Šiuolaikiniame pasaulyje, kai naftos ir dujų gavyba intensyviai didėja, o gamtinių angliavandenilių deginimas sukelia neigiamas pasekmes aplinkai, nuo miestų užterštumo iki šiltnamio efekto, vis labiau ieškoma alternatyvių energijos šaltinių. Naftos produktų transportavimas taip pat kelia ekologinių katastrofų riziką dėl dažnų avarijų, teršiančių vandens telkinius ir dirvožemį. Be to, naftos atsargos nėra beribės - net optimistiškiausios prognozės rodo, kad jų užteks ne daugiau kaip šimtui metų. Todėl dabartinei ekonomikai būtinos kitos alternatyvos benzinui ir mazutui, kurios leistų sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro ir jo poveikį aplinkai.
Alternatyvūs energijos šaltiniai
Alternatyvos benzinui ir mazutui apima platų spektrą technologijų, skirtų tvariai ir ekologiškai energijos gamybai:
- Branduolinė energetika: Nors techniškai tobula, ji vis dar kelia saugumo ir atliekų tvarkymo klausimus.
- Hidroenergetika: Atsinaujinantis ir komerciškai platus šaltinis, pasižymintis pigiu energijos rezervavimu ir mažais šiltnamio dujų išmetimais, tačiau turintis trūkumų dėl upių užtvenkimo ir ekologinės pusiausvyros pokyčių.
- Biomasės energija: Augalinė biomasė (mediena, šiaudai, energetiniai augalai) yra svarbus vietinio kuro šaltinis, naudojamas biodujoms, biodegalams ir bioalyvoms gaminti.
- Geoterminė energija: Atsinaujinantis energijos šaltinis, jau įsisavintas privačiame sektoriuje Lietuvoje, kur energija gaunama iš Žemės gelmių šilumos.
- Vėjo jėgainės: Ištobulintos technologijos, gaminančios elektros energiją esant įvairiam vėjo greičiui.
- Saulės energija: Fotoelektrinė saulės energija yra nuolatinis šaltinis, kurį galima akumuliuoti įvairiais būdais (elektros akumuliatoriuose, vandens baseinuose) arba jungti prie elektros tinklo, taip sumažinant iškastinio kuro poreikį. Ateityje perspektyvus būdas - saulės energijos panaudojimas vandeniliui ir deguoniui gaminti iš vandens.
- Vandenilis kaip kuras: Viena iš patraukliausių energijos kaupimo ir transportavimo medžiagų, pasižyminti didele energine verte ir nedidele aplinkos tarša jį deginant.
Vandenilis kaip ateities kuras
Vandenilis sudaro 75% visos visatos ir yra didelės energinės vertės kuras, kurį deginant neteršiama aplinka. Suskystintas vandenilis yra perspektyvūs degalai, galintys praplėsti viršgarsinių lėktuvų ir kosminių laivų galimybes. Tačiau kol kas nežinomi pigūs vandenilio gavimo ir patikimi saugojimo būdai.
Vandenilio gavybos metodai
Gryno vandenilio gamtoje yra nedaug, todėl jį reikia gaminti įvairiais būdais:
- Vandens elektrolizė: Leidžiant nuolatinę elektros srovę per vandenį, jis skyla į vandenilį ir deguonį. Šis būdas tinka ten, kur elektros energija yra pigi, pavyzdžiui, ateities termobranduolinėse elektrinėse.
- Anglies monoksido konversija: Anglies monoksido ir vandens garų mišinys, leidžiamas per katalizatorių, sudaro vandenilį ir anglies dioksidą (CO + H2O → CO2 + H2 + 20kJ). Pagrindinės žaliavos yra vandens garai ir anglis.
- Metano konversija: Gamtinės dujos veikiamos vandens garais ir deguonimi (CH4 + H2O → CO + 3H2 - 203kJ ir CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 + 36kJ). Gautas anglies monoksidas toliau konvertuojamas.
- Vandenilio gavimas iš koksavimo dujų: Pramonėje vandenilis išskiriamas atšaldžius koksavimo dujas iki -200 °C, kai visi komponentai, išskyrus vandenilį, virsta skysčiu.
