Prof. nadzw. dr. hab. inż. Marek Ściążko
Wydział Energetyki i Paliw
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Od 1975 r. do 2020r. pracował w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla (IChPW) w Zabrzu kolejno na stanowiskach asystenta, st. asystenta, adiunkta, kierownika różnych zakładów badawczych, dyrektora instytutu (1991-2013). Od 2010r. jest pracownikiem Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a od 2011r. profesorem na Wydziale Energetyki i Paliw specjalizując się w obszarze technologii przetwarzania paliw i wychwytu dwutlenku węgla, implementacji technologii wodorowych, kinetyki i termodynamiki reakcji. W okresie pracy w AGH współtworzył Centrum Energetyki AGH, gdzie obecnie jest zatrudniony na stanowisku pełnomocnika dyrektora.
Dlaczego mamy wykorzystywać wychwycony dwutlenek węgla skoro możemy go bezpiecznie składować?
Szybki wzrost gospodarczy światowej gospodarki przyczynił się do dzisiejszego stale rosnącego zapotrzebowanie na energię. Oczywistą konsekwencją tego jest wzrost wykorzystania paliw, w szczególności konwencjonalnych paliw kopalnych (tj. węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego), które stały się kluczowymi źródłami energii od czasów rewolucji przemysłowej. Jednak powszechne wykorzystanie paliw kopalnych oraz intensywny wzrost ich wykorzystania w energetyce i przemyśle zaczęło budzić niepokój ze względu na ich niekorzystny wpływ na środowisko, szczególnie związany z emisją dwutlenku węgla (CO2), który uważany jest za główny antropogeniczny gaz cieplarniany (Green House Gases). Teza o dominującej roli CO2 w procesie szybkich zmian klimatycznych wyzwoliła pomysły na jego separację ze strumienia spalin i przede wszystkim trwałą sekwestrację w strukturach geologicznych. Wynikało to z następujących przesłanek: technologia wychwytu dwutlenku węgla ze spalin jest znana i stosowana od kilkudziesięciu lat w przemyśle chemicznym, a wyseparowany i oczyszczony dwutlenek węgla mógł być stosowany komercyjnie głównie w USA do wspomagania wydobycia ropy naftowej (Enhanced Oil Recovery). Technologia ta ma jednak pewne ograniczenia związane przede wszystkim z dostępnością odpowiednich zasobów geologicznych, w tym struktur solankowych oraz koniecznością rozbudowy sieci transportujących rurociągów. W ostatnich latach coraz częściej przywoływana jest możliwość ponownego wykorzystania wydzielonego dwutlenku węgla w procesach technologicznych prowadzających do swoistego recyklingu. Trend ten związany jest przede wszystkim z coraz większymi możliwościami produkcji wodoru „zielonego” otrzymywanego poprzez zastosowanie odnawialnych źródeł energii. Połączenie wodoru z dwutlenkiem węgla daje możliwość produkcji całego szeregu związków chemicznych takich jak np. metan (Synthetic Natural Gas – SNG), paliwa syntetyczne motorowe, metanol czy też dwumetyloeter, które mogą być z powodzeniem wykorzystane zarówno jako paliwa lub komponenty chemiczne w przemyśle.
Jakie zatem są dostępne ścieżki utylizacji dwutlenku węgla?
Po wychwyceniu strumień o wysokiej zawartości CO2 może być wykorzystany przede wszystkim w produkcji paliw syntetycznych z uwagi na wielkość strumienia CO2, który wytwarzany jest w procesach energetycznych. Obecnie pewne ilości CO2 stosowane są w produkcji mocznika z wychwyconego CO2 w skali (160 t/dzień). Taka instalacja demonstracyjna jest wybudowana w Chinach. Biorąc jednak pod uwagę światową produkcję mocznika na poziomie 160 mln ton/rok oraz zapotrzebowanie na CO2, które wynosi ok. 0,7 t CO2/tonę mocznika to nie wydaje się, że będzie to przyszłościowo najważniejsze chemiczne
zastosowania CO2. Odpowiada to mniej więcej całkowitej emisji CO2 z instalacji energetycznych w Polsce, co w skali świata jest niewiele. Niewątpliwie produkcja paliw jak np. SNG, paliw płynnych czy metanolu daje możliwość zagospodarowania milionowych ilości emitowanego dwutlenku węgla. Zaletą jest niewątpliwie użytkowa recyrkulacja CO2, ale wadą duże zapotrzebowanie na wodór, którego znaczna część zużywana jest na produkcję towarzyszącego produktu – wody. Drugim kierunkiem bardzo obiecującym z uwagi na skalę jest konwersja do produktów nieorganicznych (saturacja minerałów). Ten proces zwany mineralizacją przekształca CO2 w jeszcze bardziej stabilną formę węgla, zazwyczaj węglan, który może być używany do produkcji materiałów budowlanych, takich jak beton. Sama reakcja tworzenia węglanów nie wymaga nakładów energii i faktycznie uwalnia ciepło, chociaż zazwyczaj do wytworzenia potrzebne są znaczne ilości energii niezbędne do przygotowania minerałów wyjściowych. Obecnym wąskim gardłem dla opłacalnych procesów karbonatyzacji minerałów na skalę przemysłową jest szybkość reakcji karbonatyzacji. Trzecim potencjalnym kierunkiem efektywnej utylizacji CO2 może być wykorzystanie biologiczne. Konwersja biologiczna obejmuje użycie fotosyntezy i inne procesy metaboliczne właściwe roślinom, algom, bakteriom i grzybom w celu wytworzenia chemikaliów o wyższej wartości.. Wykorzystanie biologiczne ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań w rozwoju produktów handlowych, w tym różnych biopaliw, chemikaliów i nawozów. Jednak wskaźniki wykorzystania biologicznego i skalowalność pozostaje wyzwaniem. Prace w tym kierunku dopiero dojrzewają do prezentacji technologii w skali demonstracyjnej.
