A legtisztább üzemanyag

Modern környezetvédelmi és gazdasági igényeknek egyaránt megfelelő üzemanyag-előállítási technológia fejleszthető ki egy olyan módszerből, amelyet az 1920-as években találtak fel. Míg a kőszén üzemanyaggá alakítása a lehető legrosszabb megoldás volna a szén-dioxid-kibocsátás szempontjából, addig biomassza és szén együttes felhasználásával a Fischer-Tropsch szintézis az egyik legtisztább módja lehet a gázolaj és kerozin pótlására megfelelő üzemanyag gyártásának.

Napkemence, a koncentrált napenergia (hőenergia) forrása a CR5 számára

A légkörben található üvegházhatású gázok mennyiségének növekedésével rendszeresen előtérbe kerülnek az ipar által okozott szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének módszerei, vagy éppen a gáz befogásának lehetőségei. Szó esik a hatékonyabb energiafelhasználásról és a fosszilis tüzelőanyagok helyettesítéséről is. Ám a tervekből többnyire kimarad egy igen fontos szén-dioxid-forrás, mégpedig a  közlekedés. E tényező jelentőségét jól mutatja, hogy például az Egyesült Államok szén-dioxid-kibocsátásának 30 százalékáért a közlekedés a felelős.

A világon a közlekedésben felhasznált üzemanyag-mennyiség körülbelül felét személyautókban égetjük el, a maradékot gázolaj és kerozin formájában teherautók, hajók, vonatok, repülőgépek hasznosítják. Előbbi felváltására több kutatás és már alkalmazott módszer is irányul, így például a hibrid-, a hidrogénnel hajtott vagy a bioetanolt felhasználó autók. Utóbbi azonban e módszerekkel nem helyettesíthető; így kerülhet előtérbe egy az 1920-as években kifejlesztett eljárás, amellyel szénből lehet üzemanyagot előállítani. Bár első ránézésre nem tűnik környezetkímélő megoldásnak, az elv továbbfejlesztésével már versenyképes eredményt lehet elérni.

Üzemanyag szénből és biomasszából

Bár a Fischer-Tropsch szintézist az 1920-as években fejlesztették ki Németországban, a módszer modern (környezetvédelmi, gazdasági) igényeknek megfelelő alkalmazására irányuló kutatások most élik reneszánszukat. Egyre növekszik ugyanis a folyékony üzemanyagra irányuló kereslet, így nemcsak a környezetvédelmi, de az új nyersanyag kutatási szempontok is előtérbe kerültek.

A Fischer-Tropsch módszer

A Fischer-Tropsch szintézis feltalálása két német mérnök, Franz Fischer és Hans Tropsch nevéhez fűződik. Módszerüket az 1920-as években fejlesztették ki, és később tökéletesítették, amikor a második világháború során a kőolajban szegény, ám szénben gazdag Németországnak nagy szüksége volt üzemanyagra.

A szintézis során körülbelül 150-300 Celsius-fokon egy katalizátor (leggyakrabban kobalt, vas vagy ruténium) segítségével több kémiai reakció zajlik le, így folyékony szénhidrogének állíthatóak elő. Eredetileg a folyamathoz hidrogén és szén-monoxid keverékére, úgynevezett szintézis gázra volt szükség, amelyből az alábbi reakcióval állítható elő folyékony szénhidrogén (amiből aztán további finomítással üzemanyag nyerhető): (2n+1)H₂ + nCO > C_nH_(2n+2) + nH₂O

Amennyiben szenet vagy biomasszát használnak, előbb gázosítani kell az anyagot, az alábbiak szerint, s csak ez után következhet be a fentebb bemutatott reakció: CH_x + H₂O > (1+0.5x)H₂ + CO
Bekövetkezik azonban még egy reakció, amelynek során szén-dioxid termelődik, amit végül el kell távolítani a rendszerből:
H₂O + CO > H₂ + CO₂

A Fischer-Tropsch szintézis felhasználása megfelelő alternatív megoldás lehet, részben mert a folyamatba egyszerűen beépíthető a szén-dioxid befogása, de beleépíthető a szén mellett a biomassza felhasználása is (a növények pedig a légkörből nyernek ki szén-dioxidot) - magyarázza Dan Schrag, a Harvard Egyetem Környezeti Központjának (Harvard University Center for the Environment) igazgatója a Nature Geoscience 2009. decemberi számában. Mivel a szén-dioxid befogása része a folyamatnak, a gázt csak tárolni kell, ami viszonylag alacsony költséggel megoldható (10-20 $/tonna egy nagy Fischer-Tropsch erőmű esetében). A gáz föld alatti tárolásának lehetőségére ma már számtalan kutatás és eredmény áll rendelkezésre, így ha megoldott az erőmű közelében a megfelelő geológiai tárolás, az erőmű által termelt szén-dioxid nem kerül be a légkörbe. Csak azzal, hogy a termelt gáz 80%-át befogják, 5-12%-kal jobb eredmények érhetőek el szén-dioxid-kibocsátás terén, mint a hagyományos, kőolajból történő előállítás során. Az eredmény azonban tovább javítható, mivel a Fischer-Tropsch folyamat során a gázosítás magas hőmérsékleten zajlik, így a szén mellett biomassza is használható. Kis erőművek esetében beszélhetünk teljes mértékben biomassza-felhasználáson alapuló üzemanyag-előállításról, nagyobbak esetében mindenképpen a szén és a biomassza megfelelő arányú "keverékét" kell használni. Tovább finomítható a folyamat új reaktortípusok kikísérletezésével (pl. membrán reaktor), valamint a használt katalizátor fejlesztésével. Ezeket mikroreaktorok segítségével kutatják például a Clausthal Műszaki Egyetem szakemberei (TU Clausthal, Institut für Chemische Verfahrenstechnik) is.

