Može li se metan dobiven hidrauličkim frakturiranjem pretvoriti u benzin?

Ako se probni pogoni pokažu uspješnim, otpadni metan bi mogao pokretati vozila. Međutim, ova pretvorba možda neće biti dobra za okoliš. 

Pri djelovanju geološke topline i tlaka, molekule metana iz slojeva škriljevca (duboko ispod zemlje) izbijaju na površinu, a oslobađa ih hidrauličko frakturiranje, odnosno frakiranje. Prikupljen i stavljen u cijev, ugljikovodik putuje zemljom sve do  središta u New Jerseyu. Iza jedne od zgrada skriva se velika mašina - radi se o nizu metalnih cilindara, u kojim će se dijelovi molekula metana uskoro pretvoriti u benzin.

Ako se pretvorba u toj probnoj mašini koju je sastavilo poduzeće Primus Green Energy pokaže učinkovitom, kao što pokazuju rani rezultati, onda bi metan (koji naftna poduzeća često spale ili ga jednostavne ispuste u atmosferu pogoršavajući globalno zatopljenje) mogao postati još vrjedniji izvor u obliku tekućeg goriva. Istraživanja inženjera kemije i biologa napreduju u Primusovoj i drugim probnim ustanovama i laboratorijima. Međutim, ostaje nejasno hoće li postupci koje probavaju rezultirati preradom otpada, ili će zahtijevati i više energije nego što zaista vrijede.
 
Čim molekule metana dođu do probnog pogona u New Jerseyu, pod djelovanjem pare lome se na vodik s jedne strane i male molekule vodika, kisika i ugljika s druge strane. Takav sintetski plin odlazi u prvi cilindar gdje ga još više topline i tlaka, uz katalizu, pretvara u metanol. Taj plin zatim odlazi u sljedeći odjeljak gdje pri još jednom postupku katalize prelazi u dimetil eter, ili DME, malo veću molekulu u kojoj su pomiješani atomi ugljika, kisika i vodika. Može se iskoristiti kao gorivo, ali nije vrijedan onoliko koliko su vrijedni benzin ili diesel gorivo, stoga DME odlazi do još jednog reaktora gdje ga sljedeća kataliza pretvara u razne ugljikovodike, a oni čine tekućinu običnom vozaču poznatu kao benzin. Benzin teče do posljednjeg cilindra koji otklanja nepoželjne molekule. Dakle, cilindara sveukupno ima četiri. Posljednje stajalište je odjeljak gdje se benzin kondenzira, a višak metana i drugih plinova teče natrag kako bi postupak krenuo iz početka.

Na ovakav način, 70 posto molekula metana odlazi na posjed poduzeća Primus Green Energy, na Hillsborough, u New Jerseyu, gdje završi kao tekuće gorivo. To je razlog zašto geolog George Boyajian, koji je potpredsjednik i prvi zastupnik za Primus, na zidu ima zakačenu kartu rasporeda škriljevca u Sjevernoj Americi (Bakken, Eagle Ford, Marcellus i dalje). Poduzeće Primus Green Energy koristilo je prirodni plin iz lokalne plinare, pri čemu su metan pretvorili u benzin bez sumpora. To je upravo ona vrsta benzina s niskim udjelom sumpora čije je korištenje 3. ožujka naredila U.S. Environmental Protection Agency, i time ga učinila vrijednim kao dio mješavine za poduzeća koja prodaju benzin. Između ostalih poželjnih svojstava, benzin iz Primusa je visokooktanski, manje je korozivan za infrastrukturu i motore, a ne sadrži ni karcinogeni benzen.  

„Svijet je prepun škriljevca“, kaže Boyajian, te tvrdi kako je možda čak i važnije reći da se u poduzeću Primus nadaju da će jednog dana imati toliko male sustave koji će se moći nalaziti na mjestima izvora ulja ili plina, a to bi moglo pretvoriti plin, koji bi se inače uzalud potrošio, u oko 390 000 litara vrijednih kemikalija ili goriva na dan, uključujući i diesel gorivo.

