Bugüne kadar, ahşaptan metan üretimine yönelik devreye alınan tesislerin dünyasında tamamlanmış yalnızca birkaç proje var. İlk sonuçlar bu yönde ciddi bir atılım yapılmasını umut etmemizi sağlıyor.
“Biyokütleden metan” makalesinin formülleri için bkz.
Metan CH4, havanın neredeyse iki katı kadar hafif, renksiz ve kokusuz bir gazdır. Doğada bitki ve hayvan organizmalarının kalıntılarının hava erişimi olmadan ayrışması sonucu oluşur. Bu nedenle örneğin sulak alanlarda ve kömür madenlerinde bulunur. Günümüzde günlük yaşamda ve endüstride yakıt olarak yaygın şekilde kullanılan doğal gazda önemli miktarlarda metan bulunmaktadır.
Günümüzde yenilenebilir kaynaklardan enerji üretimi alanında en hızlı gelişen teknolojilerden biri, anaerobik fermantasyon yoluyla biyometanın üretilmesi ve ardından doğal gazın tüketicilere ulaştırıldığı şebekelere sağlanmasıdır. Bu teknolojiyi kullanarak biyometan üretmenin yüksek maliyetlerine rağmen (1 kWh başına 8-10 euro sent), üretim tesislerinin sayısı sürekli artıyor. 2009 yılında, Almanya'da mevcut doğal gaz boru hatlarına gaz besleyen 23 klasik (gübre yakıtlı) biyogaz tesisi halihazırda faaliyetteydi ve diğer 36 tanesi de inşaat veya planlama aşamasındadır. Bu göstergenin büyümesinin nedeni, Almanya'da 2004 yılında kabul edilen, 2009 yılında değiştirilen ve gaz satıcılarının müşterilerine yenilenebilir kaynaklardan elde edilen gazı sunmalarına ve elektrik üretimi için devlet sübvansiyonu almalarına olanak tanıyan Yenilenebilir Enerji Kanunu'dur (Erneuerbare Energien Gesetz - EEG). yenilenebilir enerji kaynaklarından (RES)
Dünyanın odundan SNG gazı üreten ilk tesisi
Avusturya'nın Güssing şehri. Ön planda bir metan üretim ünitesi var
Klasik ve şimdi yaygın olarak kullanılan şemaya göre biyometan, bitki substratlarından (örneğin mısır), domuz kompleksleri bulamacından, sığır gübresinden, tavuk gübresinden vb. elde edilir. Biyokütleden bu tür metan, anaerobik ayrışma (fermantasyon) yoluyla elde edilebilir. ). Anaerobik sindirimde organik madde (doğal atık) oksijen yokluğunda ayrışır. Bu süreç iki farklı bakteri grubunun dahil olduğu üç aşamada gerçekleşir. İlk aşamada karmaşık organik bileşikler (yağ asitleri, proteinler, karbonhidratlar) enzimatik hidroliz sonucu daha basit bileşiklere dönüştürülür. İkinci aşamada, basit bileşikler bir grup anaerobik (veya asit oluşturan) bakteriye maruz bırakılır ve bunun sonucunda esas olarak uçucu yağ asitleri oluşur. Üçüncü aşamada organik asitler, kesinlikle anaerobik (veya metan oluşturan) bakterilerin etkisiyle karbondioksit ve metana dönüştürülür. Bu aşamadan sonra kalorifik değeri 5340-6230 kcal/m3 olan metanla zenginleştirilmiş gaz (biyogaz) elde edilir.
Odun gibi katı biyokütleden elde edilen "Ersatzgaz", gübre ve çöpten elde edilen biyogaza göre önemli bir avantaja sahiptir: bu tür gazın üretiminde yer alan kişilerin elinde, kereste fabrikası, tomrukçuluk ve ağaç işlemeden kaynaklanan etkileyici miktarlarda atık bulunmaktadır. Ayrıca Avrupa pazarında kereste fabrikası ve ağaç işleme atıklarının fiyatları, biyogaz üretiminde kullanılan tarım ürünlerinin fiyatlarına kıyasla çok daha az dalgalanıyor. Tarım ürünlerinin (tahıl, mısır, kolza tohumu vb.) biyogaz üretmek amacıyla kullanılmasının sonuçta gıda piyasalarında fiyatların yükselmesine yol açtığını unutmamalıyız. Ayrıca kimyasal reaksiyondan kaynaklanan atık ısı, klasik biyogaz tesislerinde fermantasyon reaksiyonlarından kaynaklanan atık ısının sıcaklığına göre daha yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Odun metanizasyon işlemleri sırasında açığa çıkan termal enerjinin bölgesel ısı temininde daha verimli kullanılabileceği anlaşılmaktadır. Ayrıca, klasik biyogaz tesislerinden farklı olarak, odundan metan üretimine yönelik tesislerin işletilmesinde hoş olmayan kokuların oluşmaması da önemlidir. Ayrıca bu tesisler klasik olanlara göre çok daha az yer kaplıyor ve kentsel yığılmaların içinde yer alabiliyor.
Teknolojiler
Günümüzde tarımsal substratlardan fermantasyon (anaerobik fermantasyon) yoluyla yaygın şekilde biyometan üretiminin sonucu, esas olarak metan ve karbondioksitten oluşan biyometandır. Daha sonra biyometanın, CO2'yi ayırarak doğal gaz kalitesine göre özel bir hazırlık ve arıtma işleminden geçmesi gerekir. Fermantasyon sırasındaki ısı kaybı, tüm proses zincirinin verimliliğini sınırlar. Verimlilik %50-60'tır.
