Deri më sot, ka vetëm disa projekte të përfunduara në botën e instalimeve të porositura për prodhimin e metanit nga druri. Rezultatet e para na lejojnë të shpresojmë për një përparim serioz në këtë drejtim.
Për formulat për artikullin “Metani nga biomasa” shih
Metani CH4 është një gaz pa ngjyrë dhe erë që është pothuajse dy herë më i lehtë se ajri. Formohet në natyrë si rezultat i dekompozimit pa hyrje ajri të mbetjeve të organizmave bimorë dhe shtazorë. Kjo është arsyeja pse ajo është e pranishme, për shembull, në ligatinat dhe minierat e qymyrit. Metani përmbahet në sasi të konsiderueshme në gazin natyror, i cili tani përdoret gjerësisht si lëndë djegëse në jetën e përditshme dhe në industri.
Një nga teknologjitë me rritje më të shpejtë në fushën e prodhimit të energjisë nga burimet e rinovueshme sot është prodhimi i biometanit me fermentim anaerobik dhe furnizimi i tij i mëvonshëm në rrjetet përmes të cilave gazi natyror shpërndahet tek konsumatorët. Pavarësisht kostove të larta të prodhimit të biometanit duke përdorur këtë teknologji (8-10 euro cent për 1 kWh), numri i instalimeve për prodhimin e tij është vazhdimisht në rritje. Në vitin 2009, 23 impiante klasike (me lëndë djegëse pleh organike) të biogazit që ushqejnë gaz në tubacionet ekzistuese të gazit natyror ishin tashmë në funksionim në Gjermani dhe 36 të tjera janë në ndërtim ose planifikim. Arsyeja e rritjes së këtij treguesi është Ligji për Energjinë e Rinovueshme (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG), i miratuar në Gjermani në 2004, i ndryshuar në 2009 dhe i lejon shitësit e gazit t'u ofrojnë klientëve të tyre gaz të marrë nga burimet rigjeneruese dhe të marrin subvencione qeveritare për prodhimin e energjisë elektrike. nga burimet e rinovueshme të energjisë (BRE).
Fabrika e parë në botë që prodhon gaz SNG nga druri në
Qyteti austriak i Güssing. Në plan të parë është një njësi e prodhimit të metanit
Biometani, sipas skemës klasike dhe tashmë të përdorur gjerësisht, përftohet nga nënshtresat bimore (për shembull, misri), llumi i komplekseve të derrit, plehu i bagëtive, plehut organik të pulës etj. Ky metan nga biomasa mund të merret nga dekompozimi i tij anaerobik (fermentimi ). Në tretjen anaerobe, lënda organike (mbeturinat natyrore) dekompozohet në mungesë të oksigjenit. Ky proces ndodh në tre faza që përfshijnë dy grupe të ndryshme bakteresh. Në fazën e parë, komponimet organike komplekse (acidet yndyrore, proteinat, karbohidratet) shndërrohen në komponime më të thjeshta si rezultat i hidrolizës enzimatike. Në fazën e dytë, përbërjet e thjeshta ekspozohen ndaj një grupi bakteresh anaerobe (ose acidformuese), duke rezultuar në formimin e acideve yndyrore kryesisht të paqëndrueshme. Në fazën e tretë, acidet organike shndërrohen në dioksid karboni dhe metan nga veprimi i baktereve rreptësisht anaerobe (ose metan-formuese). Pas kësaj faze fitohet gaz (biogaz) i pasuruar me metan, vlera kalorifike e të cilit është 5340-6230 kcal/m 3.
"Ersatzgas" nga biomasa e ngurtë, si druri, ka një avantazh të konsiderueshëm ndaj biogazit të marrë nga plehrat organike dhe mbeturinat: ata që merren me prodhimin e këtij gazi kanë në dispozicion vëllime mbresëlënëse mbetjesh nga sharrat, prerjet dhe përpunimi i drurit. Gjithashtu, në tregun evropian, çmimet e sharrave dhe mbetjeve të përpunimit të drurit, në ndryshim nga çmimet e produkteve bujqësore që përdoren për prodhimin e biogazit, luhaten shumë më pak. Nuk duhet të harrojmë se përdorimi i produkteve bujqësore (drithë, misër, rap, etj.) për prodhimin e biogazit çon në fund të fundit në çmime më të larta në tregjet ushqimore. Përveç kësaj, nxehtësia e mbetur nga reaksioni kimik ka një temperaturë më të lartë në krahasim me temperaturën e nxehtësisë së mbetur nga reaksionet e fermentimit në impiantet klasike të biogazit. Nga kjo rrjedh se energjia termike e çliruar gjatë proceseve të metanimit të drurit mund të përdoret në mënyrë më efikase në furnizimin rajonal me ngrohje. Është gjithashtu e rëndësishme që, ndryshe nga impiantet klasike të biogazit, të mos ketë erëra të pakëndshme gjatë funksionimit të impianteve për prodhimin e metanit nga druri. Përveç kësaj, këto instalime zënë shumë më pak hapësirë se ato klasike dhe mund të vendosen brenda aglomerateve urbane.
teknologjitë
Rezultati i prodhimit të gjerë të biometanit nga substratet bujqësore me fermentim (fermentim anaerobik) sot është biometani, i cili përbëhet kryesisht nga metani dhe dioksidi i karbonit. Pastaj biometani duhet t'i nënshtrohet përgatitjes dhe rafinimit të veçantë për cilësinë e gazit natyror duke ndarë CO 2 . Humbja e nxehtësisë gjatë fermentimit kufizon efikasitetin e të gjithë zinxhirit të procesit. Efikasiteti është 50-60%.
