1 SZTUCZNA FOTOSYNTEZA A ZMIANY KLIMATU Marcin Gerwin

SZTUCZNA FOTOSYNTEZA A ZMIANY KLIMATU
Marcin Gerwin
Dwutlenek węgla można wykorzystać do produkcji energii i paliw. Jak to możliwe?
Dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O) można połączyć w procesie sztucznej fotosyntezy w
metanol czyli CH3OH. Produktem ubocznym reakcji jest tlen. Jest to proces podobny do tego,
który zachodzi w liściach wszystkich roślin od traw i polnych kwiatów po ogromne drzewa w
tropikalnym lesie. Metanol, czyli alkohol metylowy, można spalać bez problemu w zwykłej
elektrowni z turbiną gazową, a także w elektrowni węglowej po niewielkich przeróbkach.
Można go ponadto używać jako paliwo do samochodów lub do kuchenek do gotowania, a
także zamienić w benzynę.
Benzyna to węglowodór, co oznacza, że w jego skład wchodzi węgiel (C) oraz wodór
(H). Są to te same składniki, z których zbudowany jest metanol. Metodę zamiany metanolu w
benzynę (Methanol to Gasoline: MTG) opracowano już w latach 70-tych, a doszlifowano
także w Polsce. Korzysta się z niej obecnie w wielu krajach świata, m. in. w Nowej Zelandii
czy w Chinach. Dzięki temu możemy złapać dwutlenek węgla ulatujący dziś z kominów
elektrowni i przyczyniający się do powiększania efektu cieplarnianego i zamienić go na
przykład w benzynę. Z 1 tony CO2 można zrobić ponad 500 litrów czystej benzyny.
Pierwsza, pilotażowa instalacja do produkcji benzyny z CO2 ma powstać w Lublinie,
gdzie Polska Grupa Energetyczna (PGE) chce wstępnie zamieniać 50 tysięcy ton CO2
powstających w ich elektrowni, w ok. 25 milionów litrów benzyny rocznie. Instalacja do
sztucznej fotosyntezy jest stosunkowo prosta w budowie i może powstać w krótkim czasie.
Na dziś metoda sztucznej fotosyntezy, opracowana przez zespół polskich naukowców pod
kierunkiem prof. Nazimka, działa jedynie w laboratorium na czystym CO2 i celem instalacji
pilotażowej w Lublinie jest opracowanie i przetestowanie metody pracy z gazami
rzeczywistymi, które powstają podczas spalania paliw kopalnych w elektrowni. Chodzi o to,
aby móc CO2 rozpuszczać bezpośrednio w wodzie, pomijając proces oddzielania go od
innych gazów (sekwestracja).
W grudniu tego roku ma się odbyć w Kopenhadze międzynarodowa konferencja
klimatyczna, na której 192 państwa świata mają przyjąć porozumienie zastępujące protokół z
Kyoto, aby ograniczyć wpływ człowieka na zmiany klimatu. Aby udało się skutecznie
ograniczyć emisje CO2, to redukcja emisji powinna się mieścić co najmniej w przedziale 2540% do 2020 roku (w stosunku do roku 1990). W Polsce prawie cała energia elektryczna,
ponad 90%, pochodzi ze spalania węgla. Czy jest możliwe ograniczenie emisji CO2 w Polsce
o 40% w 10 lat bez ponoszenia ogromnych kosztów? Zobaczmy czy sztuczna fotosynteza
może się tu do czegoś przydać.
Każda większa elektrownia lub ciepłownia w Polsce, zamiast magazynować CO2 pod
ziemią lub ponosić koszty emisji jego emisji do atmosfery (w przypadku dużej elektrowni są
to miliony złotych rocznie), może zbudować instalację do wychwytywania ok. 40% emisji
CO2 i zamieniać je w metanol. Wyprodukowany metanol można spalić w elektrowni razem z
węglem i ponownie wychwycić. Całość tego procesu funkcjonuje na podobnej zasadzie jak
1
obieg węgla w przyrodzie, gdzie rośliny pobierają węgiel jako CO2 z powietrza, a następnie
jest on oddawany do atmosfery podczas spalania biomasy lub wydychania przez inne
organizmy.
Do procesu sztucznej fotosyntezy potrzebna jest energia elektryczna - w sumie ok. 1
kWh do wytworzenia 1 litra metanolu. Energia ta może pochodzić z odnawialnego źródła,
czyli np. z elektrowni wiatrowej, lub jeżeli elektrownia ma akurat wolną moc, to może być to
energia pochodząca ze spalania paliwa. Dla elektrowni węglowej o mocy 100 MW, koszt
budowy instalacji do sztucznej fotosyntezy potrzebnej do przerabiania 40% jej emisji CO2 to
ok. 8-12 milionów złotych. Dzięki takiej instalacji elektrownia zyskuje produkowane na
miejscu paliwo oraz będzie ponosić mniejsze opłaty za emisje dwutlenku węgla.
