Niekopalna alternatywa. Syntetyczne paliwa - czy to się przyjmie?

Brzmi podobnie jak produkcja paliw kopalnych. Zasadniczą różnicę można ująć w ten sposób, że surowiec do ich produkcji nie jest bezpośrednio wydobywany z ziemi, ale w użyciu są różne definicje paliwa syntetycznego. Z jednej strony „syntetyczne” może oznaczać, że paliwo jest wytwarzane sztucznie, w przeciwieństwie do paliw konwencjonalnych, które są zazwyczaj wytwarzane poprzez rafinację ropy naftowej o złożonym składzie na poszczególne frakcje bez chemicznej zmiany składników. W produkcji paliw sztucznych można stosować różne procesy chemiczne. Z drugiej strony „syntetyczny” może być użyty do podkreślenia, że paliwo powstało w procesie chemicznym znanym jako synteza, czyli produkcja bardziej złożonego związku z kilku mniej złożonych. Definicja ta dotyczy w szczególności paliw, w których surowiec jest najpierw rozkładany na gaz syntezowy będący mieszaniną prostych związków (H₂, CO itp.) w celu wytworzenia z nich wyższych węglowodorów. Jednak procesy chemiczne mogą być również częścią procesu produkcji paliw konwencjonalnych. W zależności od definicji, tutaj również może nie być możliwe dokonanie wyraźnego odróżnienia od paliw syntetycznych. Innym przykładem jest biodiesel, który jest wytwarzany z metanolu i triacyloglicerydów, chociaż zachodzi przemiana chemiczna, ale produkt zwykle nie jest zaliczany do paliw syntetycznych.

Paliwa syntetyczne nie są aż taką nowością w branży petrochemicznej. Ich początki sięgają czasów niemieckiej Republiki Weimarskiej, kiedy firma IG Farben wytwarzała produkt znany jak Leuna-Benzin, nazwany od miejscowości, w której powstawał od 1927 roku. Rządy niemieckie starały się uniezależnić od importu ropy. Podkreślano potrzebę samowystarczalności, jeśli chodzi o dostawy paliw. W tym samym czasie na całym świecie panowało przekonanie, że globalne zasoby ropy naftowej szybko się wyczerpią w miarę rozpowszechniania się motoryzacji. Dlatego też przy wsparciu państwa naukowcy i firmy poświęcili mnóstwo pracy na badania nad źródłem energii, którego Niemcy miały pod dostatkiem, czyli węglem. Niemiecki chemik Friedrich Bergius zarejestrował pierwszy patent na otrzymywanie wodoru z węgla już w 1913 roku, za co zresztą, wraz z Carlem Boschem, otrzymał Nagrodę Nobla.

Główne rodzaje paliw syntetycznych to benzyna tworzona na drodze procesów chemicznych, takich jak synteza Fischera-Tropscha, w wyniku której tlenki węgla (głównie dwutlenek węgla) oraz wodór są konwertowane na węglowodory ciekłe lub stałe. Jest pomyślana jako zamiennik tradycyjnej benzyny, mając niższe emisje CO₂. Jest też syntetyczny olej napędowy, metanol i dimetyloeter (DME), które mogą być wytwarzane z gazów syntezowych lub wodoru, wykorzystywane jako alternatywa dla benzyny lub oleju napędowego. W dalszej kolejności to paliwa z biomasy, np. drewna lub resztek roślinnych, konwertowanych w procesach termicznych i chemicznych na ciekłe paliwo używane w pojazdach.

Celem produkcji syntetycznych paliw jest uzyskanie paliw o lepszych właściwościach niż tradycyjne paliwa. Chodzi tu np. o niższą emisję zanieczyszczeń, wyższą wartość energetyczną, a także większą stabilność. Uważa się, że mogą przyczynić się do dekarbonizacji sektorów, które są trudne do zelektryfikowania, takich jak transport lotniczy, morski czy ciężarowy. Syntetyczne paliwa mogą być zwykle używane w istniejących już silnikach spalinowych, co zmniejsza potrzebę wymiany infrastruktury i floty pojazdów, a co za tym idzie - koszty transformacji.

