Dokument "Wychwytywanie i utylizacja dwutlenku węgla w zielonej gospodarce: wykorzystanie CO₂ do produkcji paliw, chemikaliów i innych materiałów" to pierwsze, wszechstronne opracowanie o wychwytywaniu i utylizacji dwutlenku węgla (carbon capture and utilisation – CCU). Według autorów raportu wykorzystanie go do produkcji innych substancji, np. materiałów budowlanych, paliw czy chemikaliów, zmniejszy jego emisję do atmosfery, a tym samym pomoże chronić klimat.

Eksperci z uniwersytetu w Sheffield oraz holenderskiego Centrum Badań nad Energią (Energy Research Centre of the Netherlands – ECN) prezentują kilkanaście sposobów na ponowne wykorzystanie tego gazu. Technologie CCU rozwijane są przez kilka zaledwie państw, przede wszystkim przez Stany Zjednoczone, Niemcy i Australię. Wszystkie jak na razie są w fazie badań, każda jest na innym etapie rozwoju. Poniżej przedstawiamy kilka pomysłów, które być może za kilka lat zaczną odgrywać kluczową rolę w budowaniu gospodarki niskoemisyjnej.

Uprawa alg na biopaliwa i nie tylko

Jednym z najbardziej rozwiniętych sposobów bezpośredniej utylizacji skoncentrowanego CO₂ emitowanego przez elektrownie węglowe i gazowe jest uprawa alg. Glony do wzrostu potrzebują dwutlenku węgla, pochłaniając go uwalniają tlen. Ponadto, mogą rosnąć w zanieczyszczonej wodzie, w tym ściekach, które przy okazji oczyszczają. Tona glonów może zaabsorbować aż od 1,5 tony do 3 ton dwutlenku węgla. Aby tak się działo, niezbędna jest odpowiednia ilość światła.

Maksymalna ilość wyprodukowanej z alg biomasy zależy od dostępu do promieniowania słonecznego, dzięki któremu zachodzi proces fotosyntezy. Obliczono, że na północ od równoleżnika 53^oN (np. północna Polska, Niemcy, cała Wielka Brytania i kraje skandynawskie) w optymalnych warunkach na jednym hektarze w ciągu roku teoretycznie można by uzyskiwać 208 ton suchej biomasy. W praktyce jednak liczby te są o wiele mniejsze. W jednej z już istniejących holenderskich otwartych upraw rocznie wytwarza się zaledwie 26-35 ton z hektara. W cieplejszym klimacie spodziewane są zbiory w wysokości 50-60 ton rocznie z hektara.

Koszty uzyskania jednej tony biomasy to ok. 5-6 tys. dolarów. Przewiduje się, że po upowszechnieniu technologii i dzięki optymalizacji kosztów będzie to jedynie 680 dolarów. Za tonę alg wytworzonych w Stanach Zjednoczonych można natomiast otrzymać 5-11 tys. dolarów, w Chinach – 3,75-7 tys. dolarów.

Oprócz Chin i Stanów Zjednoczonych, które są już zaangażowane w rozwój tego sposobu wykorzystania CO₂, krajem szczególnie predysponowanym do uprawy alg jest Australia. Każde z tych państw ma spore obszary, które można by przeznaczyć na farmy. Jednakże obecnie łącznie na całym świecie z glonów produkuje się bardzo mało suchej biomasy – jedynie 10 tys. ton rocznie. Być może jest tak dlatego, że o algach myśli się głównie jako o surowcu do produkcji biopaliw. Tymczasem to nie wszystko, co można uzyskać z alg napędzanych dwutlenkiem węgla.

Poza branżą paliwową odbiorcami produktów farm glonów może być przemysł chemiczny, kosmetyczny czy nawet spożywczy. Mogą one bowiem wytwarzać jedzenie oraz karmy dla zwierząt, dodatki do produktów spożywczych, leki, kosmetyki i nawozy. Algi mogą też służyć jako źródło białek oraz wielu innych substancji chemicznych wykorzystywanych w przemyśle. Niestety technologie to umożliwiające są dopiero rozwijane i jeszcze niegotowe do wprowadzenia na masową skalę.

Ten sposób ograniczania emisji gazów cieplarnianych ma też słabe strony. Do uprawy przemysłowej nie nadają się wszystkie gatunki alg. Ze względu na to, że uprawa odbywa się w otwartych zbiornikach, trudno jest również dokładnie kontrolować proces wzrostu glonów. Do tego dochodzi problem z dostarczeniem glonom CO₂: jeśli jego źródło będzie znacznie oddalone od odpowiednich zbiorników wodnych, transport gazu może okazać się nieopłacalny. Większe nadzieje wiąże się z sztucznymi zbiornikami, budowanymi w pobliżu elektrowni specjalnie w celu uprawy alg utylizujących ten związek węgla.

Dwutlenek węgla uwięziony w skałach

Szeroko omawianym w raporcie procesem jest karbonatyzacja mineralna. Oprócz tradycyjnego wychwytywania i składowania dwutlenku węgla w formacjach skalnych (CCS) rozważa się przekształcanie tego gazu w węglan wapnia lub magnezu i magazynowanie go w tych postaciach. Możliwe jest to dzięki zachodzącym także w naturze reakcjom: CaO + CO₂ <-> CaCO₃ oraz MgO + CO₂ <-> MgCO₃. Naturalna karbonatyzacja przebiega jednak bardzo powoli. Kluczowym wyzwaniem dla dużych przemysłowych instalacji mineralizacji CO₂ będzie przyspieszenie tego procesu przy pomocy ciepła, ciśnienia oraz mechanicznej i chemicznej obróbki wstępnej minerałów.

