Rządy chcą dochodów podatkowych. Kierowcy chcą tanich kilometrów. Wynik? Paniczny wyścig w poszukiwaniu źródła energii innego niż benzyna. Przez lata branża oscylowała między szumem a pustymi obietnicami. Wodór? Wciąż czekamy na infrastrukturę. Gęstość baterii? Jest poprawa, ale powoli. Jednak najnowszym konkurentem nie jest nowy pierwiastek ani złożony związek chemiczny. To jest właśnie ta substancja, której staramy się pozbyć. Dwutlenek węgla.
Czy naprawdę możemy zamienić spaliny w energię?
Brzmi to jak science fiction lub alchemia. Weź gaz cieplarniany, który ogrzewa planetę, rozbierz go i złóż z powrotem w paliwo płynne. Obecnie kilka firm konkuruje ze sobą, aby paliwo CO2 stało się rzeczywistością komercyjną. Już nie tylko o tym rozmawiają. Tworzą projekty pilotażowe. Logika jest uwodzicielska. Jeśli uda Ci się wychwycić węgiel emitowany przez jeden silnik i zamienić go w paliwo dla innego, stworzysz zamkniętą pętlę. Zasadniczo gospodarka węglowa o obiegu zamkniętym. Nie ma potrzeby wierceń w poszukiwaniu nowych złóż paliw kopalnych. Po prostu poddaj recyklingowi.
Ale diabeł tkwi w chemii. I w ekonomii.
Koszt energetyczny zamiany powietrza w paliwo
Proces ten zwykle polega na wychwytywaniu CO2 z emisji przemysłowych lub nawet bezpośrednio z atmosfery. Następnie potrzebujesz wodoru. Nie byle jaki wodór, ale wodór ekologiczny – wytwarzany w procesie elektrolizy przy użyciu energii odnawialnej. Łączysz CO2 i H2 pod wysokim ciśnieniem i temperaturą przy użyciu specjalistycznych katalizatorów. Wynik? Paliwa syntetyczne, często nazywane e-paliwami lub technologią Power-to-Liquid (PtL).
Sztuczka? Wymaga to ogromnej ilości energii. Elektroliza jest nieskuteczna. Kompresja jest energochłonna. W procesie konwersji traci się znaczną część tej pierwotnej energii odnawialnej. Tak więc, chociaż paliwo jest neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla podczas spalania, łańcuch produkcyjny jest daleki od takiego. Jeśli nie masz absurdalnie dużej ilości nadmiaru energii wiatrowej lub słonecznej, matematyka szybko staje się brzydka.
Dlaczego zainteresowanie zewnętrzne?
Dlaczego teraz? Bo silnik spalinowy (ICE) nie odchodzi po cichu. Zakaz sprzedaży nowych samochodów z silnikiem spalinowym w UE do 2035 r. wywołał panikę wśród tradycyjnych producentów. Porsche już teraz intensywnie inwestuje w e-paliwa. Twierdzą, że chociaż nowe samochody powinny być elektryczne, miliardy istniejących na drogach samochodów ICE należy stopniowo zastępować benzynowymi. Olej napędowy, paliwo do silników odrzutowych, paliwo żeglugowe – wszystkie wymagają alternatyw. Paliwa na bazie CO2 stanowią pomost. Sposób na utrzymanie pracy silników bez dodawania nowego węgla do atmosfery.
Ale czy jest taniej? Jeszcze nie. Koszty produkcji są wysokie. Infrastruktura do dystrybucji tych paliw syntetycznych nie istnieje na skalę przemysłową. Luka w efektywności pozostaje palącym problemem. Silnik elektryczny ma sprawność od siatki do kół wynoszącą około 77–90%. Silnik na paliwo elektryczne? Może 30–40%. Tracisz połowę swojej energii, żeby ją spalić.
Prawdziwe pytanie nie brzmi, czy to działa, ale czy robi różnicę
Technologia działa. Wiemy o tym od kilkudziesięciu lat. Proces Habera-Boscha zrobił coś podobnego z amoniakiem w XX wieku. Proces Fischera-Tropscha przekształca węgiel w paliwo płynne, szeroko stosowane w Republice Południowej Afryki. Teraz po prostu zastępujemy węgiel wychwyconym CO2 i zielonym wodorem.
Wąskie gardło nie jest nauką. I skala. Czy możemy wyprodukować wystarczającą ilość zielonego wodoru?