Zapravo, poduzeće Primus je jedno od mnogih koji pokušavaju škriljevac iskoristiti kao blago i pretvoriti ga u novi izvor tekućih goriva. U međuvremenu, moguća znanstvena rješenja mogla bi popraviti jedan od najvećih problema frakiranja, a to su tzv. prolazne emisije. Naime, prirodni plin, koji dolazi iz samog izvora ili iz cijevi, namjerno se pali ili otpušta u atmosferu jer je to poduzećima koja više zanima ulje najjednostavnije rješenje za odlaganje. Curenje metana doprinijelo je sve većoj količini mogućeg stakleničkog plina u atmosferi i, ako se nešto ne poduzme, mogao bi poništiti pogodnosti upotrebe prirodnog plina kao goriva koje bi zamijenilo prljavije ulje, ili još prljaviji ugalj. Takva tehnologija pretvorbe prirodnog plina „mogla bi se iskoristiti u distributivne svrhe“, tvrdi Ernest Moniz, „kako bi se radilo na rješavanju problema paljenja plina na izvoru, a znamo da je to i problem i prilika.“

Paljenje je postalo toliko često da se na slikama satelita koje prikazuju Sjevernu Dakotu po noći vidi svjetlo sa širokih polja na kojima su izvori ulja, toliko da liči na Chicago.  

Ideja je da se pomogne SAD-u da se malo udalji od takvog posla s uljem, a da se u isto vrijeme i zaradi jer ulaganje u prirodni plin i nije skupo. U isto vrijeme, takve pretvorbe bi mogle problem paljenja ili otpuštanja prirodnog plina koji je predaleko od postojeće infrastrukture za prijenos goriva u plinovitom stanju do elektrana pretvoriti u novi izvor vrijedne robe: tekuće gorivo ili čak ugljikovodike koji se mogu spojiti u samo ulje.

„Imamo mnogo jeftinog prirodnog plina“, kaže znanstvenik Dane Boysen, upravitelj na programu Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA–E) za Methane Opportunities for Vehicular Energy (MOVE). „Pitanje je kako bismo ga trebali iskoristiti.“ Jedna od velikih ideja za dobitak jeste uzeti plin čija je gustoća energije 0,04 megadžula po litri i pretvoriti ga u plin čija je gustoća energije najmanje 35 megadžula po litri, a to je najbolje tekuće gorivo za duga putovanja u današnjim automobilima.
 
Put ka uspjehu

Poduzeće Primus ima svoju vlastitu trgovinu mašinama, a vodi je glavni mehaničar Aurel Bercovici koji je zatvorio svoju vlastitu samostalnu trgovinu kako bi u pogonu Primusa radio puno radno vrijeme. Razni reaktori i cijevi koji sačinjavaju mašinu koja pretvara plin u benzin u Primusu zahtijevaju stalno nadgledanje i popravljanje dijelova.“Želim da ovaj projekt uspije, da ova pretvorba plina u benzin uspije“, kaže dok rupcem briše ulje s ruku.
Uspjeh će zahtijevati katalitički uvid vodećeg znanstvenika Howarda Fanga koji je dosta vremena proveo i u velikim poduzećima za ulje i kod velikih proizvođača motora. Postupak koji se primjenjuje jeste da DME prolazi kroz poseban zeolit kako bi ugljik ostao povezan te rezultirao molekulama ugljikovodika koje zajedno tvore benzin. Složenija verzija postupka se pokazala učinkovitom: još osamdesetih godina firma Exxon je na Novom Zelandu sagradila pogon u kojem se metanol pretvara u benzin, premda je zatvorena kada su devedesetih godina cijene ulja pale.
 
Fang misli da on benzin može proizvesti znatno jeftinije nego što je Exxon to ikada učinio, tako što će eliminirati korake u postupku. Jedna mogućnost za to bio bi pronalazak katalizatora kojim bi se iz jedne molekule ugljika, kisika i vodika moglo doći do DME-a. „Postoji mnoštvo katalizatora kojima se to može postići“, kaže Fang, dok radi u laboratoriju kako bi pronašao pravi postupak za pravljenje još vrjednijeg diesel goriva.
 