Eredményként egy olyan magas energiatartalmú, valamint kevés ként, higanyt, és nitrogén-oxidokat tartalmazó bioüzemanyag nyerhető, amely - a bioetanollal ellentétben - alkalmas a dízelolaj és a kerozin helyettesítésére is.

Üzemanyag kőolajból

Petróleumként először világításra használták a kőolajat, s a finomítás során keletkezett benzin csak melléktermékként jelentkezett. A belsőégésű motorok megjelenése aztán komoly keresletet indított meg, s az addig szinte értéktelen anyag igen hamar az egyik legfontosabb finomítási termék lett.

A kőolaj feldolgozása során üzemanyagot, tüzelőanyagot, kenőanyagot, illetve egyéb petrolkémiai termékeket állítanak elő. A finomításkor először ülepítést és gáztalanítást végeznek, majd frakcionált desztillációval nyerik ki a termékeket. E folyamat során a felmelegített anyagot egy frakcionáló oszlopba vezetik be, s a különböző forráspontú összetevők szétválaszthatóak lesznek.
Kőolajból előállított benzin esetében a szén-dioxid-kibocsátás 2,33 kg CO₂/liter benzin, a gázolaj esetében 2,77 kg CO₂/liter gázolaj, a nyers kőolaj esetében pedig 317 kg CO₂/hordó kőolaj.

A Fischer-Tropsch módszeren alapuló erőművek jelene és jövője

Ma még nem üzemel olyan erőmű, ahol a harvardi kutató által javasolt összes lehetőséget kiaknáznák. Olyan területeken azonban, ahol rendelkezésre áll megfelelő mennyiségű kőszén, biomassza, valamint van lehetőség a befogott szén-dioxid föld alatti tárolására is, igen jó távlatok nyílhatnának nagyobb üzemek telepítésére is. A dél-afrikai Sasol például viszonylagosan tiszta üzemanyagot készít gázból folyékony szénhidrogén (ún. gas-to-liquid, GtL módszer), illetve szénből folyékony szénhidrogén (ún. coal-to liquid, CtL módszer) előállításával. A cég nemcsak alacsony kéntartalmú szintetikus dízelolajat, de egyéb kémiai termékeket is előállít a Fischer-Tropsch módszer segítségével.

A Choren úgynevezett Beta-erőműve. Az előtérben álló Volkswagen gépkocsi a cég által BtL módszerrel előállított üzemanyagot, a SunDieselt használja

Teljes egészében biomassza gázosításából állítja elő a német Choren cég a folyékony szénhidrogént (ún. biomass-to-liquit, BtL módszer), míg szerves hulladékból készítenének szintézisgázt, majd pedig tiszta üzemanyagot a kaliforniai Rialtóban. Előbbi freibergi üzeme az első olyan, BtL-módszert alkalmazó egység, amely kereskedelmi célokra is fog üzemanyagot gyártani, az utóbbi a Rentech cég beruházásában készülő központja, amelyet a tervek szerint 2012-ben adnak át. Mindkét helyszínen kis erőművekről beszélhetünk (másképp logisztikailag nem is lenne lehetséges csak BtL-módszer használata), ezért a termelt igen kis mennyiségű szén-dioxidot nem tárolják föld alatti tárolókban.

Üzemanyag-előállítás szén-dioxidból

Jelenleg is kísérleteznek olyan módszerek kidolgozásával, amelyek segítségével akár szén-dioxidból is elő lehetne állítani üzemanyagot. A Sandia Laboratórium (Sandia National Laboratories) Napfényből üzemanyagot projektje (Sunshine to Petrol, S2P) keretében például koncentrált napenergiát felhasználva állítanak elő szén-dioxidból szén-monoxidot, illetve vízből hidrogént és oxigént. A műszer prototípusát is elkészítették (CR5), s ha beépítik egy S2P rendszerbe, végtermékként szintetikus folyékony szénhidrogén (így akár metanol, gázolaj vagy kerozin) állítható elő.

Kiss Gabriella