Ekonomiczna rzeczywistość paliw węglowych
Byron Elton sprzedaje więcej niż tylko marzenie. Wskazuje na konkretny wspólny projekt stanu Luizjana i południowoafrykańskiej korporacji energetycznej Sasol, wart 10 miliardów dolarów, mający na celu budowę gigantycznej fabryki przetwarzania gazu w ciecz (GTL) w pobliżu jeziora Charles. Cel? Udowodnij, że samochody CO2 to nie tylko laboratoryjna ciekawostka. Są już w drodze. Szybko.
Firma Eltona, Carbon Sciences, opracowała proces przekształcania CO2, metanu i katalizatora w gaz syntezowy. Ten gaz syntezowy staje się czystym olejem napędowym. Później – paliwo do silników odrzutowych. Następnie – benzyna. Bez wymiany silnika. Żadnego remontu. Po prostu napełnij i gotowe.
Stojący za tym proces Fischera-Tropscha nie jest nowy. Napędzał czołgi podczas II wojny światowej. Jednak konkurowanie z ropą naftową zawsze było zbyt drogie. Elton twierdzi, że to się zmieniło. Jego technologia, jego zdaniem, sprawia, że proces jest opłacalny. I czyste. Nalega, abyśmy nie tylko produkowali paliwo. Oczyszczamy atmosferę.
Ale nie wszyscy w to wierzą.
Przeciwnicy nie zaprzeczają chemii. Odrzucają ekonomię. Produkcja paliwa z CO2 jest droga. To nieskuteczne. Koszty energii potrzebnej do wychwytywania i przekształcania węgla często przekraczają energię wyjściową końcowej kropli paliwa.
Co więc ostatecznie otrzymamy? Czystsze spalanie. Mniejszy ślad. Ale za wyższą cenę. I z mniejszą wydajnością.
Czy naprawdę rozwiązujemy problem zmian klimatycznych? A może po prostu znajdziemy droższy sposób na prowadzenie samochodu?
Zamień zło na mniejsze zło
Debata nie dotyczy fizyki. Cechuje ich pragmatyzm.
Jeśli jesteś decydentem, który chce osiągnąć rygorystyczne cele w zakresie redukcji emisji, samochody CO2 oferują jasną ścieżkę. Przechwytujesz odpady. Zamieniasz je w energię. Zamykasz cykl. To jest okrągłe. To atrakcyjne.
Ale jeśli jesteś inżynierem lub konsumentem, matematyka staje się nieprzyjemna. Ocena cyklu życia (LCA) opowiada inną historię. Infrastruktura dla GTL wymaga inwestycji kapitałowych. Energochłonność jest dobra, ale nie na tyle wysoka, aby zrównoważyć koszty produkcji.
Niektórzy twierdzą, że handlujemy zanieczyszczonym ropą powietrzem w zamian za niską ekonomikę paliw syntetycznych. Czystość wygrywa. Dostępność traci.
Elton twierdzi, że koszty spadną. Sasol twierdzi, że ilości uzasadnią cenę. Rząd Luizjany twierdzi, że praca jest warta ryzyka.
Ale sceptycy pozostają. Widzą rozwiązanie szukając problemu. Albo problem, który już rozwiązują baterie i energia odnawialna.
Po co inwestować miliardy w złożony zakład chemiczny, skoro można po prostu zelektryfikować sieć?
Odpowiedź zależy od tego, co cenisz bardziej. Natychmiastowa redukcja emisji z rury wydechowej? A może długoterminowa skuteczność systemowa?
Nie ma prostej odpowiedzi. Istnieje tylko wybór pomiędzy dwiema niedoskonałymi przyszłościami. Jeden pali brud. Drugim jest palenie pieniędzy. Obydwa spalają węgiel.
Paliwo jest gotowe. Pytanie kto za to zapłaci.
Termodynamika przetwarzania węgla
Szum wokół wychwytywania CO2 w celu wytworzenia paliw syntetycznych brzmi Ossie Zenera niesamowicie znajomo. Jako profesor wizytujący na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i autor nadchodzącej książki Green Illusions (Bison Books, 2012), Zener dostrzega bezpośrednie podobieństwo do boomu na wodorowe ogniwa paliwowe, który zakończył się zaledwie kilka lat temu. Epoka ta zapowiadała czystą przyszłość, zasilaną nadmiarem energii słonecznej wykorzystywanej do rozkładu wody na wodór. Problem polegał jednak na tym, że bilans energetyczny nigdy nie był zbieżny. W proces elektrolizy trzeba było włożyć więcej energii, niż udało się uzyskać z ogniwa paliwowego.
Przypomina to działanie drukarki pieniędzy, której wydrukowanie banknotu 20-dolarowego kosztuje 23 dolary. Dosłownie wydajesz wartość, aby ją stworzyć, generując stratę netto.
