Atklājumi.lv

“Mākslīgās lapas” tehnoloģijas paver ceļu no atjaunojamiem resursiem iegūtas šķidrās degvielas ražošanai

Neatkarīgi no klimata izmaiņu patiesajiem cēloņiem (ģeofizikāli vai antropogēni) un rakstura (parasta variācija jeb nebijusi krīze), kā arī fosilo degvielu izmantošanas (CO2 emisiju) reālās ietekmes uz globālajām klimatiskajām norisēm, atjaunojamās enerģijas ieguve ir un būs viens no tuvākās nākotnes nozīmīgākajiem zinātniski tehnoloģiskajiem uzdevumiem. Mums, piemēram, būtu gan ģeopolitiski, gan tautsaimnieciski ļoti izdevīgi, ja Latvija varētu ekonomiski izdevīgā veidā aizvietot lielākoties no Krievijas importētos naftas produktus ar cita veida no atjaunojamiem resursiem iegūtām degvielām, kas radītas šeit uz vietas. Atslēgas vārds ir ekonomiski izdevīgs veids, jo dārgas subsidējamas enerģijas (jauna veida OIKi) vai arī mazu un vidēju ienākumu saņēmējiem cenas ziņā nenopērkamas automašīnas, kā elektromobīļi, nevis glābs planētu no ekoloģiskas katastrofas, bet utopisku saukļu un nesasniedzamu mērķu (3.pasaules valstīm turpinot līdzšinējo lielmēroga vides piesārņošanas politiku, nekādi Rietumvalstu upuri pilnīgi neko nemainīs globālā mērogā) vārdā ievērojami pazeminās jau tā zemo Latvijas iedzīvotāju ienākumu līmeni, palielinās sociālo nestabilitāti, mazinās ražotāju konkurētspēju un izraisīs ekonomikas lejupslīdi un stagnāciju. Tāpēc ekonomiski izdevīgas (!) no atjaunojamiem resursiem iegūtas enerģijas un degvielas ražošanas priekšnoteikumu (infrastruktūra, zinātnieki, studiju programmas) veidošanai vajadzētu būt vienai no valsts zinātnes politikas prioritātēm. Šī nav joma, kas prasa Latvijas budžeta iespējām nesamērojami dārgu iekārtu un laboratoriju būvi, kas, piemēram, būtu vajadzīga kodolfizikas pētījumiem, bet gan mērķtiecīgu jau esošo resursu – ķīmijas, bioloģijas (bioķīmijas), fizikas un inženierzinātņu zinātniskās un materiāli-tehniskās bāzes – apvienošanu, attīstību un pilnveidošanu, šim nolūkam piesaistot arī vietējos ražotājus, kuri varētu būt ieinteresēti zināšanu pārnesē un savā uzņēmējdarbībā noderīgu tehnoloģiju izstrādē vietējos izglītības un pētniecības centros. Par to, ko arī mēs, iespējams, būtu varējuši sasniegt, ja iepriekšminētais būtu laikus darīts, liecina citu valstu pētnieku nesen publicētie jaunākie sasniegumi. 

Oglekļa ziņā neitrāla sintētiskā gāze no Saules gaismas

Kembridžas universitātes pētnieki 2019.g. oktobrī žurnālā “Nature Materials” publicējuši rakstu, kurā ziņo par sintētiskās gāzes jeb singāzes ieguvi no ūdens un CO2, izmantojot kobalta katalizatoru apvienojumā ar no kalcija titāna oksīda (perovskīta) minerāla un bismuta vanadāta (BiVO4) izgatavotiem gaismu absorbējošiem fotoelementiem.

Pētnieku izgatavotā ierīce ir viens no tā sauktās “mākslīgās lapas” tehnoloģijas risinājumiem, kuru mērķis – ar mehāniskiem līdzekļiem panākt dabiskajam fotosintēzes procesam atbilstošu procesu, kurā tiek iegūta ķīmiskā enerģija, izmantojot tikai Saules gaismu, oglekļa dioksīdu un ūdeni. Šajā gadījumā iegūtais produkts ir oglekļa ziņā neitrāla (ieguves procesā netiek radīti jauni CO2 izmeši) singāze, kuru var tālāk pārveidot par šķidro degvielu. Sintētiskās gāzes plaši tiek izmantotas dažādu produktu ražošanā – no tām izgatavo sintētiskās šķidrās degvielas, plastmasas, farmaceitiskās vielas, mākslīgos mēslus utml. Taču līdz šim izmantotajos rūpnieciskajos singāzes ieguves procesos neatņemams blakusprodukts ir bijis CO2, kas izdalās to norisei nepieciešamās enerģijas (procesi notiek augstā temperatūrā un vairāku atmosfēru spiediena apstākļos) saražošanā.