Në prodhimin e gazit natyror sintetik (Substitute Natural Gas - SNG) nga lëndë djegëse të ngurta me karbon si qymyri ose biomasa (druri), pas gazifikimit termik në fazën e parë të procesit, fitohet i ashtuquajturi gaz sintetik, nga i cili pas pastrimit nga të gjitha llojet e papastërtive (kryesisht nga dioksidi i karbonit dhe komponimet e squfurit e të klorit) sintetizohet metani. Ky proces ekzotermik ndodh në temperatura ndërmjet 300 dhe 450 °C dhe presione prej 1-5 bar në prani të një katalizatori të përshtatshëm. Në këtë rast, ndodhin reagimet e mëposhtme:
Shihni formulat në
Ndryshe nga fermentimi anaerobik, gazifikimi termik i biomasës arrin efikasitet më të lartë sepse nxehtësia e mbetur nga prodhimi i SNG mund të përdoret gjithmonë në vend.
Në parim, prodhimi i metanit nga gazi i sintezës, si dhe nga përzierjet e gazit të hidrogjenit (H 2) dhe monoksidit të karbonit (CO) është një teknologji shumë e vjetër. Kimisti francez Paul Sabatier shpiku një metodë për prodhimin e metanit, të quajtur pas tij: reaksioni Sabatier ose procesi Sabatier (frëngjisht: Sabatier--Reaktion). Në vitin 1912 ai mori çmimin Nobel në Kimi për këtë. Ky proces përfshin reagimin e hidrogjenit me dioksidin e karbonit në temperaturë dhe presion të ngritur në prani të një katalizatori nikeli për të prodhuar metan. Rutenium me oksid alumini mund të përdoret si një katalizator më efektiv.
Procesi përshkruhet nga reaksioni kimik i mëposhtëm:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O.
Meqenëse të dy reaksionet janë shumë ekzotermike, pa masa të veçanta për të ftohur reaktorët ose për të riqarkulluar, katalizatori do të degradohej kur nxehet në 600 °C. Përveç kësaj, në temperatura të larta ekuilibri termodinamik i H 2 dhe CO zhvendoset, kështu që një rendiment mjaft i lartë i metanit mund të arrihet vetëm në temperatura nën 300 °C.
Teknologjia e gazifikimit u krijua në vitet 1800 për të prodhuar gaz sintetik, i nevojshëm për ndriçimin e qyteteve, dhe gjithashtu përdoret si ftohës për qëllime shtëpiake dhe industriale (metalurgji, motorë me avull, etj.). Si qymyri, ashtu edhe biomasa bimore dhe produktet e tij të përpunuara (qymyr druri) iu nënshtruan gazifikimit.
Përdorimi i procesit bazë të gazifikimit të qymyrit për të prodhuar kimikate dhe lëndë djegëse sintetike filloi në vitet 1920 në Institutin Kaiser Wilhelm për kërkimin e qymyrit në Mülheim an der Ruhr (Gjermani). Në këtë institut, Franz Fischer dhe Hans Tropsch shpikën një metodë për prodhimin e gazit sintetik (singas) për prodhimin e karburantit të lëngshëm nga qymyri në Gjermani. Procesi Fischer-Tropsch, ose sinteza Fischer-Tropsch (FTS), është një reaksion kimik që ndodh në praninë e një katalizatori (hekuri, kobalti), në të cilin një përzierje e monoksidit të karbonit (CO) dhe hidrogjenit (H2), është, gazi i sintezës, shndërrohet në hidrokarbure të ndryshme të lëngshme. Hidrokarburet që rezultojnë pastrohen për të marrë produktin e synuar - vajin sintetik. Dioksidi i karbonit dhe monoksidi i karbonit formohen gjatë oksidimit të pjesshëm të qymyrit dhe/ose lëndës djegëse druri.
Procesi Fischer-Tropsch përshkruhet nga ekuacioni kimik i mëposhtëm:
CO + 2H 2 → --CH 2 -- + H 2 O
2CO + H 2 → --CH 2 -- + CO 2 .
Singali i përftuar pas gazifikimit të qymyrit ose mbetjeve të ngurta që përmbajnë karbon mund të përdoret drejtpërdrejt si lëndë djegëse, pa konvertim të mëtejshëm përmes procesit Fischer-Tropsch. Kështu, është mjaft e lehtë të bëhet kalimi nga gazi në karburant të lëngshëm. Gjatë Luftës së Dytë Botërore në Gjermani, sinteza Fischer-Tropsch u përdor në tetë fabrika për të prodhuar naftë sintetike (rreth 600 mijë tonë në vit). Projekti u financua plotësisht nga shteti. Pas përfundimit të Luftës së Dytë Botërore në Gjermani, të gjitha këto fabrika u mbyllën dhe pjesërisht, së bashku me teknologjinë, u eksportuan si dëmshpërblim në Shtetet e Bashkuara dhe prej andej u shpërndanë në të gjithë botën. Në të njëjtën kohë, në Republikën e Afrikës së Jugut, kompania South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), duke përdorur teknologjinë gjermane, filloi prodhimin e karburantit sintetik dhe deri më sot prodhon më shumë se 200 mijë fuçi nafte ekuivalente me hidrokarbure të lëngshme në vit në katër uzinat e saj në Afrikën e Jugut dhe një fabrikë në Katar. Afrika e Jugut ishte për një kohë të gjatë i vetmi vend në botë ku u zhvillua zhvillimi i procesit CFT. Por pas krizës së vitit 1973, kompanitë globale të naftës dhe energjisë në shumë vende (veçanërisht në SHBA dhe Gjermani) filluan të shfaqin interes si për prodhimin e lëndëve djegëse të lëngshme sintetike ashtu edhe për prodhimin e gazit sintetik natyror.