Benzyna lub olej napędowy zrobione z CO2 nie zawierają związków siarki lub azotu,
co oznacza szybką poprawę jakości powietrza w miastach. Dodatkową motywacją do budowy
instalacji do produkcji paliwa z CO2 będzie rosnąca na świecie cena zwykłej ropy. Benzyna
może być produkowana lokalnie, dzięki wykorzystaniu CO2 pochodzącego z jednej dużej lub
z kilku mniejszych elektrowni lub ciepłowni. Można ją przeznaczyć na własne potrzeby – dla
autobusów, samochodów strażackich itd. i dzięki niższej cenie benzyny, a tym samym niższej
cenie biletów, zachęcać do korzystania z transportu publicznego. Wszystkie paliwa w Polsce
mogą być produkowane tą metodą, emisji CO2 mamy wystarczająco dużo.
Produkcja benzyny z wykorzystaniem sztucznej fotosyntezy oznacza wyeliminowanie
emisji ze spalania ropy, jednak nie oznacza od razu wyeliminowania emisji dwutlenku węgla
z transportu w ogóle. Z rury wydechowej będzie bądź co bądź cały czas wylatywać CO2, tyle
że pochodzące nie z ropy, ale ze spalania węgla lub gazu ziemnego. A że są to paliwa
kopalne, to cały czas będzie to powodować wzrost poziomu CO2 w atmosferze. Jak można to
rozwiązać?
CO2 można wychwytywać z powietrza, jest to na dziś jeszcze dosyć drogie, ok. 200
USD za tonę, ale możliwe. Jeżeli uda się opracować wydajną metodę do tego celu i z
wychwyconego CO2 zrobi się paliwo, to będzie to paliwo neutralne dla klimatu. Jest to
bowiem recykling CO2, gdzie dwutlenek węgla będzie spalany i pobierany ponownie, a nie
dodawany poprzez spalanie paliw wykopanych z ziemi. Tu potrzebne opracowanie wydajnej
technologii i badania takie mogą sfinansować nawet same zainteresowane gminy. Szczególnie
miejscowości nadmorskie lub górskie w Polsce powinny być zainteresowane
wychwytywaniem CO2 z powietrza, albowiem na skutek zmian klimatu są one narażone na
utratę wpływów z turystyki.
Druga metoda to oddzielenie CO2 od paliwa jeszcze w samochodzie, gromadzenie go
w postaci płynnej w specjalnym zbiorniku i zlewanie na stacji benzynowej podczas
tankowania. Jest to także zamknięty obieg CO2, tyle że dwutlenek węgla wędruje w postacie
płynnej, a nie gazowej i pominięty jest proces spalania. Do tego sposobu niezbędny jest
separator paliwowy, który został opracowany na uczelni w USA, jednak na dziś, by
zastosować tą technologię na dużą skalę, potrzebne jest rozwiązanie jeszcze kilku istotnych
kwestii technicznych, jak na przykład opracowanie taniej membrany do oddzielania
dwutlenku węgla. Paliwo zrobione z CO2 można także wykorzystać dla transportu lotniczego
i morskiego, i jeżeli będzie zrobione z dwutlenku węgla wychwyconego z powietrza, to
będzie neutralne dla klimatu.
2
Jeżeli projekty pilotażowe okażą się sukcesem, to może się okazać, że w przeciągu
najbliższych 10 lat emisje dwutlenku węgla w Polsce zmniejszą się znacznie ponad 40%. Nie
są do celu tego potrzebne ani ogromne środki ani budowa elektrowni atomowych. Tradycyjne
elektrownie mogą nawet w przeciągu kilku lat zmniejszyć swoje emisje, tyle czasu bowiem
zajmuje postawienie instalacji do sztucznej fotosyntezy. Koszt przerobienia elektrowni
węglowej tak, by można było w niej spalać metanol jest niewielki, potrzebny jest do tego
przede wszystkim odpowiedni palnik nadający się do spalania metanolu. Ponadto w miejsce
starych elektrowni węglowych mogą być budowane nowe elektrownie zeroemisyjne,
spalające wyłącznie metanol i produkujące go na miejscu za pomocą sztucznej fotosyntezy.
Oznacza to, że w Kopenhadze Polska może zgodzić się na 40% redukcję emisji CO2 do 2020
roku, po prostu dlatego, że będzie mogła takie zobowiązanie spełnić.
3