Które z tych możliwości technologicznych są najbardziej obiecujące?
Wymienione obszary i kierunki technologiczne charakteryzują się tym, że mogą one stanowić ważne ogniwo gospodarki obiegu zamkniętego. Zużyty surowiec czy to mineralny, paliwowy czy też chemiczny w ostateczności wydziela dwutlenek węgla będący najstabilniejszą naturalną formą związku chemicznego powstającego w wyniku procesu utlenienia. W celu zamknięcia obiegu jest konieczny przede wszystkim odnawialny wodór, dostęp do odpowiednich surowców mineralnych i bioorganizmy konsumujące CO2. Wydaje się, że poziom wiedzy naukowej w obszarze reakcji syntezy wodoru z dwutlenkiem węgla jest największy spośród rozważanych jego zastosowań. Natomiast ciągle nie dysponujemy odpowiednią nadmiarową ilością energii odnawialnej umożliwiającej produkować duże ilości wodoru. W Polsce produkujemy obecnie ok. 1 mln ton wodoru/rok stosując gaz ziemny jako surowiec podstawowy. Jest to duża liczba, ale możliwa do osiągniecia poprzez wykorzystanie przyszłych zasobów OZE wiatrowego zbudowanego na morzu. Morska farma wiatrowa o mocy 12 GW pozwoliłaby na produkcję tej ilości wodoru. Zatem można oczekiwać, że ten kierunek będzie możliwy do realizacji w najbliższej przyszłości. Odpowiednie prace przygotowawcze wykonane już zostały w Grupie Tauron we współpracy z Instytutem Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, podejmując się rozwoju technologii produkcji SNG. Mineralizacja czyli nasycenie minerałów dwutlenkiem węgla jest także obiecującą technologią przyszłości. Niestety może ona mieć stosunkowo wąskie zastosowanie z uwagi na ograniczone zasoby jak i koszty przygotowania surowca alkaicznego zdolnego do wiązania CO2.
Co stoi na przeszkodzie w rozwoju tych technologii i co powinno być priorytetem w Polsce?
Pomimo dużej ilości przeprowadzonych badań podstawowych oraz pilotowych, jeśli chodzi o konwersję CO2 na bardziej wartościowe produkty, jest stosunkowo niewiele przykładów przemysłowo opłacalnych procesów. Wyzwania związane z konwersją CO2 dotyczą przede wszystkim jego stabilności kinetycznej i termodynamicznej. CO2 nie podlega przekształceniu w towarowe chemikalia lub paliwa bez znacznych nakładów energii i zawiera silne wiązania, które nie są szczególnie reaktywne. W konsekwencji wiele dostępnych przekształceń CO2 wymaga znacznych nakładów energetycznych. Wielkim wyzwaniem dla przekształcania strumienia CO2 w użyteczne produkty jest opracowanie procesów, które: wymagają minimalnych ilości energii nieodnawialnej, są konkurencyjne ekonomicznie i zapewniają znaczne redukcje emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z istniejącą technologią. Najbardziej rozwinięta jest technologia wytwarzania metanolu, która już obecnie stosuje w mieszaninie reakcyjnej ok. 30% CO2. Opracowane są już odpowiednie katalizatory i przeprowadzono już testy wielkoskalowe produkcji, w tym na Islandii, gdzie energia geotermalna zabezpiecza potrzeby energetyczne procesu. Podobnie przeprowadzono odpowiednie testy produkcyjne w skali pilotowej dla wytwarzania kwasu mrówkowego czy tez eteru dwumetylowego. Najbardziej interesująca jest jednak produkcja SNG z uwagi na możliwość bezpośredniego połączenia linii produkcyjnej z rurociągiem gazu ziemnego. Oczywiście wymaga to produkcji SNG o jakości stosowanej dla krajowego systemu gazowego. Rozważając w tym kontekście konieczne działania dla wdrożenia kierunku utylizacji dwutlenku węgla, czyli potraktowanie wychwyconego gazu jako surowca, wskazałbym przede wszystkim wykorzystanie dotychczasowych doświadczeń do budowy instalacji demonstracyjnej o skali przemysłowej dla produkcji SNG względnie metanolu. Układ taki winien być zintegrowany z dedykowaną morską farmą wiatrową o mocy np. 1 GW. Farma taka produkować może ok. 80000 t H2/rok. Pozwala to wytworzyć 420 000 t metanolu/rok, czyli tyle ile obecnie zużywamy w kraju. Jednocześnie zagospodarować można ponad 500 000 t CO2.