Janë zhvilluar një sërë projektesh për prodhimin e gazit të sintezës natyrore, por vetëm njëri prej tyre është zbatuar me sukses në shkallë industriale. Në vitin 1984, Great Plains Synfuels Plant (Kompania Dakotagas) nisi fabrikën e metanimit të linjitit në Shtetet e Bashkuara, e cila deri më sot prodhon gaz natyror sintetik që futet në rrjetin e gazit natyror. Kapaciteti ditor i uzinës është 3.9 milionë m3 SNG.
Është gjithashtu e përshtatshme të kujtojmë përvojën e Bashkimit Sovjetik, ku nga fundi i viteve 1920 deri në vitet 1950, njësitë e gjeneratorëve të gazit funksiononin duke përdorur dru (dru zjarri dhe qymyr) dhe torfe për të prodhuar lëndë djegëse motorike të gaztë. Në vitin 1929, në BRSS u ndërtua stacioni i parë i madh i gjenerimit të gazit që funksiononte me torfe, dhe në vitet pasuese u ndërtuan një numër stacionesh të tjera të ngjashme në ndërmarrje të mëdha. Prodhimi i gazit nga druri është përdorur kryesisht për karburant transporti. Pasi filloi zhvillimi i Siberisë Perëndimore dhe zbulimi i depozitave më të mëdha në botë të karburantit blu, gjenerimi i gazit në BRSS, për fat të keq, u harrua në mënyrë të pamerituar.
Prodhimi i metanit nga druri
Në gazifikimin, biomasa me formulën kimike CH n O m fillimisht shndërrohet në gaz sintezë që përbëhet nga hidrogjen dhe monoksid karboni. Nga ekuacioni i përgjithshëm stekiometrik për reaksionin e metanimit të biomasës me formulën e shumës
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H 2 O → 0,55875 CH 4 + 0,44125 C 2 O
rrjedh se uji ose avujt e ujit duhet të furnizohen në reaktorin e metanit dhe prej tij duhet të hiqet dioksidi i karbonit. Këtu ka disa opsione: ose CO 2, si në sintezën industriale, hiqet nga gazi i sintezës direkt nga reaktori i metanit, ose, si në përgatitjen e biogazit (fermentimit), pas procesit të metanimit, tashmë nga gazi natyror sintetik i parafinuar. . Avantazhi i metodës së parë ndaj të tjerave është se gazi tashmë i pastruar hyn në ciklin e metanimit. Përparësitë e metodës së dytë janë se reaktori i metanit mund të funksionojë me avujt e tepërt të ujit, gjë që redukton ndjeshëm formimin e karbonit.
Puna në këto fusha po kryhet në Institutin Paul Scherrer (Zvicër), i cili, veçanërisht, mori pjesë në shkrimin e Programit për prodhimin e metanit nga biomasa duke përdorur teknologji të reja (në shtresa vorbullash aktive katalitike) në kuadër të BE-së BioSNG. projekti. Kjo teknologji është vënë në praktikë në termocentralin në qytetin austriak të Gussing. Fabrika e sintezës së metanit, e cila u vu në punë në vitin 2009, ka një fuqi prej 1 MW dhe punon me copëza druri. Aktualisht po diskutohet një projekt 30 MW për prodhimin e metanit nga druri në Goteborg, Suedi. Punë të ngjashme po kryhen në Gjermani (Shtutgart, ZSW), Holandë (Qendra Kërkimore për Energjinë, ECN) dhe në Institutin e Inxhinierisë Termike të Universitetit Teknik në Graz (Austri) në bashkëpunim me kompaninë Agnion në Pfaffenhofen an der Ilm. (Gjermani).
Efikasiteti i sintezës së metanit nga biomasa
Gjatë prodhimit të metanit në çdo fazë të procesit, si në çdo proces sinteze, humbjet janë të pashmangshme. Kur ndodhin reaksione ekzotermike, nxehtësia largohet, përmbajtja energjetike e së cilës nuk mund të jetë në produktin e përfunduar të sintezës më e madhe se energjia e lidhur kimikisht gjatë procesit të sintezës. Për metanimin, kjo do të thotë se vetëm afërsisht 60% e energjisë nga biomasa e përdorur ruhet në produktin e përfunduar - SNG.
Por meqenëse nxehtësia e refuzuar ka një temperaturë të lartë prej 200 deri në 400 °C, ajo mund të përdoret në vend. Për këtë arsye, impiantet e vogla të sintezës së metanit bëhen veçanërisht fitimprurëse, pasi është e mundur të zgjidhet problemi i përdorimit të nxehtësisë së mbeturinave 100%, për shembull, për ngrohjen e amvisërive private, fermat, përdorimin në komplekset e tharjes etj. Mund të mos përdoret vetëm nxehtësia e mbetur nga gazifikimi dhe metanizimi, por edhe nxehtësia e kondensimit të avullit të ujit në gazin e parafinuar, i cili përmban deri në 50% avuj uji. Efikasiteti i përgjithshëm me një përdorim kaq të plotë të nxehtësisë dhe shitjet e SNG-së që rezulton në rrjetin e gazit dhe objektet e depozitimit të gazit është afër 95%. Periudha e shlyerjes për projekte të tilla është vetëm disa vjet.
