O echipă de ingineri din SUA a creat o instalaţie de producţie a gazului natural din apă, CO2 şi energie regenerabilă, cu un randament excepţional datorită microbilor

Gazul natural, adică metanul, e una din cele mai răspândite şi intens folosite surse fosile de energie, dar extragerea acestuia din pământ şi arderea generează emisii CO2 nedorite. Însă gazul metan are formula CH4, şi exact ca şi alte hidrocarburi, poate fi generat sintetic, într-un mod ce implică un principiu similar cu producţia de amoniac sau metanol, spre exemplu, despre care vorbeam acum câteva zile. Aceste reacţii chimice sunt deja folosite în procese industriale mari, în special în rafinării, în ceea ce numim metanare, doar că acolo scopul ei e unul de purificare a compuşilor în procesul producţiei carburanţilor. Teoretic, însă, dacă foloseşte energie din surse regenerabile, CO2-ul captat din aer şi apă, atunci gazul metan poate fi produs sintetic cu zero impact CO2 la final, întrucât la arderea finală va emite exact acelaşi CO2 captat la producţie. Doar că şi acest proces poate avea randament variabil, iar acum o echipă de ingineri din SUA a creat o instalaţie de producţie a gazului metan din energie regenerabilă, CO2 şi apă, cu un randament excepţional, datorită folosirii microbilor.

Foto: Noua instalaţie de producţie a metanului

În Europa, Finlanda e liderul în iniţiativele de producţie sintetică a metanului, şi ţara nordică e în plin proces de construcţie a mai multor fabrici pentru producţia de metan. Finlandezii nu folosesc microbii în metodica lor, mergând pe o cale industrială mai clasică, dar ca lucrurile să funcţioneze practic, şi ei au avut nevoie de soluţii ultra inteligente, geniale chiar, care ne pot face să înţelegem mai bine cu ce se distinge tehnologia despre care vorbim azi.

Ca principiu general, metanul e produs printr-o reacţie chimică numită reacţia Sabatier, unde dioxidul de carbon reacţionează cu atomii de hidrogen pentru a forma metanul şi apa.

Această reacţie e puternic exotermă, eliberând circa 164 kJ/mol de energie, sub formă de căldură. Reacţia are nevoie de temperaturi cuprinse între 250 °C şi 450°C, cu o presiune mai mare decât cea atmosferică, până la 30-80 bari, pentru a derula stabil, dar căldura generată în mediul unui asemenea reactor trebuie gestionată corect pentru a asigura stabilitatea reacţiei. Acea căldură vine efectiv din energia imensă stocată în hidrogen. În mod normal, randamentul reacţiei Sabatier e cuprins între 80 şi 83%, în funcţie de construcţia reactorului şi presiunea reacţiei, ceea ce înseamnă că o asemenea proporţie de energie conţinută iniţial în hidrogen ajunge stocată în gazul metan format, restul pierzându-se în căldură.

Uitându-ne la compuşii care intră în această reacţie, vedem că e nevoie de hidrogen pur şi de CO2 pur. Pentru ca tot efortul să poată fi considerat unul regenerabil, e nevoie ca hidrogenul să fie produs din energie regenerabilă, prin electroliza apei, într-un mod relativ cunoscut, unde, condiţii industriale, cele mai eficiente instalaţii consumă 52,5 kWh de electricitate pentru a produce 1 kg de hidrogen. Pentru a obţine CO2-ul, acesta ar putea fi captat din aer şi filtrat, dar procesul de extragere directă din aer e relativ energofag şi deocamdată multe proiecte preferă să-l capteze mai uşor la sursă. Finlandezii au decis să capteze CO2-ul de la centralele de încălzire centralizată, care ard gunoiul pentru a încălzi oraşele. Acel CO2 e considerat verde în multe ţări, deci se încadrează în standardele dorite.

Odată ce CO2-ul e obţinut de la o sursă responsabilă de încălzire centralizată, finlandezii au fost geniali în a folosi căldura degajată apoi la reacţia Sabatier, returnând acea căldură înapoi la centrală şi folosind-o la încălzirea centralizată, evitând astfel pierdere într-o formă super utilă.

