Paliwo z dwutlenku węgla?

Polsko-japoński zespół pracuje nad reaktorem chemicznym, który przekształcałby dwutlenek węgla wytwarzany przez małe kotły w metan nadający się do użytku jako paliwo – informuje „Journal of CO2 Utilization”.

Małe źródła energetycznego spalania paliw, takie jak kotły i inne urządzenia przemysłowe odpowiadają za znaczną część emisji gazów cieplarnianych. Kotły są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu do kluczowych procesów, takich jak ogrzewanie, wytwarzanie pary i produkcja energii.

Od CO2 do Metanu

Konstrukcje większości kotłów są już na tyle dopracowane, że trudno zmniejszyć emisję CO2 po prostu poprawiając efektywność spalania. Natomiast obiecującym kierunkiem wydaje się być wychwytywanie emitowanego w procesie spalania CO2 i przekształcanie go w użyteczny produkt, na przykład metan.

Aby tego dokonać, potrzebny jest specyficzny typ membranowego reaktora chemicznego, zwany reaktorem membranowym typu dystrybutora (distributor-type membrane reactor, DMR). Pozwala on oddzielać składniki gazów oraz ułatwia reakcje chemiczne.

Reaktory DMR są stosowane w niektórych gałęziach przemysłu, jednak ich wykorzystanie do przekształcania CO2 w metan, szczególnie w małych systemach, takich jak kotły, to jak na razie mało zbadana koncepcja.

Wypełnieniem tej luki w badaniach zajęły się zespoły prof. Grzegorza Brusa z Akademii Górniczo-Hutniczej im Stanisława Staszica w Krakowie oraz prof. Mikihiro Nomury z Shibaura Institute of Technology w Tokio (Japonia).

Zespół zastosował zarówno symulacje numeryczne, jak i badania eksperymentalne w celu optymalizacji projektów reaktorów pod kątem wydajnej konwersji CO2 na metan. W symulacji modelowano przepływ gazów i reakcje w różnych warunkach. To z kolei umożliwiło zminimalizowanie wahań temperatury, zapewniając optymalizację zużycia energii przy produkcji metanu.

Jak się okazało, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, które kierują gazy do jednego miejsca, korzystniejsze jest zasilanie rozproszone, które umożliwia rozprowadzenie gazów po reaktorze. Lepsze rozprowadzenie CO2 w całej membranie zapobiega jej miejscowemu przegrzaniu. – Ta konstrukcja DMR pomogła nam zmniejszyć przyrost temperatury o około 300 stopni w porównaniu z tradycyjnym reaktorem ze złożem upakowanym – wyjaśnił prof. Nomura.

Wydajność reaktorów

Oprócz rozproszonego zasilania naukowcy zbadali także inne czynniki wpływające na wydajność reaktorów i odkryli, że jedną z kluczowych zmiennych było stężenie CO2 w mieszaninie. – Kiedy stężenie CO2 wynosiło około 15 proc. (co odpowiadało stężeniu wydobywającemu się z kotłów), reaktor znacznie lepiej wytwarzał metan. W rzeczywistości mógłby wyprodukować około 1,5 razy więcej metanu w porównaniu z reaktorem, w którym do pracy wykorzystuje się wyłącznie czysty CO2 – podkreślił prof. Nomura.

Naukowcy zbadali także wpływ wielkości reaktora. Jak się okazało, zwiększenie rozmiaru reaktora poprawia dostępność wodoru na potrzeby reakcji. Należy jednak wziąć pod uwagę, że korzyść wynikająca z większej dostępności wodoru wymaga ostrożnego zarządzania temperaturą, aby uniknąć przegrzania.

Zdaniem autorów badania https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212982024000982?via%3Dihub korzyści z przekształcania CO2 w metan można by uzyskać na przykład w instalacjach domowych czy w małych fabrykach.