Kömür veya biyokütle (odun) gibi karbon içeren katı yakıtlardan sentetik doğal gaz (İkame Doğal Gaz - SNG) üretiminde, prosesin ilk aşamasında termal gazlaştırma sonrasında sentetik gaz olarak adlandırılan gaz elde edilir. her türlü yabancı maddeden (çoğunlukla karbondioksit ve kükürt ve klor bileşiklerinden) arındırıldıktan sonra metan sentezlenir. Bu ekzotermik süreç, uygun bir katalizör varlığında 300 ila 450 °C arasındaki sıcaklıklarda ve 1−5 bar basınçta meydana gelir. Bu durumda aşağıdaki reaksiyonlar meydana gelir:
Formüllere bakın
Anaerobik fermantasyonun aksine, termal biyokütle gazlaştırma daha yüksek verimlilik sağlar çünkü SNG üretiminden kaynaklanan atık ısı her zaman sahada kullanılabilir.
Prensip olarak, sentez gazından ve ayrıca hidrojen (H2) ve karbon monoksit (CO) gaz karışımlarından metan üretmek çok eski bir teknolojidir. Fransız kimyager Paul Sabatier metan üretmek için kendi adını taşıyan bir yöntem icat etti: Sabatier reaksiyonu veya Sabatier süreci (Fransızca: Sabatier--Reaktion). Bunun için 1912'de Nobel Kimya Ödülü'nü aldı. Bu işlem, metan üretmek için hidrojenin karbon dioksit ile yüksek sıcaklık ve basınçta bir nikel katalizörü varlığında reaksiyonunu içerir. Alüminyum oksitli rutenyum daha etkili bir katalizör olarak kullanılabilir.
İşlem aşağıdaki kimyasal reaksiyonla açıklanmaktadır:
C02 + 4H2 → CH4 + 2H20.
Her iki reaksiyon da oldukça ekzotermik olduğundan, reaktörleri soğutmak veya yeniden sirküle etmek için özel önlemler alınmadığında, katalizör 600 °C'ye ısıtıldığında bozunacaktır. Ek olarak, yüksek sıcaklıklarda H2 ve CO'nun termodinamik dengesi değişir, böylece yeterince yüksek bir metan verimi yalnızca 300 °C'nin altındaki sıcaklıklarda elde edilebilir.
Gazlaştırma teknolojisi, 1800'lü yıllarda şehirlerin aydınlatılması için gerekli olan sentetik gazı üretmek için yaratılmış ve aynı zamanda evsel ve endüstriyel amaçlarla (metalurji, buhar motorları vb.) soğutucu olarak da kullanılmıştır. Hem kömür hem de bitki biyokütlesi ve bunun işlenmiş ürünleri (odun kömürü) gazlaştırmaya tabi tutuldu.
Sentetik kimyasallar ve yakıtlar üretmek için temel kömür gazlaştırma işleminin kullanılması, 1920'lerde Mülheim an der Ruhr'daki (Almanya) kömür araştırmaları için Kaiser Wilhelm Enstitüsü'nde başladı. Bu enstitüde Franz Fischer ve Hans Tropsch, Almanya'da kömürden sıvı yakıt üretimi için sentez gazı (sentez gazı) üretmeye yönelik bir yöntem icat etti. Fischer-Tropsch süreci veya Fischer-Tropsch sentezi (FTS), bir karbon monoksit (CO) ve hidrojen (H2) karışımının bulunduğu bir katalizörün (demir, kobalt) varlığında meydana gelen kimyasal bir reaksiyondur. yani sentez gazı çeşitli sıvı hidrokarbonlara dönüştürülür. Ortaya çıkan hidrokarbonlar, hedef ürün olan sentetik yağı elde etmek için saflaştırılır. Kömür ve/veya odun yakıtının kısmi oksidasyonu sırasında karbondioksit ve karbon monoksit oluşur.
Fischer-Tropsch süreci aşağıdaki kimyasal denklemle tanımlanır:
CO + 2H 2 → --CH 2 -- + H 2 O
2CO + H2 → --CH2 -- + C02.
Kömürün veya katı karbon içeren atıkların gazlaştırılmasından sonra elde edilen sentez gazı, Fischer-Tropsch prosesi yoluyla başka bir dönüşüme gerek kalmadan doğrudan yakıt olarak kullanılabilir. Böylece gazdan sıvı yakıta geçiş oldukça kolaydır. Almanya'daki II. Dünya Savaşı sırasında, Fischer-Tropsch sentezi sekiz tesiste sentetik dizel yakıt üretmek için kullanıldı (yılda yaklaşık 600 bin ton). Proje tamamen devlet tarafından finanse edildi. Almanya'da İkinci Dünya Savaşı'nın sona ermesinden sonra tüm bu fabrikalar kapatıldı ve kısmen teknolojiyle birlikte tazminat olarak Amerika Birleşik Devletleri'ne ihraç edildi ve oradan tüm dünyaya dağıtıldı. Aynı zamanda Güney Afrika Cumhuriyeti'nde South African Synthetic Oil Ltd. (SASOL), Alman teknolojisini kullanarak sentetik yakıt üretimine başladı ve bugüne kadar Güney Afrika'daki dört ve Katar'daki bir fabrikasında yılda 200 bin varilden fazla petrol eşdeğeri sıvı hidrokarbon üretiyor. Güney Afrika uzun süredir dünyada CFT sürecinin geliştirildiği tek ülkeydi. Ancak 1973 krizinden sonra birçok ülkedeki (özellikle ABD ve Almanya) küresel petrol ve enerji şirketleri hem sentetik sıvı yakıt üretimine hem de doğal sentez gazı üretimine ilgi göstermeye başladı.