Për shkak të faktit se gazi natyror mund të përdoret gjithmonë me efikasitet dukshëm më të lartë se karburantet e ngurta të biomasës, është më e këshillueshme të përdoret metani i përftuar nga druri sesa të digjet drejtpërdrejt biokarburantet e ngurta. Arsyeja: kur përdoret gazi natyror për të prodhuar energji elektrike në një termocentral me turbina me gaz ose me avull, fitohet deri në 60% të energjisë elektrike, dhe kur digjet lëndë djegëse e ngurtë nga biomasa, është shumë e vështirë të zbatohen projekte me një prodhim të energjisë elektrike mbi 30%. . Gjithashtu, me prodhimin e decentralizuar të energjisë elektrike deri në 1 mW/h, termocentralet me gaz të kombinuar që përdorin gaz sintezë janë më efektive se termocentralet që përdorin një proces ciklik organik (ORC-proces) dhe djegin biokarburantet e ngurta.
Funksionimi i termocentraleve të tillë bazohet në një sekuencë ciklesh të procesit të qarkullimit termodinamik (ORC - cikli organik i rankinës) të një lëngu pune me peshë të lartë molekulare (vaj termik, substanca organike avulluese). Pompa e qarkullimit pompon lëngun e punës në shkëmbyesin e nxehtësisë së ftohësit organik me temperaturë të lartë, ku ai avullon. Avulli i lëngshëm drejton turbinën, pas së cilës ajo hyn në shkëmbyesin tjetër të nxehtësisë, ku ftohet nga uji ose ajri dhe kondensohet. Kondensata hyn në kolektorin e pompës së qarkullimit dhe cikli termodinamik (ORC) përsëritet. As ftohësi dhe as ftohësi nuk janë në kontakt të drejtpërdrejtë me turbinën ose lëngun e punës. Nëpërmjet procesit ORC, termocentralet arrijnë fuqi të lartë, funksionim të besueshëm dhe kosto-efektivitet.
Edhe vetëm prodhimi i energjisë termike kur përdoret biometani është konkurrues me metodat konvencionale të gjenerimit të nxehtësisë. Nëse nxehtësia e mbetur nga procesi i metanimit të drurit përdoret në vend (i decentralizuar) dhe gazi i prodhuar hyn në një magazinim të gazit natyror, arrihet një shkallë e përgjithshme e shfrytëzimit prej 93%, e cila nuk arrihet, për shembull, nga termocentralet që përdorin copëza druri ose pelet (efikasiteti i vetë stacionit është më i ulët dhe gjithashtu ka humbje në rrjetet e ngrohjes).
Së bashku me gazin e përgatitur sintezë, i cili është i cilësisë natyrore, termocentralet e mëdha me djegie me gaz mund të përdorin edhe gaz sintezë "të papastruar" për djegie të përbashkët me gazin natyror, gjë që do të ulë ndjeshëm koston e energjisë së prodhuar.
Gaz biomasa apo gaz natyror fosil?
Gazi natyror sintetik (SNG) është një gaz sintetik i pastruar që ka karakteristika identike me gazin natyror.
Sipas përllogaritjeve të kompanisë Agnion, kostoja e prodhimit të SNG nga copat e drurit në impiantet deri në 1 MW është 8-10 euro cent/kWh.
Kostot e prodhimit të biometanit janë të krahasueshme me ato të nxjerrjes dhe transportimit të gazit natyror fosil. Megjithatë, një prodhim i tillë aktualisht nuk është konkurrues. Gjithçka do të varet nga çmimet botërore të naftës. Nëse çmimi i naftës bruto është, për shembull, 100 dollarë për fuçi, atëherë në Gjermani për klientët industrialë çmimi i gazit natyror është 5-6 euro cent/kWh. Për familjet private çmimi do të jetë më i lartë - 8-10 euro cent/kWh. Me një çmim të naftës prej më shumë se 200 dollarë për fuçi të parashikuar në mënyrë të përsëritur, gazi natyror do t'u kushtonte edhe konsumatorëve industrialë vazhdimisht më shumë se 10 cent euro/kWh. Në këtë kusht, prodhimi i SNG nga biomasa mund të jetë ekonomikisht i qëndrueshëm edhe pa subvencione sipas ligjit për BRE. Dhe në Ukrainë, me çmimet aktuale, gazi i sintezës është dy herë më i lirë se gazi natyror. Ata po zhvillojnë projektin e tyre për prodhimin e gazit sintetik duke gazifikuar një përzierje tallash, kashte, torfe dhe qymyri. Përbërja e tij: deri në 25-30% metan, 30-35% monoksid karboni dhe 6% e mbetur azot dhe dioksid karboni.