Kembridžas pētnieku uzbūvētajā ierīcē process turpretī notiek Saules gaismā, kuru absorbē istabas temperatūrā Ph neitrālā ūdenī iegremdēti, ar kobalta porfirīna katalizatoriem savienoti perovskīta-bismuta fotoelementi. To elektriskā efektivitāte izrādījusies lielāka nekā parasti izmantotajiem silīcija vai gaismas jutīgas krāsas fotoelementiem. Savukārt kobalta katalizatori ir ievērojami lētāki nekā līdzīgām vajadzībām parasti izmantotie sudraba vai platīna katalizatori. Elektriskais lādiņš uz katalizatora virsmas ierosina CO2 molekulu reducēšanos par CO un ūdeņraža molekulām, veidojot singāzes maisījumu. Pētījumā noskaidrots, ka ierīce spēj darboties arī mazintensīvas Saules gaismas apstākļos, kas šo tehnoloģiju ļautu vienkārši izmantot arī vēsākās un tālāk uz ziemeļiem novietotās zemeslodes teritorijās.

Pētījuma vadītājs, Kembridžas universitātes Ķīmijas fakultātes profesors Ervīns Reisners, kurš pie šī projekta strādājis septiņus gadus, norāda, ka neskatoties uz zināmajiem sasniegumiem vēja un Saules enerģijas ieguves jomā, ar šādi saražotiem energoresursiem vēl ilgi nevarēs nodrošināt, ne kopējo globālo enerģijas patēriņu (elektrība sedz tikai 25% no pasaules enerģijas pieprasījuma), ne arī tie varēs nodrošināt uzticamu alternatīvu šķidrajām degvielām smagā transporta, aviācijas un kuģniecības nozarēs. Tāpēc sintētisko šķidro degvielu ražošanai ir un būs ievērojama loma tautsaimniecības vajadzību nodrošināšanā. Jautājums tikai – cik ilgs laiks būs vajadzīgs industriāli tehnoloģiskajai pārejai, lai tagadējos energoietilpīgos, sarežģītos un piesārņojošas vielas radošos šķidro degvielu ieguves procesus aizvietotu ar analogiem, kas būtu gan videi draudzīgi, gan ekonomiski izdevīgi...

Lūkojoties šajā virzienā, kā nākamo mērķi līdzās jau izgatavotās singāzes ražošanas iekārtas prototipa uzlabošanai Kembridžas ķīmiķu komanda sev ir izvirzījusi uzdevumu izstrādāt tehnoloģiju, kas varētu saražot videi draudzīgu, benzīnam un dīzeļdegvielai atbilstošu sintētisko šķidro degvielu. “Singāze jau tiek izmantota kā izejviela dažādu šķidro degvielu ražošanā, bet tas, ko mēs gribam,” stāsta Reisners, “ir izdarīt to vienā tehnoloģiskā solī – iegūt šķidro degvielu uzreiz no oglekļa dioksīda un ūdens.” Kā kandidātvielu šādai degvielai Reisners nosauc etanolu, kas, to piejaucot benzīnam, jau sen (piem. Latvijas brīvvalsts laika “Latols”) tiek izmantots iekšdedzes dzinēju darbināšanai. Profesors saka, ka viņš ir pārliecināts, ja jau tuvākajā nākotnē viņiem izdosies šādas iekārtas prototipu uzbūvēt. Un viņš noteikti zina, ko saka, jo konkurentiem kaut kas līdzīgs jau ir izdevies...

Gaismas ietekmē vara oksīda katalizators no CO2 sintezē metanolu

Žurnāla “Nature Energy” 2019.g. 4.novembra numurā publicēts Vaterlo universitātes (Kanāda) inženierzinātņu profesora Yimin Wu vadītās pētnieku komandas raksts. Kanādiešu zinātnieku izstrādātā tehnoloģija ir cita veida “mākslīgās lapas” modeļa realizācija.