Karbonatyzacja może być alternatywą dla długoterminowego geologicznego składowania CO₂, szczególnie w regionach, gdzie nie jest ono możliwe. Efekt końcowy – węglany wapnia i magnezu są słabo rozpuszczalne w wodzie i są nieszkodliwymi dla środowiska składnikami mineralnymi, które gwarantują trwałe unieszkodliweienie CO₂, bez konieczności monitorowania złoża. Dwutlenek węgla zostaje przekształcony w zupełnie inną substancję i niemożliwe jest jego wydostanie się z powrotem na powierzchnię ziemi. Wszystko to czyni karbonatyzację procesem bardziej atrakcyjnym niż tradycyjne CCS.

Teoretycznie metoda ta ma ogromny potencjał łagodzenia zmian klimatycznych – szacuje się, że dzięki związkom magnezu i wapnia, zarówno złożom naturalnym, jak i substancjom odzyskanym z odpadów przemysłowych, można by zmagazynować całe CO₂, które powstałoby podczas spalania wszystkich złóż paliw kopalnych na Ziemi.

Mineralizacja ma też oczywiście pewne wady. Do jej przeprowadzenia niezbędne są duże ilości minerałów, które trzeba przetransportować z obszaru ich wydobycia do miejsca składowania CO₂. Ponadto, aby zutylizować jedną tonę dwutlenku węgla (powstałego ze spalenia ok. 300 kg węgla), potrzebne będzie aż od 1,6 do 3,7 ton skał. Koniecznie więc będą intensywne działania górnicze, które nie pozostaną bez wpływu na środowisko. Istnieje również ryzyko, że w złożach kopalnych obecny będzie azbest, który trzeba będzie unieszkodliwić.

Przewiduje się, że całkowite koszty wychwytywania CO₂ i karbonatyzacji mineralnej wyniosą ponad 150 euro za tonę unikniętej emisji. W przypadku spalania płynnego gazu koszty maleją – nie jest bowiem koniecznie wyłapywanie dwutlenku węgla – i szacuje się, że będzie to 60-100 euro za tonę.

Dostarczanie substratów dla przemysłu

Brytyjscy i holenderscy naukowcy zwrócili uwagę, że CO₂ można utylizować nie tylko przy pomocy alg czy też poprzez wiązanie go na dłuższy czas w skałach pod ziemią. Dwutlenek węgla można przekształcić w związki chemiczne, które można później dalej wykorzystywać.

Wspomniane wcześniej węglany wapnia i magnezu uzyskuje się w procesie karboksylacji, czyli przyłączeniu cząsteczki CO₂ do innej. W procesie tym nie są wytwarzane żadne produkty uboczne, co jest niewątpliwą jego zaletą. Rozwój technologii umożliwi pozyskiwanie w ten sposób substancji pożądanych w przemyśle, wśród nich węglanu wapnia na szkło, cement lub kredę szkolną czy też w celu wyrobu papieru lub odtlenienia żelaza.

Rezultatem innej reakcji z udziałem utylizowanego gazu mogą być karbaminiany. Są one wykorzystywane do syntezie izocyjanianów, które z kolei biorą udział w produkcji poliuretanów. Polimery, w tam także poliuretany, można wytwarzać również bezpośrednio z CO₂.

Z dwutlenku węgla (i amoniaku) uzyskać można także kluczowy składnik nawozów, mocznik. Technologia jego produkcji jest dobrze rozwinięta, lecz niestety rynek jest już nasycony. Wadą tego procesu jest też to, że wymaga sporej ilości energii. Ponadto chemiczne użyźnianie postrzegane jako główna przyczyna emisji w rolnictwie i niekoniecznie akurat ten sposób ponownego wykorzystania gazu szklarniowego może być uważany za proklimatyczny.

Innymi substancjami, które można z niego uzyskać są: metanol, kwas mrówkowy, kwasy karboksylowe, metan oraz inne węglowodory. Utylizacja dwutlenku węgla stwarza wiele możliwości, gwarantuje to zainteresowanie niejednej gałęzi przemysłu oraz rynek zbytu, a jednocześnie, dzięki usuwaniu gazu z obiegu, stanowi szansę dla klimatu.

Na obecnym etapie rozwoju szacuje się, że sam przemysł chemiczny będzie mógł zutylizować od 1 do 7% wyemitowanego CO₂, a 10% tego gazu może być wykorzystane przy produkcji paliw. A to na pewno nie wszystkie szanse, jakie dają technologie CCU i nie ostateczne obliczenia, gdyż badania nad ponownym wykorzystaniem dwutlenku węgla dopiero niedawno się rozpoczęły. Oby tylko nie zostały przedwcześnie zarzucone. Międzynarodowa Agencja Energetyczna 22 września 2011 r., po spotkaniu przedstawicieli rządów zainteresowanych rozwojem CCS w Pekinie, ostrzegła, że być może przegapiliśmy najlepszy moment na rozwój technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla. Światowy kryzys finansowy nie sprzyja bowiem nowym inwestycjom. Utylizację CO₂ niestety może czekać ten sam los: mniej pieniędzy na badania i inwestycje, a wskutek tego być może nawet ich zamrożenie na wiele lat.

Więcej informacji o technologiach CCU można znaleźć w raporcie „Wychwytywanie i utylizacja dwutlenku węgla w zielonej gospodarce: wykorzystanie CO₂ do produkcji paliw, chemikaliów i innych materiałów" (w jęz. angielskim), dostępnym na stronie: www.lowcarbonfutures.org/news/post/62-carbon-capture-and-utilisation-in-the-green-economy-policy-brief-released.

Urszula Drabińska, ChronmyKlimat.pl

Redakcja ChronmyKlimat.pl zezwala na przedruk tego artykułu, pod warunkiem podania źródła tekstu i zamieszczenia linku do portalu lub podlinkowanego logotypu.