Doğal sentez gazı üretimine yönelik çok sayıda proje geliştirildi ancak bunlardan yalnızca biri endüstriyel ölçekte başarıyla uygulandı. 1984 yılında Great Plains Synfuels Plant (Dakotagas Company), Amerika Birleşik Devletleri'nde bugüne kadar doğal gaz şebekesine beslenen sentetik doğal gaz üreten linyit metanasyon tesisini faaliyete geçirdi. Tesisin günlük kapasitesi 3,9 milyon m3 SNG'dir.
Aynı zamanda, 1920'lerin sonlarından 1950'lere kadar, gazlı motor yakıtı üretmek için odun (yakacak odun ve odun kömürü) ve turba kullanarak gaz üreten tesislerin çalıştırıldığı Sovyetler Birliği deneyimini hatırlamak da yerinde olacaktır. 1929'da SSCB'de turba üzerinde çalışan ilk büyük gaz üretim istasyonu inşa edildi ve sonraki yıllarda büyük işletmelerde bir dizi başka benzer istasyon inşa edildi. Odun gazı üretimi çoğunlukla ulaşım yakıtı olarak kullanıldı. Batı Sibirya'nın gelişmesi başladıktan ve dünyanın en büyük mavi yakıt yataklarının keşfedilmesinden sonra, SSCB'de gaz üretimi ne yazık ki haksız yere unutuldu.
Tahtadan metan üretimi
Gazlaştırmada, CH n O m kimyasal formülüne sahip biyokütle, öncelikle hidrojen ve karbon monoksitten oluşan sentez gazına dönüştürülür. Toplam formülle biyokütle metanasyon reaksiyonu için stokiyometrik genel denklemden
CH 1,23 O 0,38 + 0,5025 H2O → 0,55875 CH4 +0,44125 C2O
metan reaktörüne su veya su buharının sağlanması ve karbondioksitin buradan uzaklaştırılması gerektiği sonucu çıkar. Burada birkaç seçenek vardır: ya CO2, endüstriyel sentezde olduğu gibi, sentez gazından doğrudan metan reaktöründen çıkarılır veya biyogazın hazırlanmasında (fermantasyon) olduğu gibi, metanasyon işleminden sonra zaten rafine edilmemiş sentetik doğal gazdan çıkarılır. . İlk yöntemin diğerlerine göre avantajı, halihazırda saflaştırılmış gazın metanasyon döngüsüne girmesidir. İkinci yöntemin avantajları ise metan reaktörünün fazla su buharı ile çalışabilmesi, bu da karbon oluşumunu önemli ölçüde azaltıyor.
Bu alanlardaki çalışmalar, özellikle AB BioSNG çerçevesinde yeni teknolojiler (katalitik olarak aktif girdap katmanlarında) kullanarak biyokütleden metan üretmeye yönelik Programın yazımında yer alan Paul Scherrer Enstitüsü'nde (İsviçre) yürütülmektedir. proje. Bu teknoloji Avusturya'nın Gussing şehrinde bulunan termik santralde uygulamaya konuldu. 2009 yılında devreye alınan metan sentez tesisi 1 MW gücünde olup talaşla çalışmaktadır. İsveç'in Göteborg kentinde odundan metan üretmeye yönelik 30 MW'lık bir proje şu anda tartışılıyor. Benzer çalışmalar Almanya'da (Stuttgart, ZSW), Hollanda'da (Enerji Araştırma Merkezi, ECN) ve Graz Teknik Üniversitesi Isı Mühendisliği Enstitüsü'nde (Avusturya) Pfaffenhofen an der Ilm'deki Agnion şirketi ile işbirliği içinde yürütülmektedir. (Almanya).
Biyokütleden metan sentezinin verimliliği
Her sentez prosesinde olduğu gibi prosesin her aşamasında metan üretilirken kayıplar kaçınılmazdır. Ekzotermik reaksiyonlar meydana geldiğinde, enerji içeriği, bitmiş sentez ürününde sentez işlemi sırasında kimyasal olarak bağlı enerjiden daha fazla olamayacak olan ısı uzaklaştırılır. Metanlama için bu, kullanılan biyokütleden elde edilen enerjinin yalnızca yaklaşık %60'ının nihai üründe (SNG) tutulduğu anlamına gelir.
Ancak reddedilen ısı 200 ila 400 °C gibi yüksek bir sıcaklığa sahip olduğundan sahada kullanılabilir. Bu nedenle, küçük metan sentez tesisleri, örneğin özel evlerin, çiftliklerin ısıtılması, kurutma komplekslerinde kullanım vb. için atık ısının% 100 kullanılması sorununu çözmek mümkün olduğundan özellikle karlı hale gelir. yalnızca gazlaştırma ve metanizasyondan kaynaklanan atık ısı, aynı zamanda %50'ye kadar su buharı içeren rafine edilmemiş sentez gazındaki su buharının yoğunlaşma ısısı. Bu kadar tam ısı kullanımı ve elde edilen SNG'nin gaz şebekesine ve gaz depolama tesislerine satışıyla elde edilen genel verimlilik %95'e yakındır. Bu tür projelerin geri ödeme süresi yalnızca birkaç yıldır.