Viņu uzbūvētajā ierīcē notiekošā, fotosintēzi imitējošā procesa centrālais elements ir no īpašām daudzstūrainām daļiņām sastāvošs vara oksīda pulveris, kas tiek izgatavots sajaucot un karsējot ūdenī četras sastāvdaļas: glikozi, vara acetātu, nātrija hidroksīdu un nātrija dodecilsulfātu. Šis pulveris tālāk tiek izmantots kā katalizators ķīmiskai reakcijai, kura notiek, to ieberot ūdenī, pievienojot oglekļa dioksīdu un iegūto maisījumu aktivizējot ar Saules simulatorā iegūtu baltās gaismas staru. Rezultātā izdalās skābeklis, bet oglekļa dioksīds sadalās un, apvienojumā ar citām sķīdumā esošām vielām, savienojas metanolā, kas tautas valodā pazīstams kā “koka spirts”. Ūdenī izšķīdušo metanolu savāc, kad tas, šķīdumu karsējot, izgaro.

Salīdzinot abu projektu mērķproduktus, jāatzīmē, ka iekšdedzes un cita veida dzinēju degvielai ir noderīgs, gan britu iecerētais “mākslīgās lapas” sintēzes produkts etanols, gan arī kanādiešu iegūtais metanols. Metanols tostarp ir industriāli lētāk iegūstams, taču toksiskāks un ar mazāku enerģētisko blīvumu, līdz ar to retāk izmantots kā degviela nekā etanols.

***

Kā britu, tā kanādiešu izstrādes, lai arī interesantas, inovatīvas un daudzsološas, saprotams, šobrīd vēl ne tuvu nav komercializētas un nav arī skaidrs, kāds būs vai varētu būt tieši šo projektu patiesais komercializācijas potenciāls (industriālā veidā iegūtas degvielas pašizmaksa, salīdzinot ar citiem šķidrās degvielas sintēzes veidiem) – katra zinātnieku komanda savu ierīces prototipu mediju relīzēs mēģina pasniegt kā unikālu, no kopējā zinātnes un tehnoloģiju attīstības procesa atrautu sasniegumu un potenciālu teju vienīgo glābiņu no antropogēnu faktoru izraisītas klimata krīzes. Tomēr līdzīgi pētījumi atjaunojamo enerģiju, tostarp “mākslīgās lapas” jomā jau ilgstoši un gana nopietnā līmenī notiek lielā daļā pasaules zinātnes centru un akadēmiskajos žurnālos publicētie raksti gan par dažādu katalizatoru un fotoelementu meklējumiem un izstrādēm, gan par citām saistītām tēmam skaitāmi simtos, ja ne tūkstošos... Līdz ar to nav šaubu, ka Kembridžas un Vaterlo universitāšu projektiem drīz radīsies vēl citi konkurenti, kuri būs uzbūvējuši savas eksperimentālās oglekļa ziņā neitrālas enerģijas/degvielas ieguves iekārtas un, iespējams, būs atraduši kādu efektīvāku katalizatoru vai citu veidu, kā panākt vai nu lielākus efektivitātes rādītājus, vai samazināt sintēzei nepieciešamo procesa sastāvdaļu izmaksas. Taču, neskatoties uz konkurences cīņas iespējamajiem iznākumiem atsevišķu projektu komerciālās nākotnes kontekstā, ieguvējas ir visas valstis, kuras attīsta šādas zinātniski-pētnieciskas programmas. Šo valstu zinātnieki gūst pieredzi un sadarbībā ar vietējām degvielas ražotāju kompānijām veido industriālo bāzi nākotnes degvielas ražošanai, kas būs nepieciešama valsts tautsaimniecības vajadzību nodrošinājumam. Žēl vienīgi, ka sava līdzvērtīga projekta nebūs Latvijas zinātniekiem un Latvija arī pēc 20 gadiem būs nevis ekonomiski izdevīgas šķidrās degvielas ražotājs, bet importētājs...

Avoti:

Andrei, V., Reuillard, B. & Reisner, E. Bias-free solar syngas production by integrating a molecular cobalt catalyst with perovskite–BiVO4 tandems. Nat. Mater. (2019) doi:10.1038/s41563-019-0501-6

Yimin A. Wu, et al. Facet-dependent active sites of a single Cu2O particle photocatalyst for CO2 reduction to methanol. Nature Energy, 2019; DOI: 10.1038/s41560-019-0490-3 

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.