Aktualisht, nevojat e botës për energji arrijnë në afërsisht 11-12 miliardë ton ekuivalent karburanti (ce) dhe plotësohen nga 58-60% e naftës dhe gazit. Burimet energjetike të biomasës bimore të rinovueshme çdo vit janë 25 herë më të mëdha se vëllimi i naftës së prodhuar. Aktualisht, biomasa e djegur e bimëve përbën afërsisht 10% të burimeve energjetike të konsumuara (rreth 1 miliard ton ekuivalent karburanti), në të ardhmen pritet një zgjerim i konsiderueshëm i përdorimit të biomasës në formën e produkteve të përpunimit të saj (karburant i lëngshëm, i ngurtë etj.) dhe, para së gjithash, mbetjet që grumbullohen dhe dekompozohen, duke ndotur mjedisin.
Kërkesa për naftë dhe gaz natyror do të rritet dhe në të njëjtën kohë do të përmirësohen metodat e përdorimit të energjisë të biomasës bimore (përveç djegies së saj direkte). Sigurisht, në këtë të ardhme të mrekullueshme për bioenergjinë, teknologjitë e përshkruara më sipër do të jenë të kërkuara në një nivel krejtësisht të ndryshëm, industrial. Në çdo rast, dua të besoj kështu.
Sergej PEREDERI,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Dusseldorf, Gjermani
Kimistët kanë zhvilluar një fotokatalizator të bazuar në oksid bakri dhe oksid zinku që lejon shndërrimin e dioksidit të karbonit në metan kur ekspozohet ndaj dritës së diellit dhe përdorimi i një katalizatori të tillë shmang plotësisht formimin e nënprodukteve. Studimi u publikua në Nature Communications.
Rritja e dioksidit të karbonit në atmosferë quhet një nga shkaqet e mundshme të ngrohjes globale. Për të ulur disi nivelin e dioksidit të karbonit, shkencëtarët propozojnë përdorimin e tij si një burim kimik gjatë shndërrimit në substanca të tjera që përmbajnë karbon. Për shembull, kohët e fundit ka pasur një reduktim të dioksidit të karbonit atmosferik në metanol. Janë bërë shumë përpjekje për të zhvilluar metoda efektive për shndërrimin e dioksidit të karbonit në lëndë djegëse hidrokarbure. Në mënyrë tipike, për këtë përdoren katalizatorë të bazuar në oksid titani (IV), por përdorimi i tyre çon në prodhimin e një numri të madh nënproduktesh, në veçanti hidrogjenit.
Në punën e tyre të re, kimistët nga Koreja kanë propozuar një konfigurim të ri të një fotokatalizatori të përbërë nga oksidi i zinkut dhe oksidi i bakrit (I), i cili lejon reduktimin e dioksidit të karbonit atmosferik në metan me efikasitet të lartë. Për të marrë katalizatorin, kimistët përdorën një sintezë me dy faza nga acetilacetonatet e bakrit dhe zinkut. Si rezultat, ishte e mundur të përftoheshin nanogrimca sferike të oksidit të zinkut të veshura me nanokristale të vogla kubike të oksidit të bakrit (I).
Skema për sintezën e nanogrimcave të katalizatorit
K.-L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Doli se nanogrimca të tilla janë fotokatalizatorë për shndërrimin e dioksidit të karbonit në metan. Reagimi zhvillohet në temperaturën e dhomës kur rrezatohet me dritë në rajonet e dukshme dhe ultravjollcë në një mjedis ujor. Kjo do të thotë, përfshin dioksid karboni, të tretur më parë në ujë. Aktiviteti i katalizatorit ishte 1080 mikromol në orë për 1 gram katalizator. Përqendrimi i metanit në përzierjen e gazrave që rezulton tejkaloi 99 përqind. Arsyeja për një efikasitet kaq të lartë të katalizatorit është raporti i energjive të hendekut të brezit në oksidet e bakrit dhe zinkut, gjë që çon në një transferim më efikas të ngarkesës midis përbërësve.
Ndryshimi i përqendrimit të substancave gjatë shndërrimit të dioksidit të karbonit në metan duke përdorur katalizatorin e propozuar
K.-L. Bae et al./Nature Communications, 2017
Përveç kësaj, shkencëtarët krahasuan vetitë e katalizatorit të propozuar me katalizatorin më efikas që ishte përdorur për konvertimin e dioksidit të karbonit më parë. Doli se një katalizator me të njëjtën masë në të njëjtën kohë lejon që dikush të prodhojë afërsisht 15 herë më pak metan se një i ri. Për më tepër, përmbajtja e hidrogjenit në përzierjen që rezulton është afërsisht 4 herë më e lartë se përmbajtja e metanit.
Sipas shkencëtarëve, katalizatori që ata propozuan jo vetëm që mund të përdoret për shndërrimin efikas të dioksidit të karbonit në metan, por është gjithashtu një burim informacioni për mekanizmat e reaksioneve të tilla me pjesëmarrjen e fotokatalizuesve.
Metoda të tjera përdoren gjithashtu për të zvogëluar sasinë e dioksidit të karbonit në atmosferë. Për shembull, kohët e fundit në një nga termocentralet në Islandë kishte një modul që kap dioksidin e karbonit atmosferik.
Aleksandër Dubov
Publikuar: 31.12.2016 11:32Prodhimi i metanit nga dioksidi i karbonit është një proces që kërkon kushte laboratorike. Kështu, në vitin 2009, në Universitetin e Pensilvanisë (SHBA), metani u prodhua nga uji dhe dioksidi i karbonit duke përdorur nanotuba të përbërë nga TiO 2 (dioksid titani) dhe që përmbante një përzierje azoti. Për të marrë metanin, studiuesit vendosën ujë (në gjendje avulli) dhe dioksid karboni brenda kontejnerëve metalikë të mbyllur me një kapak me nanotuba në brendësi.