Doğal gazın her zaman katı biyokütle yakıtlarına göre önemli ölçüde daha yüksek verimlilikle kullanılabilmesi nedeniyle, katı biyoyakıtların doğrudan yakılması yerine odundan elde edilen metanın kullanılması daha tavsiye edilir. Sebep: Gaz veya buhar türbinli bir santralde elektrik üretmek için doğalgaz kullanıldığında elektriğin %60'a kadar elde edilmesi, biyokütleden katı yakıt yakıldığında ise %30'un üzerinde elektrik üretimi olan projelerin hayata geçirilmesinin çok zor olması. . Ayrıca, 1 mW/saat'e kadar merkezi olmayan elektrik üretimiyle, sentez gazı kullanan kojenerasyon gaz santralleri, organik döngüsel süreç (ORC süreci) kullanan ve katı biyoyakıt yakan termik santrallerden daha etkilidir.
Bu tür termik santrallerin çalışması, yüksek moleküler ağırlığa sahip bir çalışma sıvısının (termal yağ, organik buharlaşan maddeler) termodinamik sirkülasyon sürecinin (ORC - organikrankin döngüsü) bir dizi döngüsüne dayanmaktadır. Sirkülasyon pompası, çalışma sıvısını yüksek sıcaklıktaki organik soğutucu ısı eşanjörüne pompalar ve burada buharlaşır. Sıvı buhar türbini çalıştırır, ardından bir sonraki ısı eşanjörüne girer, burada su veya hava ile soğutulur ve yoğunlaşır. Yoğuşma suyu sirkülasyon pompası toplayıcısına girer ve termodinamik döngü (ORC) tekrarlanır. Ne soğutucu ne de soğutucu türbin veya çalışma sıvısı ile doğrudan temas halindedir. ORC prosesi sayesinde termik santraller yüksek güce, güvenilir işletmeye ve maliyet etkinliğine ulaşıyor.
Biyometan kullanıldığında tek başına termal enerji üretimi bile geleneksel ısı üretim yöntemleriyle rekabet edebilecek düzeydedir. Odun metanlama prosesinden kaynaklanan atık ısının sahada kullanılması (merkezden dağıtılmış) ve üretilen gazın bir doğal gaz depolama tesisine girmesi durumunda, örneğin termik santrallerde elde edilemeyen %93'lük bir genel kullanım oranı elde edilir. talaş veya pelet (istasyonun verimliliği daha düşüktür ve ayrıca ısıtma ağlarında kayıplar vardır).
Büyük gaz yakıtlı termik santraller, doğal kalitede hazırlanan sentez gazının yanı sıra, doğal gazla birlikte yakılmak üzere “saflaştırılmamış” sentez gazını da kullanabilir, bu da üretilen enerjinin maliyetini önemli ölçüde azaltacaktır.
Biyokütle gazı mı yoksa fosil doğalgaz mı?
Sentetik doğal gaz (SNG), doğal gazla aynı özelliklere sahip, saflaştırılmış bir sentetik gazdır.
Agnion firmasının hesaplamalarına göre 1 MW'a kadar olan tesislerde odun talaşından SNG üretmenin maliyeti 8-10 euro cent/kWh civarındadır.
Biyometan üretmenin maliyetleri, fosil doğal gazın çıkarılması ve taşınmasıyla karşılaştırılabilir. Ancak bu tür üretim şu anda rekabetçi değildir. Her şey dünya petrol fiyatlarına bağlı olacak. Örneğin ham petrolün fiyatı varil başına 100 dolar ise, Almanya'da endüstriyel müşteriler için doğal gazın fiyatı 5-6 euro cent/kWh'tir. Özel haneler için fiyat daha yüksek olacaktır - 8-10 euro cent/kWh. Petrol fiyatının varil başına 200 dolardan fazla olacağı defalarca tahmin edilirken, doğal gazın maliyeti endüstriyel müşterilere bile sürekli olarak 10 euro cent/kWh'den fazla olacaktı. Bu koşul altında biyokütleden SNG üretimi, YEK Kanunu kapsamındaki sübvansiyonlar olmasa bile ekonomik olarak sürdürülebilir olabilir. Ukrayna'da ise mevcut fiyatlarla sentez gazı doğal gazdan iki kat daha ucuz. Talaş, saman, turba ve kömür karışımını gazlaştırarak sentez gazı üretmek için kendi projelerini geliştiriyorlar. Bileşimi: %25-30'a kadar metan, %30-35 karbon monoksit ve geri kalan %6 nitrojen ve karbondioksit.
Şu anda dünyanın enerji ihtiyacı yaklaşık 11-12 milyar ton yakıt eşdeğeri (ce) civarında olup, %58-60'ı petrol ve gazdan karşılanmaktadır. Yıllık yenilenebilir bitki biyokütlesinin enerji kaynakları, üretilen petrol hacminin 25 katıdır. Şu anda, yanmış bitki biyokütlesi, tüketilen enerji kaynaklarının yaklaşık %10'unu oluşturmaktadır (yaklaşık 1 milyar ton yakıt eşdeğeri), gelecekte, işlenmesinden elde edilen ürünler (sıvı, katı yakıt) şeklinde biyokütle kullanımının önemli ölçüde artması beklenmektedir. , vb.) ve her şeyden önce biriken ve ayrışan, çevreyi kirleten atıklar.