- Vandenilis iš alkoholio: Sukurtas kompaktiškas reaktorius, verčiantis etanolį vandeniliu dviejų etapų procese. Etanolio, vandens ir oro mišinys kaitinamas, garai praleidžiami pro rodžio ir cerio oksido katalizatorių, suskaidantį etanolį į vandenilį, anglies monoksidą ir anglies dioksidą. Po to mišinys atšaldomas ir praleidžiamas pro platinos ir cerio oksido katalizatorių, kur anglies monoksidas reaguoja su vandens garais, sudarydamas anglies dioksidą ir vandenilį. Tokiu būdu gaunamo vandenilio kaina prilygtų benzino kainai.
Fotovandenilinė energetika
Fotovandenilinė arba Saulės-vandenilio energetika (angl. Solar Hydrogen) sulaukia didelio dėmesio ir finansavimo visame pasaulyje. Šių technologijų fizikiniai pagrindai atrasti beveik prieš 150 metų, kai buvo sukurta kuro celė, generuojanti elektros energiją cheminių reakcijų pagalba. Vandenilinio kuro celę išrado Francis Thomas Bacon, o šis atradimas prisimintas 1960 metais, kai NASA prireikė atsinaujinančio ir neteršiančio energijos šaltinio kosmoso įsisavinimui. Vandenilis kosmose buvo gaunamas elektrolizės būdu skaidant vandenį, o pirminis energijos šaltinis buvo puslaidininkiniai Saulės elementai. Tokiu pavidalu sukaupta vandenilio energija buvo naudojama efektyviau nei tradiciniai elektros energijos akumuliavimo būdai, o šalutinis produktas - vanduo - galėjo būti naudojamas cikliškai, neteršiant aplinkos.
F. T. Bacono vandenilinio kuro celės pagrindas yra protoninių mainų membrana, kuri laidi elektronams ir nelaidi protonams. Cheminių reakcijų metu (2 H2 + O2 → 2 H2O) išsiskiria keturi laisvieji elektronai, kurie, naudojant protoninių mainų membraną, atskiriami nuo protonų, ir tarp celės anodo bei katodo susidaro apie 1,16 voltų potencialų skirtumas.
Fotovandenilinės energijos privalumai ir iššūkiai
Fotovandenilinės energijos panaudojimas turi techninių privalumų:
- Geri našumo rodikliai;
- Daugiacikliškumas;
- Mažatriukšmiai;
- Ekologiškumas.
Tačiau norint plačiai naudoti fotovandenilinę energiją, reikiaišspręsti šias problemas:
- Saugumas: Vandenilis turi plačias sprogstamumo ribas, todėl reikalingos efektyvios sprogimo prevencijos sistemos.
- Saugojimas: Normaliomis sąlygomis vandenilio tūrinis energijos tankis yra mažas, o kriogeninės priemonės pernelyg sudėtingos. Reikia ieškoti metalhidridinių talpų. Kai kurie mokslininkai siūlo ištirpinti vandenilį metaluose arba jų lydiniuose, pvz., geležies ir titano lydinyje, o po to išskirti silpnai pašildžius. Ateities automobilyje vietoj benzino bako galėtų būti vandenilį sugeriančio metalo luitas, o vandenilio išskyrimui būtų panaudojama išmetamųjų dujų šiluma.
- Kaina: Dabartiniu metu 1kW galios kuro celė kainuoja apie 8000 JAV dolerių.
- Gavybos sistemos efektyvumas: Reikia sukurti efektyvias vandenilio gavybos sistemas, visų pirma panaudojant Saulės energiją ir didinant Saulės baterijų našumą, kuris dabartiniu metu tesiekia vos keliolika procentų.
Saulės elementų tyrimai
Moksliniai tyrimai, pavyzdžiui, Šiaulių universiteto Fizikos ir matematikos fakulteto Fizikos katedros atliktas darbas, analizuoja fotovandenilinės energijos panaudojimą Lietuvos sąlygomis. Šis darbas susideda iš trijų etapų: saulės elemento tyrimas, elektrolizerio tyrimas ir kuro celės tyrimas. Eksperimentų metu tiriami saulės elemento voltamperinės charakteristikos, elemento galios priklausomybė nuo įtampos prie dirbtinės ir natūralios šviesos bei naudingumo koeficientas.