Kako bi se provjerile mogućnosti za takve rezultate, 1 500 parova kablova izlazi iz mašine za preradu i ulazi u nju, s ciljem da se termokemijski procesi nadgledaju. Nedavni testovi provođeni su 720 sati bez prekida, pri čemu se proizvodio benzin, a jedan njegov dio je upotrijebljen i u automobilima poduzeća, ali dobiveni su i podaci za poboljšanje mašine. „Naš katalizator je trajao pet puta duže od vremena opisanog u znanstvenoj literaturi“, tvrdi Boyajian, čime je moguće da će se uštedjeti i novac.
 
Poduzeće trenutno traži partnera za izgradnju većeg pogona koji će moći proizvesti oko 7 800 000 litara tekućeg goriva na dan i nada se da će započeti iskopavati u području Hustona u suradnji s glavnim rafinerijama, kako kaže Boyajian. Sada probna mašina već iz prirodnog plina može napraviti više od 50 litara benzina na sat. „Nismo radili punom parom“, dodaje. „Rezultate ćemo provjeriti na sljedećim testiranjima.“

Ali, sve ovo još uvijek zahtijeva prilično velike i skupe mašine s višestrukim kemijskim reaktorima. Ima li načina kojim bi se plin pretvorio u benzin još jeftinije?
 
Do boljeg benzina uz pomoć biologije

Odgovor bi mogao biti u alternativi – mikrobima. Oni su jednostavniji način za iskorištavanje metana koji se dalje ne upotrebljava. „Mikrobi su čista kemija“, tvrdi Ramon Gonzales, upravitelj programa ARPA-E za Reducing Emissions using Methanotrophic Organisms for Transportation Energy (REMOTE).

„Oni su vrećice enzima.“ Ti enzimi u svojim tzv. vrećicama bi mogli pretvoriti metan u tekuće gorivo u samo jednom spremniku, poput fermentacijskih spremnika koji su pretvarali ječam u pivo ili sok od grožđa u vino. Pored toga, mikrobi zahtijevaju prilično blage uvjete – bez sredstava koja nagrizaju, velikog tlaka ili visoke temperature, a njih treba Primus.

Te prednosti znače da bi moglo biti jeftinije koristiti biologiju. Pogon za fermentaciju šećera iz kukuruza u etanolsko gorivo košta milijune dolara, u usporedbi s milijardama dolara za najveće pogone za prerađivanje prirodnog plina. Kao rezultat toga, poduzeća poput LanzaTech koriste mikrobe kao što je Methylomicrobium buryatense, kako bi istražili postupak fermentacije prirodnog plina u tekuće gorivo, ili bakteriju Clostridium,kako bi proizveli etanol iz otpadnih industrijskih plinova. LanzaTech čak gradi i probni pogon, kako bi isto uradilo i poduzeće Baosteel u predgrađu Šangaja, s ciljem da proizvede 380 000 litara etanola godišnje iz plina koji nastaje pri proizvodnji čelika.
 
Postupak ima i svoje loše strane. Jedna od njih jeste ta da biologija sporo djeluje. Mikrobima trebaju sati ili dani kako bi učinili ono što se u kemijskom reaktoru može učiniti za nekoliko minuta ili sekundi. Osim toga, uređaji za fermentiranje se ne mogu napraviti da budu veći od određene veličine: biologija nalaže da  bačve za nastajanje piva ili vina ne budu prevelike.
 
Mikrobi mogu zagađivati kao i motori, proizvoditi CO2 kada prerađuju metan i stoga izgubiti pola energije iz kemijskih veza izvornog plina. Gonzales i znanstvenici s kojim radi se nadaju da će to izbjeći određivanjem raznih puteva koje mikrobi koriste za preradu i eliminiranjem neučinkovitih tvari. Ali, proći će godine prije nego što se gorivo koje proizvedu mikrobi pojavi u prodaji, priznaje Gonzales. 
 