Petrol ve doğal gaza olan talep artacak ve aynı zamanda bitki biyokütlesinin (doğrudan yakılmasına ek olarak) enerji kullanım yöntemleri de iyileştirilecek. Elbette biyoenerjinin bu harika geleceğinde yukarıda açıklanan teknolojiler tamamen farklı bir endüstriyel düzeyde talep görecektir. Her durumda, buna inanmak istiyorum.
Sergey PEREDERIY,
EKO Holz-und Pellethandel GmbH,
Düsseldorf, Almanya
Kimyacılar, güneş ışığına maruz kaldığında karbondioksitin metan haline dönüşmesini sağlayan, bakır oksit ve çinko oksit bazlı bir fotokatalizör geliştirdiler ve böyle bir katalizörün kullanılması, yan ürünlerin oluşumunu tamamen önler. Çalışma şu tarihte yayınlandı: Doğa İletişimi.
Atmosferdeki karbondioksit miktarının artması, küresel ısınmanın olası nedenlerinden biri olarak adlandırılıyor. Bilim adamları, karbondioksit seviyesini bir şekilde azaltmak için, karbon içeren diğer maddelere dönüşüm sırasında onu kimyasal bir kaynak olarak kullanmayı öneriyorlar. Örneğin son zamanlarda atmosferik karbondioksitin metanole indirgenmesi yaşandı. Karbondioksitin hidrokarbon yakıtlara dönüştürülmesine yönelik etkili yöntemler geliştirmek için birçok girişimde bulunulmuştur. Tipik olarak bunun için titanyum (IV) oksit bazlı katalizörler kullanılır, ancak bunların kullanımı çok sayıda yan ürünün, özellikle de hidrojenin üretilmesine yol açar.
Koreli kimyagerler yeni çalışmalarında, çinko oksit ve bakır (I) oksitten oluşan, atmosferik karbondioksitin yüksek verimlilikle metana indirgenmesine olanak tanıyan yeni bir fotokatalist konfigürasyonu önerdiler. Katalizörü elde etmek için kimyagerler bakır ve çinko asetilasetonatlardan iki aşamalı bir sentez kullandılar. Sonuç olarak küçük kübik bakır (I) oksit nanokristalleri ile kaplanmış küresel çinko oksit nanopartikülleri elde etmek mümkün oldu.
Katalizör nanopartiküllerinin sentezi için şema
K.-L. Bae ve diğerleri/Nature Communications, 2017
Bu tür nanopartiküllerin karbondioksitin metana dönüşümü için fotokatalizörler olduğu ortaya çıktı. Reaksiyon, sulu ortamda görünür ve ultraviyole bölgelerdeki ışıkla ışınlandığında oda sıcaklığında gerçekleşir. Yani daha önce suda çözünmüş olan karbondioksiti içerir. Katalizör aktivitesi, 1 gram katalizör başına saatte 1080 mikromol idi. Ortaya çıkan gaz karışımındaki metan konsantrasyonu yüzde 99'u aştı. Katalizörün bu kadar yüksek verimliliğinin nedeni, bakır ve çinko oksitlerdeki bant aralığı enerjilerinin oranıdır, bu da bileşenler arasında daha verimli yük aktarımına yol açar.
Önerilen katalizör kullanılarak karbondioksitin metana dönüştürülmesi sırasında madde konsantrasyonunun değiştirilmesi
K.-L. Bae ve diğerleri/Nature Communications, 2017
Ayrıca bilim insanları, önerilen katalizörün özelliklerini, daha önce karbondioksit dönüşümünde kullanılan en verimli katalizörle karşılaştırdı. Aynı kütledeki bir katalizörün aynı anda yenisine göre yaklaşık 15 kat daha az metan üretmesine olanak tanıdığı ortaya çıktı. Ayrıca elde edilen karışımdaki hidrojen içeriği metan içeriğinden yaklaşık 4 kat daha fazladır.
Bilim adamlarına göre, önerdikleri katalizör yalnızca karbondioksitin metana verimli bir şekilde dönüştürülmesi için kullanılamaz, aynı zamanda fotokatalizörlerin katılımıyla bu tür reaksiyonların mekanizmaları hakkında da bir bilgi kaynağıdır.
Atmosferdeki karbondioksit miktarını azaltmak için başka yöntemler de kullanılıyor. Örneğin yakın zamanda İzlanda'daki enerji santrallerinden birinde atmosferik karbondioksiti yakalayan bir modül ortaya çıktı.
Alexander Dubov
Yayınlanma: 31.12.2016 11:32Karbondioksitten metan üretmek laboratuvar koşulları gerektiren bir işlemdir. Böylece, 2009 yılında Pennsylvania Üniversitesi'nde (ABD) Ti02'den (titanyum dioksit) oluşan ve nitrojen karışımı içeren nanotüpler kullanılarak su ve karbondioksitten metan üretildi. Metan elde etmek için araştırmacılar, içi nanotüplerle kaplı bir kapakla kapatılmış metal kapların içine su (buhar halinde) ve karbondioksit yerleştirdiler.
