaje, że następnym krokiem ma być dalsza optymalizacja i skuteczniejsze odzyskiwanie oraz oczyszczanie metanolu.
Metanol sprawia skromne wrażenie, ale gra o dużą stawkę
Chociaż metanol nie brzmi szczególnie efektownie w kwestii całego rynku paliw z perspektywy każdego z nas, to w praktyce jest to jeden z tych związków, bez których współczesny przemysł wyglądałby inaczej. Służy jako rozpuszczalnik, półprodukt chemiczny i składnik wykorzystywany przy wytwarzaniu tworzyw sztucznych, farb czy klejów. Do tego od kilku lat coraz mocniej wraca jako kandydat na paliwo dla żeglugi i części zastosowań przemysłowych, bo jako ciecz jest łatwiejszy w magazynowaniu i transporcie niż wodór. Trzeba jednak pamiętać, że klimatyczny sens metanolu zależy od tego, z czego został wyprodukowany, bo metanol otrzymywany z gazu kopalnego nie staje się automatycznie paliwem niskoemisyjnym.
Czytaj też: Panele słoneczne nie boją się tylko pogody. Nowe zagrożenie może pogrążyć całą instalację
Trudno się więc dziwić, że w tle przewija się już metanol powstający z CO2 dzięki nowym katalizatorom, katalizatory przerabiające metan oraz CO2 na syngaz czy silniki okrętowe stawiające na metanol, a z drugiej strony także badania nad syntezą metanolu z CO2 i wodoru przy użyciu pojedynczych atomów katalizatora. Wskazuje to zresztą, że cały rynek i laboratoria na świecie szukają dziś nie tylko “czystszego paliwa”, ale też prostszych dróg do zamieniania uciążliwych gazów w coś, co da się magazynować, przewozić i sprzedać. W tym sensie metanol ma przewagę nad samym metanem. Gaz trzeba sprężać, skraplać albo spalać na miejscu, a ciecz można znacznie wygodniej włączyć do istniejącej logistyki chemicznej i paliwowej.
Dlaczego to może mieć znaczenie większe niż sam metanol?
Gaz ziemny to głównie metan, a ten jest silnym gazem cieplarnianym. Do atmosfery trafia z wycieków, infrastruktury wydobywczej i transportowej, a w wielu miejscach świata nadal jest też po prostu spalany w pochodniach, bo bardziej opłaca się go zniszczyć, niż zagospodarować. Właśnie dlatego pomysł na mniejsze, rozproszone instalacje stojące bliżej źródła wycieku lub odpadowego gazu ma ogromny sens, choć na razie pozostaje potencjalnym kierunkiem rozwoju, a nie gotowym wdrożeniem.
Czytaj też: Kubeł zimnej wody na “darmowy prąd”. Hiszpanie przejęli 9 farm fotowoltaicznych w Polsce
Tłumaczy to zresztą dobrze to, dlaczego autorzy mówią nie tylko o wielkich fabrykach, ale też o mniejszych reaktorach pracujących tam, gdzie dziś gaz jest marnowany. Jeśli udałoby się skalować przetwarzanie metanu przy ciśnieniu atmosferycznym i bez rozgrzewania całego układu do ekstremalnych temperatur, gra toczyłaby się nie tylko o niższe zużycie energii, ale też o możliwość działania bliżej problemu, a więc przy odwiertach i strumieniach gazu, które dziś bywają po prostu spalane w pochodniach.
Źródła: Northwestern University