Paliwa „z powietrza” i z odpadów

Obecnie trwają prace nad dwiema głównymi, szeroko pojętymi kategoriami paliw syntetycznych: elektropaliwami i biopaliwami syntetycznymi.

Elektropaliwa (lub w skrócie e-paliwa) to paliwa syntetyczne, których produkcja odbywa się przy użyciu energii elektrycznej. E-paliwa są uważane za zeroemisyjne, ponieważ emitują tyle samo CO₂, ile zużyto w procesie ich produkcji. Aby e-paliwo było neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, energia elektryczna musi pochodzić ze źródeł nieemitujących CO₂.

E-paliwa mogą być produkowane „z powietrza”, co wykazał zespół badawczy ze szwajcarskiego uniwersytetu naukowego ETH Zurich już w 2019 roku. W tym projekcie, w procesie podobnym do ekologicznej produkcji amoniaku, badacze przeprowadzali wychwyt CO₂ i pary wodnej z powietrza, a następnie wykorzystali energię słoneczną do wytworzenia paliwa lotniczego w reaktorze zasilanym energią słoneczną. Wewnątrz reaktora skoncentrowane światło słoneczne wytwarzało wysoką temperaturę (do 1500ºC). Wnętrze reaktora wyłożono ceramiką wykonaną z tlenku ceru (CeO₂). Zachodzi tam reakcja utleniania-redukcji. Na etapie redukcji ciepło usuwa tlen z CeO₂. Następnie dodawany jest CO₂ i woda, w wyniku czego powstaje „syngaz”, mieszanina wodoru i tlenku węgla. Pozostały tlen jest pobierany przez ceramiczne wnętrze reaktora i ponownie tworzy CeO₂ (utlenianie), dzięki czemu jest on gotowy do rozpoczęcia procesu od nowa. Syngaz może być przekształcony w substytut ropy naftowej, rafinowany na paliwa, w tym naftę lotniczą i benzynę.

Innym przykładem innowacyjnego projektu w zakresie syntetycznych paliw jest niemiecki projekt Sunfire z Drezna, która polega na wykorzystaniu energii słonecznej do produkcji syntetycznego oleju napędowego z wody i dwutlenku węgla. Proces ten wykorzystuje elektrolizę wody do wytworzenia wodoru, który następnie jest łączony z CO₂ w tzw. procesie Fischera-Tropscha. Sunfire twierdzi, że jego syntetyczny olej napędowy ma o 90 proc. mniejszą emisję dwutlenku węgla niż zwykły olej napędowy i może być stosowany w każdym silniku Diesla.

Z Sunfire współpracuje znana niemiecka marka Audi. W ramach kooperacji powstaje długołańcuchowe paliwo węglowodorowe nazywane Blue Crude, ekodiesel. „Eko” występuje tu na wielu poziomach, gdyż CO₂ do procesu pochodzi z biogazowi, zaś energia elektryczna do elektrolizy wody również z „czystych” źródeł.

W lutym 2021 r. przez serwisy informacyjne przemknęła informacja, że inna marka motoryzacyjna z Niemiec, Porsche, pracuje nad syntetycznym paliwem, które ma sprawić, że samochody spalinowe będą tak czyste jak elektryczne. Paliwo na bazie wodoru było testowane m.in. w nowym samochodzie wyścigowym Porsche 911 GT3 Cup. Trzy lata temu otwarto pilotażowy projekt fabryki e-paliw Porsche w Chile, opisywaną jako pierwsza taka na świecie. Produkuje syntetyczną benzynę z odnawialnego wodoru i dwutlenku węgla wychwytywanego z atmosfery. Zakład w Chile miał w planie produkcję ok. 550 milionów litrów e-paliw rocznie.

Biopaliwa, biodiesle i bioetanole są wytwarzane przy użyciu różnych procesów chemicznych, termicznych i biologicznych. Istnieje tu wielka różnorodność technik produkcji i rafinacji. Paliwa ciekłe tego rodzaju, biobenzyny, otrzymywane są na drodze fermentacji alkoholowej węglowodanów do etanolu, fermentacji butylowej biomasy do butanolu lub z estryfikowanych w biodiesel olejów roślinnych (np. oleju rzepakowego) czy etanol z kukurydzy. Zaś gazowe powstają w wyniku fermentacji beztlenowej ciekłych i stałych odpadów rolniczej produkcji zwierzęcej (gnojowica, obornik, słoma etc.) - biogaz, a także w procesie zgazowania biomasy - gaz generatorowy (gaz drzewny).