Procesi i prodhimit të metanit është si vijon: nën ndikimin e dritës së Diellit, grimcat që mbajnë një ngarkesë elektrike u shfaqën brenda tubave. Grimca të tilla ndanë molekulat e ujit në jone hidrogjeni (H, të cilat më pas kombinohen në molekulat e hidrogjenit H2) dhe radikalet hidroksil (grimcat -OH). Më tej, në procesin e prodhimit të metanit, dioksidi i karbonit u nda në monoksid karboni (CO) dhe oksigjen (O2). Së fundi, monoksidi i karbonit reagon me hidrogjenin, duke rezultuar në ujë dhe metan.
Reagimi i kundërt - prodhimi i dioksidit të karbonit ndodh si rezultat i deformimit me avull të metanit - në një temperaturë prej 700-1100 ° C dhe një presion prej 0,3-2,5 MPa.
Me kalimin e kohës, teknologjitë e gjelbra po bëhen gjithnjë e më të njohura. Në fillim të kësaj jave, LanzaTech njoftoi prodhimin e rreth 15 mijë litra karburant për aviacionin. Bota prodhon shumë më tepër karburant çdo ditë, por kjo është e veçantë, është marrë nga emetimet e gazta të fabrikave industriale kineze. Karburanti u transferua në Virgin Atlantic, kompania e Richard Branson dhe avioni që u mbush me këtë karburant tashmë ka bërë një fluturim të suksesshëm.
Këtë javë, kompania zvicerane Climeworks, e cila riciklon dioksidin e karbonit atmosferik, njoftoi krijimin e një uzine në Itali që do të konsumojë CO2 nga atmosfera dhe do të prodhojë hidrogjen. Ky i fundit do të përdoret në ciklin e prodhimit të metanit.
Fabrika është ndërtuar tashmë, ajo u krijua në korrik, nisja e saj (deri më tani në modalitetin e testimit) u bë javën e kaluar. Është e qartë se një sipërmarrje e këtij lloji nuk është e lirë dhe nuk do të ishte e lehtë për një startup të gjente fonde për të zbatuar një projekt të tillë. Bashkimi Evropian gjeti para dhe financoi projektin.
Kjo është fabrika e tretë e kompanisë që përpunon dioksid karboni. Ndërmarrja e parë nuk ishte shumë e madhe, përkundrazi, kishte të bënte me krijimin e një instalimi të vogël që kap CO2 nga atmosfera dhe e lëshon atë në serra, ku bimët u zhvilluan më shpejt si rezultat i rritjes së përqendrimit të dioksidit të karbonit. Fabrika e dytë u ndërtua në Islandë, ku konverton CO2 nga një gjendje e gaztë në një të lidhur. Gazi fjalë për fjalë "injektohet" në litosferën e rajoneve vullkanike aktive (e gjithë Islanda, në fakt, është një rajon i tillë), ku lidhet kimikisht me bazalt.
Opsioni i dytë për shfrytëzimin e dioksidit të karbonit është mjaft i vështirë për t'u zbatuar teknikisht, ndaj zbatimi i projektit ishte disi problematik. Megjithatë, menaxhmenti i kompanisë deklaroi se instalimet kishin funksionuar vazhdimisht pa dështime "asnjë ndërprerje e vetme" për një periudhë mjaft të gjatë kohore. Vlen të theksohet se dizajni i impiantit të dytë është modular, ai mund të zgjerohet, duke rritur kështu produktivitetin e impiantit.
Sa i përket opsionit të tretë të një ndërmarrje industriale, ajo nuk do të funksionojë gjatë gjithë kohës, por vetëm 8 orë në ditë. Qëllimi i tij është të demonstrojë mundësinë e prodhimit të karburantit "nga ajri i hollë". Është e qartë se kur karburanti digjet, ai do të lëshojë produkte të reagimit, duke përfshirë dioksidin e karbonit. Por uzina do të kapë CO2 përsëri dhe përsëri, duke krijuar kështu një "cikël të dioksidit të karbonit të krijuar nga njeriu". Nëse prodhimi rritet, konsumi i C02 dhe prodhimi i karburantit për avionët do të rriten gjithashtu në vëllim.
Deri më tani, instalimi i uzinës përfshin tre kolektorë ajri, për të cilët drejtuesit e projektit thonë se janë shumë efikasë në energji—më shumë se versionet e mëparshme. Fabrika, në nivelin aktual të funksionimit, mund të mbledhë rreth 150 ton dioksid karboni në vit. Instalimi i uzinës lejon prodhimin e afërsisht 240 metra kub hidrogjen në orë duke përdorur energjinë e gjeneruar nga panelet diellore.
Karburanti i aviacionit i prodhuar nga dioksidi i karbonit
Më pas, hidrogjeni kombinohet me CO2 (ai është gjithashtu i izoluar nga ajri atmosferik) duke përdorur katalizatorë. Reaktori që kryen këtë operacion është zhvilluar nga kompania franceze Atmostat. Metani pastrohet dhe përdoret për nevoja industriale. Më pas shndërrohet në lëng nën presion dhe përdoret për qëllime industriale.