U svakom slučaju, termokemijska poduzeća također mogu iskoristiti postupak koji se sastoji od jednog koraka za prerađivanje prirodnog plina u vrijedne proizvode. Na primjer, Ceramatec koristi sredstva programa ARPA–E kako bi metan pretvorio u benzen unutar samo jednog cilindra. Taj benzen može poslužiti kao polazište za druge proizvode, kao što je plastika.

S. Elangovan, koji radi na projektu Ceramateca vezanom za takvo obrađivanje goriva, također pokušava smanjiti učestalost kemijskog prerađivanja plina u benzin, premda to poduzeće trenutno ponavlja postupak u laboratoriju u Utahu, a njime se može proizvesti samo oko 120 000 litara tekućeg goriva na dan. 
 
Rješenje za problem zagađenja

Prvo obećanje takve tehnologije, uključujući i onu u Primusu, nije bilo pretvaranje prirodnog plina u tekuće gorivo, nego pretvaranje otpadnog drveta ili energetskih usjeva u čisto i obnovljivo tekuće gorivo kako bi se zamijenila nafta. Zapravo, Fang je prve godine svog istraživanja proveo u kompaniji gdje je usavršavao taj postupak kako bi pretvorio biomasu u plin bogat energijom, a koji bi se zatim mogao stavljati u jedan oblik mašina kakve se koriste u Primusu, a pretvaraju plin u benzin.
„Prirodni plin nije zaista ekološki“, priznaje Fang, „nema dobrih strana stakleničkih plinova.“ Razlog tome je to što kada benzin iz prirodnog plina sagorijeva, on i dalje završi u atmosferi u obliku ugljikovog dioksida, djeluje na zatopljenje i pogoršava klimatske promjene.

Naravno, pretvaranje biomase u benzin još uvijek bi se moglo dogoditi, ali samo ako je početni materijal i dalje jeftin, ili jeftiniji od prirodnog plina. „Ako imate sintetski plin, želimo razgovarati s vama“, kaže Boyajian, bilo da je dobiven iz smeća ili je jeftini prirodni plin dobiven frakiranjem.“Prirodni plin vidimo kao izvrsnu priliku da dobijemo biogoriva.“
 
Druga poduzeća, kao što je SunDrop Fuels, nadaju se da će iskoristiti te dvije ideje, upotrijebiti i prirodni plin i biomasu kako bi dobili gorivo. Ipak, druga poduzeća idu tako daleko da iskorištavaju i ugalj. Naposljetku, promatrajući sadašnju potrošnju, ako se prirodni plin bude pretvarao u tekuće gorivo u širem razmjeru, zalihe koje trebaju trajati jedno stoljeće će se potrošiti za par desetljeća, ili još brže. „Nemojte da vas izvor zaliha zavede“, upozorava Jennifer Holmgren iz poduzeća LanzaTech, „slomit će vam srce.“

 Kako stvari stoje, prirodni benzin dobiven iz plina može se iskoristiti za razvodnjavanje nafte koja ima više sumpora ili koja više zagađuje, i time se može pomoći u ispunjavanju novih pravila protiv zagađenja koja određuje EPA. Ali, kada se radi o klimatskim promjenama, kada jednom zapalimo gorivo, zagađenje je isto kao kod plina koji gori na izvoru, premda je u međuvremenu dao snagu za pokretanje vozila.

Već postoje i planovi za pretvaranje ugljena u sintetski plin, a zatim u benzin. „Ne možete samo koristiti ugljen“, kaže Fang; on odustaje od postupka pretvaranja velike količine najprljavijih fosilnih goriva u tekuće gorivo, a i još goreg zagađenja stakleničkim plinovima. Promatrajući to s gledišta klimatskih promjena takva pretvorba ugljena u benzin „bila bi samoubilačka“.

Izvor: SciAmerican