Zener argumentuje, że wytwarzanie paliw syntetycznych z dwutlenku węgla jest równie energochłonne. Zwolennicy twierdzą, że procesy te mogą magazynować ciepło lub energię elektryczną w łatwej do transportu postaci płynnej do późniejszego wykorzystania. Jest to technicznie poprawne. Ale oto trudna prawda, którą podkreśla Zener: CO2 nie jest paliwem. To jest produkt uboczny. Musi zostać chemicznie przetworzony na materiał palny, na przykład metan, który jest głównym składnikiem gazu ziemnego.
Barierą jest termodynamika. W szczególności reakcja endotermiczna wymagana do związania węgla i wodoru. Aby zapoczątkować reakcję, należy wprowadzić znaczną ilość ciepła i energii. Możesz zyskać trochę paliwa, ale nigdy nie odzyskasz całej energii, którą wydałeś.
„Dopóki nie wymyślą, jak zmienić prawa termodynamiki” – mówi Zener – „utkniemy przy tym, co mamy”.
Po co więc przechodzić przez tę złożoną, energochłonną procedurę? Zener zauważa, że znacznie łatwiej i taniej jest po prostu wydobyć istniejące zasoby gazu ziemnego. Mamy już w ziemi ogromne zasoby metanu. Po co płacić za ekstrakcję CO2 z atmosfery, mieszanie go z wodorem, intensywne ogrzewanie, a następnie wydobywanie powstałego metanu? Żaden gracz przemysłowy tego nie robi. Ekonomia nie działa, gdy masz gotowy produkt w wystarczającej ilości.
Następnie pojawia się argument czystości. Zwolennicy sugerują, że paliwa syntetyczne są czystsze niż paliwa kopalne. Z definicji tak nie jest. Potrzebujesz energii, aby wytworzyć lub zreformować paliwo. Jeżeli energia ta pochodzi z elektrowni jądrowych i zapewnia wystarczającą ilość energii do procesu konwersji, pozostaje pytanie polityczne: czy energia jądrowa jest rzeczywiście czystsza niż wydobywanie paliw kopalnych? Odpowiedź zależy od tego, kogo zapytasz.
Dlaczego konwersja węgla na paliwo wymaga dużej ilości energii
Głównym problemem paliw syntetycznych jest kara energetyczna. Aby zamienić CO2 w użyteczne paliwo, takie jak metan, potrzebna jest reakcja endotermiczna. Oznacza to, że musisz dostarczyć zewnętrzne ciepło i energię, aby wywołać przemianę chemiczną. Otrzymujesz część energii z powrotem w postaci powstałego paliwa, ale nigdy nie całą. Jak zauważył Zener, dopóki ktoś nie wymyśli, jak zmienić prawa termodynamiki, będziemy tkwić w fizycznej rzeczywistości utraty energii.
Zener porównuje to do nieudanego marzenia o wodorze. Wodorowe ogniwa paliwowe wykorzystywałyby nadmiar energii wiatru słonecznego do wytwarzania wodoru. Problem? Wytworzenie wodoru wymagało więcej energii, niż z niej uzyskano. To tak, jakby mieć maszynę, która wystawia banknoty 20-dolarowe, ale wytworzenie każdego z nich kosztuje 23 dolary.
Zener twierdzi, że wytwarzanie paliw z CO2 jest równie energochłonne
Fałszywa równoważność w ochronie ekologicznych samochodów
Konkluzja Zenera brzmi ciężko i nieprzekonująco. Twierdzi, że po prostu zamieniamy jeden problem na inny. „Lekarze nie powinni promować papierosów o niskiej zawartości substancji smolistych” – mówi. „Dlaczego ekolodzy powinni promować samochody na paliwa alternatywne?”
Brzmi ostro. Dobrze sprawdza się w dyskusji. Ale czy to wytrzymuje wnikliwą analizę, gdy przyjrzymy się rzeczywistym mechanizmom sytuacji? Analogia do papierosów o niskiej zawartości substancji smolistych ignoruje zasadniczą różnicę między produktem, który jest z natury toksyczny, a technologią, która jest po prostu mniej szkodliwa niż jego poprzednik.
Pytanie, które pozostaje, nie jest tylko retoryczne. Jest praktyczny. Czy „alternatywa o niskiej zawartości żywicy” jest realnym rozwiązaniem środowiskowym? A może po prostu polerujemy chrom na tonącym statku? Debata na temat tego, czy paliwa alternatywne są realnym rozwiązaniem, czy tylko marketingowym chwytem marketingowym, pozostaje otwarta.