Metan üretme süreci şu şekildedir: Güneş ışığının etkisi altında tüplerin içinde elektrik yükü taşıyan parçacıklar ortaya çıktı. Bu tür parçacıklar, su moleküllerini hidrojen iyonlarına (H, daha sonra hidrojen molekülleri H2'ye birleşen H) ve hidroksil radikallerine (-OH parçacıkları) ayırdı. Ayrıca metan üretme sürecinde karbondioksit, karbon monoksit (CO) ve oksijene (O2) bölündü. Son olarak karbon monoksit hidrojenle reaksiyona girerek su ve metanı oluşturur.
Ters reaksiyon - 700-1100 ° C sıcaklıkta ve 0,3-2,5 MPa basınçta metanın buhar deformasyonu sonucu karbondioksit üretimi meydana gelir.
Zamanla yeşil teknolojiler giderek daha popüler hale geliyor. LanzaTech bu hafta başında yaklaşık 15 bin litre havacılık yakıtı ürettiğini duyurdu. Dünya her gün çok daha fazla yakıt üretiyor ama bu özel bir durum; o, endüstriyel Çin fabrikalarının gaz emisyonlarından elde edildi. Yakıt, Richard Branson'un şirketi Virgin Atlantic'e devredildi ve bu yakıtla doldurulan uçak şimdiden başarılı bir uçuş gerçekleştirdi.
Bu hafta, atmosferik karbondioksiti geri dönüştüren İsviçreli şirket Climeworks, İtalya'da atmosferdeki CO2'yi tüketecek ve hidrojen üretecek bir tesisin kurulduğunu duyurdu. İkincisi metan üretim döngüsünde kullanılacak.
Tesis zaten inşa edildi, Temmuz ayında kuruldu, lansmanı (şimdiye kadar test modunda) geçen hafta gerçekleşti. Bu tür bir girişimin ucuz olmadığı ve bir startup'ın böyle bir projeyi hayata geçirecek fon bulmasının kolay olmayacağı açıktır. Avrupa Birliği para buldu ve projeyi finanse etti.
Bu, şirketin karbondioksit işleyen üçüncü tesisidir. İlk girişim çok büyük değildi; daha ziyade, atmosferden CO2'yi yakalayan ve artan karbondioksit konsantrasyonlarının bir sonucu olarak bitkilerin daha hızlı geliştiği seralara salan küçük bir tesis oluşturmakla ilgiliydi. İkinci tesis ise CO2'yi gaz halinden bağlı hale dönüştürdüğü İzlanda'da inşa edildi. Gaz, bazalt ile kimyasal olarak bağlandığı volkanik olarak aktif bölgelerin (aslında tüm İzlanda böyle bir bölgedir) litosferine kelimenin tam anlamıyla "enjekte edilir".
Karbondioksit kullanımına ilişkin ikinci seçeneğin uygulanması teknik olarak oldukça zordur, dolayısıyla projenin uygulanması biraz sorunlu olmuştur. Ancak şirket yönetimi, tesislerin kesintisiz olarak çalıştığını, oldukça uzun bir süre boyunca "tek bir kesinti bile" fark edilmediğini belirtti. İkinci tesisin tasarımının modüler olduğunu, genişletilebileceğini ve böylece tesisin verimliliğinin artırılabileceğini belirtmekte fayda var.
Bir sanayi kuruluşunun üçüncü seçeneğine gelince, günün her saati değil, günde sadece 8 saat çalışacak. Amacı, "havadan" yakıt üretme olasılığını göstermektir. Yakıt yandığında karbondioksit dahil reaksiyon ürünlerini açığa çıkaracağı açıktır. Ancak tesis CO2'yi tekrar tekrar yakalayacak ve böylece "insan yapımı bir karbondioksit döngüsü" yaratacak. Üretimin ölçeği büyütülürse, C02 tüketimi ve uçaklara yönelik yakıt üretimi de hacim olarak artacaktır.
Şu ana kadar tesisin kurulumunda, proje liderlerinin enerji açısından oldukça verimli olduğunu söylediği üç hava kolektörü bulunuyor; önceki versiyonlara göre çok daha fazla. Tesis, mevcut çalışma hacmiyle yılda yaklaşık 150 ton karbondioksit toplayabiliyor. Tesisin kurulumu, güneş panellerinin ürettiği enerjiyi kullanarak saatte yaklaşık 240 metreküp hidrojen üretimine olanak sağlıyor.
Karbondioksitten üretilen havacılık yakıtı
Daha sonra hidrojen, katalizörler kullanılarak CO2 ile birleştirilir (aynı zamanda atmosferik havadan da izole edilir). Bu işlemi gerçekleştiren reaktör Fransız Atmostat şirketi tarafından geliştirildi. Metan arıtılarak endüstriyel ihtiyaçlar için kullanılıyor. Daha sonra basınç altında sıvıya dönüştürülür ve endüstriyel amaçlarla kullanılır.
Tesis halihazırda çalışır durumda olmasına rağmen ekonomik açıdan verimli değildir. Ne yazık ki kârlılığa giden yol uzundur. Yukarıda belirtildiği gibi, üretim yılda yalnızca yaklaşık 150 ton karbondioksiti “ortadan kaldırabilir”. Ve bu maddenin atmosfere yıllık emisyon hacmi 30-40 gigatondur ve bu rakam her geçen gün artmaktadır.