Już w 2007 roku dokonano pierwszego lotu samolotem odrzutowym całkowicie zasilanym innym, najbardziej bodaj obecnie w Polsce znanym biopaliwem - biodieslem. Jednakże biodiesel, czyli estry metylowe (lub etylowe) kwasów tłuszczowych, z wielu przyczyn, nie jest alternatywą dla samolotów o napędzie odrzutowym, operujących na dalekich trasach i na dużych
wysokościach. Decydują o tym niskie cechy eksploatacyjne tego biopaliwa, zwłaszcza takie jak: jego zamarzanie już przy kilkustopniowym mrozie, słaba odporność na utlenianie (też mikrobiologiczne) w czasie przechowywania, skłonność do polimeryzacji oraz tworzenia emulsji, itp.

Tam, gdzie elektryfikacja ma niewielki sens ekonomiczny

Nie można zaprzeczyć, że zeroemisyjne paliwa syntetyczne do silników spalinowych są wciąż rynkową niszą i, zdaniem wielu ekspertów, będą miały wciąż niezbyt duże znaczenie po 2035 r., po planowanym wprowadzeniu w UE zakazu sprzedaży nowych samochodów spalinowych. Chyba że nastąpi radykalny postęp technologiczny w tej dziedzinie.

Trwał i chyba nie wygasł jeszcze spór pomiędzy Komisją Europejską a krajami, w których przemysł motoryzacyjny jest silny, czyli Niemcami, Czechami czy Włochami, dotyczący tego, czy po 2035 roku zakazać handlu nowymi autami z silnikami spalinowymi. Do tej pory propozycja polegała na tym, by po tym terminie w Europie można było sprzedawać tylko pojazdy o napędzie alternatywnym, czyli elektryczne czy wodorowe. Jednak te kraje z Berlinem na czele domagają się dopuszczenia też samochodów z silnikami dostosowanych do spalania paliw syntetycznych, czyli praktycznie takich samych, z jakimi mamy do czynienia dzisiaj.

Z punktu widzenia producentów samochodów, przestawianie się na wodór i elektromobilność jest o wiele dłuższą ścieżką niż dostosowanie silników spalinowych do spalania paliw syntetycznych.

Niestety, proces wytwarzania e-paliw jest niezwykle energochłonny. Według danych Międzynarodowej Rady ds. Czystego Transportu (ICCT), koszt wyprodukowania paliw syntetycznych pozwalających na przejechanie 100 km samochodem spalinowym może być nawet dziesięciokrotnie wyższy niż koszt energii z OZE, wystarczającej do pokonania
takiego dystansu za pomocą pojazdu elektrycznego. Jak podaje ICCT, wytworzenie e-paliwa metodami zbliżonymi do zakładu w Chile kosztuje około 7 dolarów za litr. Ponadto sprawność energetyczna e-paliw nie przekracza dwudziestu proc. przy ponad 70-procentowej sprawności samochodów w pełni elektrycznych. Dotyczy to jednak aut mniejszych, osobowych.
Ciężarówki, statki i samoloty nadają się do elektryfikacji w dużo mniejszym stopniu.

W przypadku samolotów pasażerskich akumulatory potrzebne do wzniesienia maszyny w powietrze i zapewnienia jej wystarczająco dużo mocy, by przelecieć dystans kilku tysięcy kilometrów, byłyby zbyt duże i zbyt ciężkie. Znacznie bardziej prawdopodobne jest pojawienie się samolotu hybrydowego do lotów krótkodystansowych i regionalnych. Airbus, Rolls-Royce i Siemens współpracują nad projektem samolotu, w którym jeden z czterech silników został zastąpiony silnikiem elektrycznym Siemensa o mocy 2700 KM, podłączonym do akumulatorów, które ważą około dwóch ton. Jest nadzieja, że napęd elektryczny może być wykorzystywany do startów, co doprowadzi do zmniejszenia emisji i zanieczyszczenia hałasem. Jednak to loty długodystansowe odpowiadają za 80 procent emisji z lotnictwa, a istniejące technologie nie są w stanie sprawić, że osiągnięty zostanie cel wyznaczony przez Komisję Europejską dla lotnictwa do 2050 roku, a ten zakłada 75-procentową redukcję emisji CO₂ i 90-procentową redukcję emisji tlenków azotu. Wydaje się więc, że w tym przypadku najbardziej rozsądnym rozwiązaniem będą paliwa syntetyczne.