Edhe pse impianti është tashmë funksional, ai nuk është ekonomikisht efikas. Fatkeqësisht, rruga drejt përfitimit është e gjatë. Siç u përmend më lart, prodhimi mund të "heqë" vetëm rreth 150 ton dioksid karboni në vit. Dhe vëllimi vjetor i emetimeve të kësaj substance në atmosferë është 30-40 gigaton, dhe kjo shifër po rritet çdo ditë.
Sido që të jetë, prodhimi është ende duke funksionuar, dhe investitorët janë të interesuar qartë për këtë teknologji - kompania kohët e fundit mbylli një tjetër raund, duke marrë rreth 30.8 milion dollarë.
Climeworks është një kompani që është e angazhuar në projekte të ngjashme, numri i startup-eve të tilla po rritet gradualisht, gjë që jep shpresë se përfundimisht kompanitë do të arrijnë vëllime shumë më të mëdha të konsumit të dioksidit të karbonit.
Në industri, metodat kryesore të prodhimit të dioksidit të karbonit CO2 janë prodhimi i tij si nënprodukt i reaksionit të shndërrimit të metanit CH4 në hidrogjen H2, reaksionet e djegies (oksidimit) të hidrokarbureve, reaksioni i zbërthimit të gurit gëlqeror CaCO3 në gëlqere CaO dhe ujë. H20.
CO2 si një nënprodukt i transformimit të avullit të CH4 dhe hidrokarbureve të tjera në hidrogjen H2
Hidrogjeni H2 kërkohet nga industria, kryesisht për përdorimin e tij në procesin e prodhimit të amoniakut NH3 (procesi Haber, reaksioni katalitik i hidrogjenit dhe azotit); Amoniaku është i nevojshëm për prodhimin e plehrave minerale dhe acidit nitrik. Hidrogjeni mund të prodhohet në mënyra të ndryshme, përfshirë elektrolizën e ujit, e cila është e dashur nga ekologët - megjithatë, për fat të keq, në këtë kohë, të gjitha metodat e prodhimit të hidrogjenit, përveç reformimit të hidrokarbureve, janë absolutisht të pajustifikuara ekonomikisht në shkallën e shkallës së gjerë. prodhimi - përveç nëse ka një tepricë të materialeve "falas" në prodhim. Prandaj, metoda kryesore e prodhimit të hidrogjenit, gjatë së cilës lirohet edhe dioksidi i karbonit, është reformimi me avull i metanit: në një temperaturë prej rreth 700...1100°C dhe një presion prej 3...25 bar, në prani të një katalizator, avulli i ujit H2O reagon me metanin CH4 me lëshimin e gazit të sintezës (procesi është endotermik, domethënë ndodh me thithjen e nxehtësisë):
CH4 + H2O (+ nxehtësi) → CO + 3H2
Propani mund të reformohet me avull në një mënyrë të ngjashme:
С3H8 + 3H2O (+ nxehtësi) → 2CO + 7H2
Dhe gjithashtu etanol (alkool etilik):
C2H5OH + H2O (+ nxehtësi) → 2CO + 4H2
Edhe benzina mund të reformohet me avull. Benzina përmban më shumë se 100 komponime të ndryshme kimike, reagimet e reformimit të avullit të izooktanit dhe toluenit janë paraqitur më poshtë:
C8H18 + 8H2O (+ nxehtësi) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ nxehtësi) → 7CO + 11H2
Pra, në procesin e reformimit me avull të një ose një tjetër karburanti hidrokarbur, përftohen hidrogjen dhe monoksid karboni CO (monoksid karboni). Në hapin tjetër të procesit të prodhimit të hidrogjenit, monoksidi i karbonit, në prani të një katalizatori, i nënshtrohet reaksionit të lëvizjes së një atomi oksigjeni O nga uji në gaz = CO oksidohet në CO2, dhe hidrogjeni H2 lirohet në formë të lirë. Reagimi është ekzotermik, duke lëshuar rreth 40.4 kJ/mol nxehtësi:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ nxehtësi)
Në mjediset industriale, dioksidi i karbonit CO2 i çliruar gjatë reformimit me avull të hidrokarbureve mund të izolohet dhe mblidhet lehtësisht. Sidoqoftë, CO2 në këtë rast është një nënprodukt i padëshirueshëm, thjesht duke e lëshuar atë lirisht në atmosferë, megjithëse tani mënyra mbizotëruese për të hequr qafe CO2, është e padëshirueshme nga pikëpamja mjedisore, dhe disa ndërmarrje praktikojnë metoda më "të avancuara". , të tilla si, për shembull, pompimi i CO2 në fushat e naftës në rënie ose i injektuar në oqean.