Tyrimai parodė, kad saulės elemento galia priklauso nuo atstumo tarp saulės elemento ir šviesos šaltinio: kuo atstumas didesnis, tuo galia mažesnė. Taip pat nustatyta, kad šviesos intensyvumas didžiausias vidurdienį, kai saulė yra aukščiausiame pakilimo taške. Saulės elemento maksimali galia pasiekiama tada, kai grandinės varža lygi 4 Ω.
Izobuteno reikšmė ir gamybos būdai
Nors straipsnis daugiausia dėmesio skiria alternatyvioms energijoms, svarbu paminėti ir kitus cheminės pramonės aspektus, susijusius su degalų komponentais. Izobutilenas (izobutenas) yra bespalvės dujos, svarbi cheminė žaliava, daugiausia naudojama butilo kaučiuko, poliizobutileno, metakrilonitrilo, antioksidantų, tret-butilo fenolio, tret-butilo eterio ir kt. gamybai. Jis taip pat naudojamas kaip benzino priedų ir tepalų gamybos komponentas.
Izobuteno gamybos būdai apima lengvosios alyvos C4 frakcijų atskyrimą, tret-butanolio dehidrataciją, eterinimo įtrūkimus ir kt. Pramoniniu būdu izobutenas gaunamas beveik vien tik iš naftos perdirbimo gamyklų dujų ir krekingo C4 frakcijų. Izobuteno kiekis rafinavimo dujose paprastai yra 5%-12%, o C4 frakcija paprastai sudaro 20%-30%.
Izobuteno gamybos metodai
- C4 frakcijų atskyrimo metodas:
- Sieros rūgšties absorbcijos metodas: Naudojamas principas, kad izobutenas absorbuoja sieros rūgštį 150-300 kartų greičiau nei n-butenai. Selektyviai absorbavus izobuteną iš C4 frakcijos, sieros rūgšties sluoksnis kaitinamas, kad regeneruotų izobuteną. Šis metodas leidžia gauti daugiau nei 99% izobuteno, tačiau dėl stiprios korozijos reikalauja specialios antikorozinės įrangos.
- Vandenilio chlorido rūgšties absorbcijos metodas: Naudojami metalų chloridų (pvz., ZnCl2) katalizatoriai. C4 frakcija kontaktuoja su druskos rūgšties tirpalu, kuriame yra katalizatorius, susidaro tret-butanolis, kuris vėliau hidrolizuojamas ir regeneruojamas izobutenas. Galima gauti daugiau nei 99,9% grynumo izobuteną.
- Jonų mainų metodas: Jonų mainų derva naudojama izobutenui atskirti C4 frakcijoje. Procesas apima dejonizuoto vandens paruošimą, hidrataciją, dehidrataciją ir rektifikaciją. Hidratacijos konversijos koeficientas per praėjimą yra 45%-55%, dehidratacijos - 84%-92%.
- Metilo tret-butilo eterio metodas: Aukštoje temperatūroje metilo tret-butilo eteris suskaidomas į izobutileną ir metanolį, susilietus su rūgšties-rūgšties katalizatoriumi.
- Izobutano dehidrinimo metodas: Naudojant izobutaną kaip žaliavą, izobutenas gaminamas katalizinio dehidrogenavimo būdu. Išeiga yra 40%-45% (masės), izobuteno išeiga - 89% (masės), o vandenilio išeiga - 2,5%-3%.
Izobuteno poveikis ir naudojimas
Pagrindinis žalingas izobuteno poveikis yra uždusimas, silpna anestezija ir silpna stimuliacija. Didelė apsinuodijimo koncentracija gali sukelti komą. Lėtinis poveikis pasireiškia galvos skausmais, svaigimu, mieguistumu, dirglumu ir atminties praradimu.
Didelio grynumo izobutenas daugiausia naudojamas standartinėms dujoms ir specialaus standartinio dujų mišinio ruošimui. Jis taip pat naudojamas katalizatorių, antioksidantų, pesticidų, vaistų, prieskonių, benzino priedų ir tepalų gamyboje, sintetinio kaučiuko sistemoje ir kaip organinės cheminės žaliavos.
tags: #konversijos #koef #benzinui