Foto: Principiul de funcţionare în cazul finlandezilor

În cazul finlandezilor, dintr-un kg de hidrogen la nivel industrial cu reactoare ei produc 2 kg de metan, ceea ce înseamnă cam 3 metri cubi de gaz. Finlandezii au reuşit să obţină o reacţie cu randament de peste 90-93%, iar majoritatea pierderilor le captează şi le folosesc util, tocmai de asta spunem despre ei că abordarea lor e de-a dreptul genială.

Foto: Reactorul de metanare folosit de finlandezi

Dar instalaţia despre care vorbim azi, a inginerilor americani de la Universitatea din Pennsylvania nu aplică un reactor tipic, catalitic, care să deruleze reacţia Sabatier la temperaturile menţionate mai sus, de 250-400°C.

Ca şi mai sus, procesul are nevoie de CO2 pur, pe de o parte, şi de hidrogen curat pe de altă parte, care trebuie produs prin acelaşi mod cunoscut, prin electroliză a apei, folosind electricitate din surse regenerabile. Doar că acest proces de producţie a hidrogenul a fost direct integrat într-un reactor de tip nou, care să folosească apoi microorganisme, cunoscute ca metanogeni, pentru a produce metanul. E o cale relativ cunoscută printre oamenii de ştiinţă, doar că întotdeauna experimentele de laborator arătau randament bun, dar când se trecea la sară mare industrială, randamentul se pierde pe multiple căi, care făceau ideea puţin viabilă. Acum inginerii au reuşit să construiască o instalaţie de scară mare şi să atingă randamentul dorit cu ea.

Membrana existentă de obicei într-o instalaţie de producţie a hidrogenului a fost aici ataşată de o altă membrană ce conţine aceste microorganisme, atât de aproape plasată, încă există zero spaţii neutilizate. Practic, această abordare cu toleranţe minime a permis să se rezolve problemele anterioare, când la scară mare microorganismele nu reuşeau să capteze tot hidrogenul format şi randamentul scădea, mai ales la suprafeţe mai mari. Aici, însă, bio membrana e atât de apropiată de sursa de hidrogen, încât microorganismele preiau direct atomii de hidrogen şi-i consumă imediat, cu un randament excepţional de conversie de 95%.

Aceşti microbi folosesc hidrogenul în procesarea proprie, în câteva trepte, pe bază de enzime, iar în final microbii emană metanul pur. Acest proces organic al microorganismelor e prezent parţial şi în procesele de fermentare, în reactoarele de generare a biogazului din masă vegetală, doar că acolo este sunt active doar la etapa finală a procesului. Aici, prezenţa lor e mult mai controlată industrial, folosindu-se această capacitate selectivă de procesare naturală în avantajul producţiei de metan. Iar marea diferenţă e că nu mai e nevoie de temperaturile mari de 250-400 °C, totul având loc la temperaturi cuprinse în 30 şi 70 °C. Iar asta înseamnă mai puţine pierderi prin căldură a reacţiei şi un proces mult mai simplificat de a produce metanul, fără controlul crucial al marilor temperaturi din procesele clasice.

Există şi dezavantaje în noua tehnologie, în mare parte din viteza de procesare. Datorită temperaturilor mari şi presiunii controlate, reactoarele catalitice cu reacţia Sabatier pot produce cantităţi mari de metan raportate la dimensiunea şi volumul lor. La noua instalaţie, producţia raportată la volumul şi dimensiunea lor e mult mai mică. În schimb, dacă reactoarele catalitice au nevoie de funcţionare continuă, din cauza temperaturilor şi presiunii, noua elaborare poate funcţiona mult mai simplu în regim intermitent, iar americanii o văd sub forma unor instalaţii direct ataşate parcurilor fotovoltaice sau eoliene, în care produsul final al acestora nu e electricitatea, ci gazul metanul, stocat în rezervoare şi apoi transportat cu uşurinţă la destinaţie şi folosit inclusiv în aplicaţii ce implică şi combustia acelui metan, precum motoarele navale, generatoare, centrale termice şi electrice, şi altele.

Desigur, pierderile de randament energetic pe întreg ciclul sunt mari în mare parte din cauza proceselor de producţie a hidrogenului şi apoi din cauza randamentului de combustie a gazului, dar americanii văd tehnologia ca una preţioasă mai ales acolo unde e nevoie de gaz ca produs finit, în aplicaţii industriale, centrale termice şi altele. Astfel, ar putea fi decarbonizată producţia de energie termică pentru încălzirea oraşelor, sau producţia industrială foarte energofagă termic, precum cea a oţelului şi altor aliaje.