Syntetyczna nafta ze źródeł odnawialnych rozwiązaniem dla bezemisyjnego lotnictwa
Ta alternatywa dla kopalnego paliwa lotniczego może na pierwszy rzut oka wydawać się niemożliwą mrzonką lub wynalazkiem rodem z dzieł fantastyki naukowej, jednak zespołowi finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu KEROGREEN udało się eksperymentalnie dowieść słuszności tej koncepcji oraz zaprezentować ją częściowo w skali. „Dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej i dwutlenku węgla z atmosfery udało nam się zamknąć obieg węgla oraz uzyskać surowiec do produkcji paliw węglowodorowych. Dzięki temu możemy nadal korzystać z istniejącej infrastruktury do magazynowania i dystrybucji, a co ważniejsze, nie musimy wprowadzać żadnych modyfikacji do silników lotniczych w celu korzystania z nowego paliwa”, zauważa Adalbert Goede, koordynator projektu. Syntetyczne paliwa odrzutowe, które mogą być spalane przez współczesne silniki lotnicze, mogą być wytwarzane z syngazu – mieszaniny tlenku węgla i wodoru. Zespół projektu KEROGREEN obrał za swój cel opracowanie ekologicznej, neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla formy syngazu, której wytwarzanie nie wiąże się z dodatkowymi emisjami dwutlenku węgla. „Udało nam się znaleźć rozwiązanie tego problemu, które zakłada przetwarzanie wody oraz powietrza – a raczej zawartego w nim dwutlenku węgla – w paliwa charakteryzujące się wysoką gęstością energii dzięki wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych”, zauważa Goede.
Niekonwencjonalny sposób przetwarzania CO2 w paliwo
Idea pozyskiwania dwutlenku węgla z atmosfery i przetwarzania go na paliwo jest stosunkowo prosta. W środowisku plazmy dwutlenek węgla jest rozbijany na tlenek węgla (CO) oraz tlen (O2) – to właśnie ten etap procesu jest najbardziej energochłonny. Po wymieszaniu uzyskanych substancji z wodą powstaje syngaz – wszystko dzięki popularnej reakcji konwersji tlenku węgla z parą wodną – który następnie jest przetwarzany w ciekłe paliwo węglowodorowe (naftę) dzięki procesowi syntezy Fischera-Tropscha. Do przetwarzania dwutlenku węgla powszechnie stosuje się wysokotemperaturowe procesy elektrolizy i plazmolizy. Oddzielne stosowanie obu tych metod ujawnia jednak ich pewne wady i zalety. Wysokotemperaturowa elektroliza jest energooszczędnym procesem, który pozwala na oddzielenie tlenku węgla i cząsteczek tlenu, jednak wykorzystywane w nim elektrody, które z czasem ulegają degradacji, są wytwarzane z rzadkich surowców. Z kolei proces plazmolizy wykorzystuje znacznie łatwiej dostępne elektrody, a także może być przerywany i wznawiany w dowolnym momencie, co pozwala wykorzystać odnawialne źródła energii. Zastosowanie tego procesu wymaga jednak włączenia dodatkowego etapu, który pozwala na oddzielenie cząsteczek tlenu od tlenku i dwutlenku węgla. Zespół projektu KEROGREEN opracował zrównoważoną metodę wytwarzania tlenku węgla poprzez połączenie obu technik. W ramach tego procesu mieszanina gazów otrzymanych w wyniku plazmolizy dwutlenku węgla trafia do stałotlenkowego elektrolizera, który umożliwia rozdzielenie obu gazów. Następnie cząsteczki tlenu trafiają do jednego bieguna elektrolizera, skąd są usuwane. Tlenek węgla i dwutlenek węgla trafiają następnie do instalacji w celu syntezy paliw płynnych. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że strumień produktów połączonych procesów plazmolizy i elektrolizy zawiera o 91 % mniej tlenu oraz o 138 % więcej tlenku węgla niż strumień gazów z procesu plazmolizy. Testy trwałości trwające około 100 godzin wykazały większą stabilność perowskitowego materiału elektrody wykorzystywanego w sprzężonych procesach w porównaniu z procesem elektrolizy CO2. Gęstość energii odgrywa ważną rolę w określaniu zasięgu lotu. „Zrównoważone paliwa o wysokiej gęstości energetycznej są niezwykle ważne z punktu widzenia lotów długodystansowych. Uważamy, że syntetyczna nafta produkowana z wody i dwutlenku węgla dzięki energii odnawialnej będzie lepszą alternatywą dla samolotów przyszłości. Wodór jest zbyt trudny w obsłudze, nawet w stanie ciekłym, natomiast akumulatory zbyt znacząco podnoszą wagę konstrukcji samolotu”, zauważa Goede. Co więcej, syntetyczna ekologiczna nafta ogranicza do zera emisje siarki oraz znacząco zmniejsza powstawanie sadzy, jednocześnie ograniczając do minimum emisję tlenków azotu.
Idealne rozwiązanie dla zdecentralizowanych systemów opartych na energii odnawialnej
„Innowacyjna instalacja KEROGREEN, która mieści się w całości w typowym morskim kontenerze transportowym, jest modułowa i skalowalna, dzięki czemu doskonale sprawdzi się w przypadku niewielkich i rozproszonych zakładów produkcyjnych zlokalizowanych w odległych miejscach, na przykład morskich elektrowni wiatrowych lub elektrowni słonecznych zlokalizowanych na pustyni”, dodaje Goede. Wszystkie etapy przetwarzania dwutlenku węgla w ramach procesu plazmolizy i elektrolizy osiągnęły trzeci poziom gotowości technologicznej (TRL 3). Obecnie naukowcy zamierzają pracować nad zwiększaniem skali separatora tlenu w ramach kolejnego projektu.
Słowa kluczowe
KEROGREEN, CO2, tlenek węgla, syngaz, syntetyczna nafta, lot długodystansowy, SOEC, stałotlenkowy elektrolizer