Öyle olsa bile, üretim hala devam ediyor ve yatırımcıların bu teknolojiyle açıkça ilgilendikleri açık; şirket yakın zamanda bir turu daha tamamlayarak yaklaşık 30,8 milyon dolar aldı.
Climeworks de benzer projelerle uğraşan bir şirket; bu tür girişimlerin sayısı giderek artıyor ve bu da şirketlerin eninde sonunda çok daha büyük karbondioksit tüketimine ulaşacağı umudunu veriyor.
Endüstride, karbondioksit CO2 üretmenin ana yöntemleri, metan CH4'ün hidrojen H2'ye dönüştürülmesi reaksiyonunun bir yan ürünü olarak üretilmesi, hidrokarbonların yanma reaksiyonları (oksidasyonu), kireç taşı CaCO3'ün kireç CaO ve suya ayrışmasının reaksiyonudur. H20.
CH4 ve diğer hidrokarbonların hidrojen H2'ye buharla dönüştürülmesinin bir yan ürünü olarak CO2
Hidrojen H2, öncelikle amonyak NH3 üretme prosesinde (Haber prosesi, hidrojen ve nitrojenin katalitik reaksiyonu) kullanımı için endüstri tarafından gereklidir; Mineral gübrelerin ve nitrik asitin üretimi için amonyağa ihtiyaç vardır. Hidrojen, ekolojistler tarafından sevilen suyun elektrolizi de dahil olmak üzere farklı şekillerde üretilebilir - ancak ne yazık ki şu anda, hidrokarbonların dönüştürülmesi dışındaki tüm hidrojen üretim yöntemleri, büyük ölçekli ölçekte kesinlikle ekonomik olarak gerekçesizdir. üretim - üretim elektriğinde fazla "serbest" olmadığı sürece. Bu nedenle, karbondioksitin de salındığı hidrojen üretmenin ana yöntemi metanın buharla reforme edilmesidir: yaklaşık 700...1100°C sıcaklıkta ve 3...25 bar basınçta, metan varlığında bir katalizör, su buharı H2O, metan CH4 ile reaksiyona girerek sentez gazı açığa çıkar (işlem endotermiktir, yani ısının emilmesiyle oluşur):
CH4 + H2O (+ ısı) → CO + 3H2
Propan benzer şekilde buharla yeniden şekillendirilebilir:
С3H8 + 3H2O (+ ısı) → 2CO + 7H2
Ve ayrıca etanol (etil alkol):
C2H5OH + H2O (+ ısı) → 2CO + 4H2
Benzin bile buharla ıslah edilebilir. Benzin 100'den fazla farklı kimyasal bileşik içerir; izooktan ve tolüenin buharla reformasyon reaksiyonları aşağıda gösterilmiştir:
C8H18 + 8H2O (+ ısı) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ ısı) → 7CO + 11H2
Böylece, bir veya daha fazla hidrokarbon yakıtın buharla reformasyonu sürecinde hidrojen ve karbon monoksit CO (karbon monoksit) elde edilir. Hidrojen üretim sürecinin bir sonraki adımında, bir katalizör varlığında karbon monoksit, bir oksijen atomu O'nun sudan gaza taşınması reaksiyonuna girer = CO, CO2'ye oksitlenir ve hidrojen H2 serbest formda salınır. Reaksiyon ekzotermiktir ve yaklaşık 40,4 kJ/mol ısı açığa çıkar:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ ısı)
Endüstriyel ortamlarda, hidrokarbonların buharla reformasyonu sırasında açığa çıkan karbondioksit (CO2) kolaylıkla izole edilebilir ve toplanabilir. Bununla birlikte, bu durumda CO2 istenmeyen bir yan üründür; atmosfere serbestçe salınması, her ne kadar şu anda CO2'den kurtulmanın yaygın yolu çevresel açıdan istenmeyen bir durum olsa da ve bazı işletmeler daha "gelişmiş" yöntemler uygulamaktadır. Örneğin CO2'nin azalan petrol sahalarına pompalanması veya okyanuslara enjekte edilmesi gibi.
Hidrokarbon yakıtların tamamen yanmasından CO2 üretimi
Yakıldığında, yani yeterli miktarda oksijenle oksitlendiğinde metan, propan, benzin, kerosen, dizel yakıt vb. hidrokarbonlar, karbondioksit ve genellikle su oluşur. Örneğin CH4 metanın yanma reaksiyonu şu şekildedir:
CH4 + 2O2 → C02 + 2H2O
Yakıtın kısmi oksidasyonu ile H2 üretiminin bir yan ürünü olarak CO2
Dünyada endüstriyel olarak üretilen hidrojenin yaklaşık %95'i, başta doğal gazda bulunan CH4 metan olmak üzere hidrokarbon yakıtların yukarıda açıklanan buharla reformasyon yöntemiyle üretilmektedir. Buhar reformasyonuna ek olarak, metan ve diğer hidrokarbonlar, yakıtın tamamen yanması için yeterli olmayan bir oksijen miktarı ile reaksiyona girdiğinde, kısmi oksidasyon yöntemiyle hidrokarbon yakıttan oldukça yüksek verimle hidrojen üretilebilir (tam yanma sürecinde bunu unutmayın). Yukarıda kısaca açıklanan yakıtın yanması sonucu karbondioksit gazı (CO2 gazı ve H20 suyu) elde edilir. Stokiyometrik miktardan daha az miktarda oksijen sağlandığında reaksiyon ürünleri ağırlıklı olarak hidrojen H2 ve karbon monoksit CO olarak da bilinen karbon monoksittir; karbondioksit CO2 ve diğer bazı maddeler küçük miktarlarda üretilir. Genellikle pratikte bu işlem saflaştırılmış oksijenle değil hava ile gerçekleştirildiğinden, işlemin hem girişinde hem de çıkışında reaksiyona katılmayan nitrojen bulunur.
