Paliwo z dwutlenku węgla. To pomysł Polaków i Japończyków

Małe źródła energetycznego spalania paliw, takie jak kotły, wykorzystywane są w różnych gałęziach przemysłu do produkcji energii, wytwarzania pary czy ogrzewania. Jednak są one odpowiedzialne za znaczną emisję dwutlenku węgla. Konstrukcja kotłów jest już dość dobrze dopracowana. Trudno będzie ograniczyć emisje dwutlenku węgla poprawiając wydajność spalania w kotłach. Dlatego naukowcy badają alternatywne rozwiązania. Jednym z nich jest wychwytywanie dwutlenku węgla emitowanego z małych systemów spalania i przekształcanie go w użyteczny produkt, taki jak metan.

Badania na tym polu prowadzą naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Polsce kierowani przez prof. Grzegorza Brusa oraz uczeni z Shibaura Institute of Technology w Tokio, prowadzeni przez prof. Mikihiro Nomurę. Badają koncepcję przekształcania emitowanego dwutlenku węgla przez małe kotły i inne podobne urządzenia przemysłowe w metan. Jak podkreślają uczeni, jest to obiecująca strategia walki ze zmianami klimatu. Wyniki i opis prac polsko-japońskiego zespołu ukazał się na łamach pisma "Journal of CO2 Utilization".

Ograniczenie emisji dwutlenku węgla z małych systemów spalania, takich jak kotły i inne urządzenia przemysłowe, jest niezbędne, by skutecznie walczyć ze zmianami klimatu. Naukowcy badają różne podejścia do łagodzenia wpływu emisji CO2 z kotłów na środowisko. Jedną z obiecujących strategii jest wychwytywanie CO2 emitowanego z tych systemów i przekształcanie go w paliwo metanowe.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Uczeni chcą tego dokonać z pomocą specjalnego reaktora membranowego, zwanego reaktorem membranowym typu dystrybutora (distributor-type membrane reactor, DMR), który może ułatwiać reakcje chemiczne, a także oddzielać składniki gazów. Tego typu reaktory są już stosowane w niektórych gałęziach przemysłu, ale ich zastosowanie do przekształcania CO2 w metan, zwłaszcza w małych systemach, takich jak kotły, pozostaje mało zbadane.

Badacze pracują nad różnymi projektami reaktorów. W swoich pracach wykorzystali symulacje numeryczne i badania eksperymentalne w celu zoptymalizowania projektów do wydajnej konwersji CO2 z małych kotłów na metan. Symulacje modelowały przepływ i reakcję gazów w różnych warunkach, co pozwoliło zminimalizować wahania temperatury, zapewniając optymalizację zużycia energii przy jednoczesnym zachowaniu niezawodności produkcji metanu.

Polsko-japoński zespół odkrył, że w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, w których gazy kierowane są do jednego miejsca, lepsze jest zastosowanie rozproszonego zasilania, które może rozprowadzać gazy po reaktorze. To z kolei skutkuje lepszym rozprowadzaniem CO2 w całej membranie, zapobiegając przy okazji miejscowemu przegrzaniu się.

- Ten projekt DMR pomógł nam zmniejszyć przyrosty temperatury o około 300 stopni w porównaniu z tradycyjnym reaktorem ze złożem upakowanym — wyjaśnia prof. Nomura.

Naukowcy zbadali również inne czynniki wpływające na wydajność reaktorów i odkryli, że jedną z kluczowych zmiennych było stężenie CO2 w mieszance. Zmiana ilości CO2 w mieszance wpływała na to, jak dobrze przebiegała reakcja. - Kiedy stężenie CO2 wynosiło około 15 proc., podobnie jak to, które wychodzi z kotłów, reaktor był znacznie lepszy w produkcji metanu. W rzeczywistości mógł produkować około 1,5 razy więcej metanu w porównaniu ze zwykłym reaktorem, który miał do dyspozycji tylko czysty CO2 — podkreśla prof. Nomura.

Dodatkowo naukowcy zbadali wpływ rozmiaru reaktora. Ustalili, że zwiększenie jego rozmiaru ułatwiło dostępność wodoru do reakcji. Istniał jednak pewien kompromis, który należało rozważyć, ponieważ korzyść z większej dostępności wodoru wymagała ostrożnego zarządzania temperaturą w celu uniknięcia przegrzania.

Źródło: Shibaura Institute of Technology