Jeszcze w 2014 r. w ramach projektu stworzenia nowych technologii produkcji paliwa lotniczego o nazwie SOLAR-JET, w którym współpracują liczne instytucje naukowe i firmy z Niemiec i Szwajcarii, powstał pierwszy w historii słoneczny „reaktor” do produkcji syntetycznego gazu węglowodorowego - syngazu.

W lutym 2021 r. holenderski oddział Air France-KLM przeprowadził lot pasażerski z Amsterdamu do Madrytu, który według przewoźnika był pierwszym na świecie, w którym zastosowano syntetyczne paliwo lotnicze wyprodukowane w sposób zrównoważony (1). Boeing 737-800 miał na pokładzie 500 litrów paliwa wyprodukowanego przez Royal Dutch Shell, co stanowi ponad 5 proc. całkowitego zapotrzebowania na tę trasę. Pasażerowie nie zauważyli różnicy. Paliwo dla lotu KLM zostało wyprodukowane w laboratorium Shella przy użyciu dwutlenku węgla wychwyconego z największej w Europie rafinerii ropy naftowej w Pernis, niedaleko Rotterdamu, oraz z farmy bydła w północnej Holandii. Marjan van Loon, prezes Shella w Holandii, powiedział, że obecnie celem jest przekształcenie paliwa syntetycznego z „czegoś, co jest technicznie możliwe, w coś, co jest ekonomicznie opłacalne”, przez obniżenie kosztów i przyspieszenie produkcji.

1. Samolot KLM i cysterna z syntetycznym paliwem.
Zdjęcie: stock.adobe.com

Od kilku lat, jak wiadomo, powstają prototypy elektrycznych ciężarówek, które zastępują olej napędowy na krótkich i średnich trasach, ale wydaje się, że tylko Tesla wierzy w elektryfikację długodystansowego transportu drogowego. W 2017 roku firma Elona Muska zaprezentowała model ciężarówki elektrycznej o nazwie Semi, według producenta ma ona zasięg 800 kilometrów, czyli o połowę mniejszy, niż będące obecnie w użytku ciężarówki z silnikami Diesla. Ponadto ładowanie baterii pojazdu, by był on zdolny przejechać 640 kilometrów, miałoby trwać zaledwie 30 minut, co jednak spotkało się z wątpliwościami, czy jest to wykonalne z punktu widzenia fizyki.

Dlatego bardziej realistycznym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie w ciężkim transporcie samochodowym paliw syntetycznych. Podobnie sprawa wygląda, jeśli chodzi o żeglugę. Pierwszy na świecie elektryczny kontenerowiec, Yara Birkeland, ma mieć pojemność 120 kontenerów. Jest on stosunkowo mały i będzie podróżować powoli na trasie o długości zaledwie 50 kilometrów między portami w Norwegii. Dla porównania, dzisiejsze kontenerowce o tradycyjnym napędzie mogą przewozić cztery tysiące kontenerów, czyli 150 razy więcej, na czterysta razy większe odległości z prędkością trzy do czterech razy większą. Nieprzerwany rejs z Azji do Europy w 31 dni to zużycie 4,t tysiąca ton paliwa. Aby statek elektryczny odbył tę samą podróż, musiałby przewozić około stu tysięcy ton akumulatorów litowo-jonowych, co zajęłoby około 40 proc. przestrzeni ładunkowej.

W tej sytuacji, przy rosnącej presji na zmniejszenie emisji, paliwa syntetyczne wydają się niezłą alternatywą, przynajmniej dla branż, które trudno elektryfikować, lotnictwa, żeglugi morskiej, ciężkiego transportu drogowego. Pod warunkiem że syntetyzowanie paliw będzie znacznie tańsze niż obecnie. 

Mirosław Usidus