Kısmi oksidasyon ekzotermik bir işlemdir, yani reaksiyon ısı üretir. Kısmi oksidasyon tipik olarak buharla reformasyondan çok daha hızlı ilerler ve daha küçük bir reaktör hacmi gerektirir. Aşağıdaki reaksiyonlardan görülebileceği gibi, kısmi oksidasyon başlangıçta yakıt birimi başına buharla reformasyon prosesinde üretilenden daha az hidrojen üretir.
Metanın CH4'ün kısmi oksidasyonunun reaksiyonu:
CH4 + ½O2 → CO + H2 (+ ısı)
Propan C3H8:
C 3 H 8 + 1½O 2 → 3CO + 4H 2 (+ ısı)
Etil alkol C2H5OH:
C 2 H 5 OH + ½O 2 → 2CO + 3H 2 (+ ısı)
Benzinde bulunan yüzden fazla kimyasal bileşikten izooktan ve toluen örneğini kullanarak benzinin kısmi oksidasyonu:
C 8 H 18 + 4O 2 → 8CO + 9H 2 (+ ısı)
C 7 H 18 + 3½O 2 → 7CO + 4H 2 (+ ısı)
CO'yu karbondioksite dönüştürmek ve ilave hidrojen üretmek için, buharla reformasyon prosesinin açıklamasında daha önce sözü edilen, oksijen kaydırma reaksiyonu su → gaz kullanılır:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (+ az miktarda ısı)
Şeker fermantasyonundan kaynaklanan CO2
Maya hamurundan alkollü içeceklerin ve unlu mamullerin üretiminde, etil alkol C2H5OH ve karbondioksit CO2 oluşumu ile şekerlerin (glikoz, fruktoz, sakaroz vb.) fermantasyonu işlemi kullanılır. Örneğin, glikoz C6H12O6'nın fermantasyon reaksiyonu şöyledir:
C 6 H 12 O 6 → 2C 2 H 5 OH + 2C02
Ve fruktoz C12H22O11'in fermantasyonu şöyle görünür:
C 12 H 22 Ö 11 + H 2 Ö → 4C 2 H 5 OH + 4CO 2
Wittemann tarafından üretilen CO2 üretimine yönelik ekipmanlar
Alkollü içeceklerin üretiminde, ortaya çıkan alkol, fermantasyon reaksiyonunun arzu edilen ve hatta gerekli bir ürünüdür. Karbondioksit bazen atmosfere salınır, bazen de içeceğin içinde karbonatlaşmaya bırakılır. Ekmek pişirmede ise bunun tersi olur: Hamurun kabarmasına neden olan kabarcıkların oluşması için CO2 gerekir ve pişirme sırasında etil alkol neredeyse tamamen buharlaşır.
CO2'nin tamamen gereksiz bir yan ürün olduğu başta içki fabrikaları olmak üzere birçok işletme, toplama ve satışını gerçekleştirmiştir. Fermantasyon tanklarından gelen gaz, CO2'nin saflaştırıldığı, sıvılaştırıldığı ve şişelendiği karbondioksit atölyesine alkol tuzakları yoluyla sağlanır. Aslında birçok bölgede karbondioksitin ana tedarikçileri içki imalathaneleridir ve birçoğu için karbondioksit satışı hiçbir şekilde son gelir kaynağı değildir.
Bira fabrikalarında ve alkol fabrikalarında (Huppmann/GEA Bira Fabrikası, Wittemann, vb.) saf karbondioksitin ayrılmasına yönelik ekipmanların üretimi ve bunun hidrokarbon yakıtlardan doğrudan üretimi konusunda tam bir endüstri bulunmaktadır. Air Products ve Air Liquide gibi gaz tedarikçileri de CO2'yi ayırıp ardından arındırıp silindirlere doldurmadan önce sıvılaştıracak istasyonlar kuruyor.
CaCO3'ten sönmemiş kireç CaO üretiminde CO2
Yaygın olarak kullanılan sönmemiş kirecin (CaO) üretim prosesinde reaksiyonun bir yan ürünü olarak karbondioksit de bulunur. Kireçtaşı CaCO3'ün ayrışma reaksiyonu endotermiktir, yaklaşık +850°C'lik bir sıcaklık gerektirir ve şöyle görünür:
CaCO3 → CaO + CO2
Kireçtaşı (veya başka bir metal karbonat) bir asitle reaksiyona girerse, reaksiyon ürünlerinden biri olarak karbondioksit H2CO3 açığa çıkar. Örneğin hidroklorik asit HCl, kireçtaşı (kalsiyum karbonat) CaCO3 ile aşağıdaki şekilde reaksiyona girer:
2HCl + CaC03 → CaCl2 + H2C03
Karbonik asit çok kararsızdır ve atmosferik koşullar altında hızla CO2 ve su H2O'ya ayrışır.