Prodhimi i CO2 nga djegia e plotë e lëndëve djegëse hidrokarbure
Kur digjen, pra oksidohen me një sasi të mjaftueshme oksigjeni, formohen hidrokarbure si metani, propani, benzina, vajguri, karburanti dizel etj., dioksidi i karbonit dhe zakonisht uji. Për shembull, reagimi i djegies së metanit CH4 duket si ky:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
CO2 si nënprodukt i prodhimit të H2 nga oksidimi i pjesshëm i karburantit
Rreth 95% e hidrogjenit të prodhuar industrialisht në botë prodhohet me metodën e përshkruar më sipër të reformimit me avull të karburanteve hidrokarbure, kryesisht metani CH4 që përmbahet në gazin natyror. Përveç reformimit me avull, hidrogjeni mund të prodhohet nga karburanti hidrokarbur me efikasitet mjaft të lartë me metodën e oksidimit të pjesshëm, kur metani dhe hidrokarburet e tjera reagojnë me një sasi oksigjeni të pamjaftueshme për djegien e plotë të karburantit (mos harroni se në procesin e plotë djegia e karburantit, e përshkruar shkurtimisht më lart, përftohet dioksidi i karbonit gazi CO2 dhe uji H20). Kur furnizohet një sasi më e vogël se stekiometrike e oksigjenit, produktet e reaksionit janë kryesisht hidrogjeni H2 dhe monoksidi i karbonit, i njohur gjithashtu si monoksidi i karbonit CO; dioksidi i karbonit CO2 dhe disa substanca të tjera prodhohen në sasi të vogla. Meqenëse zakonisht, në praktikë, ky proces kryhet jo me oksigjen të pastruar, por me ajër, ka azot si në hyrje ashtu edhe në dalje të procesit, i cili nuk merr pjesë në reagim.
Oksidimi i pjesshëm është një proces ekzotermik, që do të thotë se reaksioni prodhon nxehtësi. Oksidimi i pjesshëm zakonisht vazhdon shumë më shpejt se reformimi me avull dhe kërkon një vëllim më të vogël të reaktorit. Siç mund të shihet nga reaksionet e mëposhtme, oksidimi i pjesshëm fillimisht prodhon më pak hidrogjen për njësi karburanti sesa prodhohet nga procesi i reformimit me avull.
Reagimi i oksidimit të pjesshëm të metanit CH4:
CH 4 + ½O 2 → CO + H 2 (+ nxehtësi)
Propan C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ nxehtësi)
Alkool etilik C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ nxehtësi)
Oksidimi i pjesshëm i benzinës duke përdorur shembullin e izooktanit dhe toluenit, nga më shumë se njëqind komponime kimike të pranishme në benzinë:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ nxehtësi)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ nxehtësi)
Për të kthyer CO në dioksid karboni dhe për të prodhuar hidrogjen shtesë, përdoret reaksioni i zhvendosjes së oksigjenit ujë→ gaz, i përmendur tashmë në përshkrimin e procesit të reformimit të avullit:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ sasi e vogël nxehtësie)
CO2 nga fermentimi i sheqerit
Në prodhimin e pijeve alkoolike dhe produkteve të pjekura nga brumi i majave përdoret procesi i fermentimit të sheqernave - glukozë, fruktozë, saharozë, etj., me formimin e alkoolit etilik C2H5OH dhe dioksidit të karbonit CO2. Për shembull, reaksioni i fermentimit të glukozës C6H12O6 është:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2CO 2
Dhe fermentimi i fruktozës C12H22O11 duket kështu:
C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Pajisjet për prodhimin e CO2 të prodhuara nga Wittemann
Në prodhimin e pijeve alkoolike, alkooli që rezulton është një produkt i dëshirueshëm dhe madje, mund të thuhet, i domosdoshëm i reaksionit të fermentimit. Dioksidi i karbonit ndonjëherë lëshohet në atmosferë, dhe ndonjëherë lihet në pije për ta karbonizuar atë. Në pjekjen e bukës ndodh e kundërta: CO2 nevojitet për të formuar flluska që shkaktojnë ngritje të brumit dhe alkooli etilik avullon pothuajse plotësisht gjatë pjekjes.
Shumë ndërmarrje, kryesisht distileri, për të cilat CO 2 është një nënprodukt krejtësisht i panevojshëm, kanë krijuar grumbullimin dhe shitjen e tij. Gazi nga rezervuarët e fermentimit furnizohet përmes kurtheve të alkoolit në dyqanin e dioksidit të karbonit, ku CO2 pastrohet, lëngohet dhe ambalazhohet. Në fakt, janë distileri ato që janë furnizuesit kryesorë të dioksidit të karbonit në shumë rajone - dhe për shumë prej tyre, shitja e dioksidit të karbonit nuk është aspak burimi i fundit i të ardhurave.
Ekziston një industri e tërë në prodhimin e pajisjeve për ndarjen e dioksidit të karbonit të pastër në fabrikat e birrës dhe të alkoolit (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann, etj.), si dhe prodhimin e tij të drejtpërdrejtë nga karburantet hidrokarbure. Furnizuesit e gazit si Air Products dhe Air Liquide instalojnë gjithashtu stacione për të ndarë CO2 dhe më pas për ta pastruar dhe lëngëzuar përpara se ta mbushin në cilindra.
CO2 në prodhimin e gëlqeres së gjallë CaO nga CaCO3
Procesi për prodhimin e gëlqeres së gjallë të përdorur gjerësisht, CaO, gjithashtu ka dioksid karboni si nënprodukt të reaksionit. Reagimi i dekompozimit të gurit gëlqeror CaCO3 është endotermik, kërkon një temperaturë prej rreth +850°C dhe duket kështu:
CaCO3 → CaO + CO2
Nëse guri gëlqeror (ose një karbonat tjetër metalik) reagon me një acid, dioksidi i karbonit H2CO3 lirohet si një nga produktet e reaksionit. Për shembull, acidi klorhidrik HCl reagon me gurin gëlqeror (karbonat kalciumi) CaCO3 si më poshtë:
2HCl + CaCO 3 → CaCl 2 + H 2 CO 3
Acidi karbonik është shumë i paqëndrueshëm dhe në kushte atmosferike dekompozohet shpejt në CO2 dhe ujë H2O.
