OLÁH GYÖRGY
Kőolaj és földgáz után
A szén-dioxidból nyert metil-alkoholon alapuló gazdaság

 
A fosszilis tüzelőanyagok, beleértve a kőszenet, a kőolajat és a földgázt, a természet ajándékai. Ezek szénhidrogének, azaz a szén és hidrogén vegyületeinek az elegyei. Oxidácíó (égés) során szén-dioxiddá és vízzé alakulnak, és így, legalábbis emberi időléptékben, nem megújulóak. Az ipari forradalom óta elsősorban ezek az energiahordozók adtak lehetőséget az emberiség életszínvonalának emelésére és az iparosodott társadalom elterjedésére.

Ezt az évmilliók során képződött ajándékot azonban az emberiség egyre gyorsuló ütemben használja fel. Az olaj és a földgáz nagymértékű felhasználása egyrészt energiatermelésre, másrészt nyersanyagként változatos anyagok és termékek (műanyagok, gyógyszerek, festékek stb.) előállítására szolgál.

Az Egyesült Államok energiafogyasztása nagymértékben a fosszilis tüzelőanyagokon alapul, és az atomenergia, illetve más források mindössze 10-12 százalékot tesznek ki. A többi, iparilag fejlett ország ezzel szemben energiaigényének 25-85 százalékát fedezi nem fosszilis forrásból. Franciaországban például az elektromosenergia-termeléshez szükséges energia 75-80 százalékát atomenergia adja. Sajnálatos módon azonban sok országban, többek között Magyarországon is, az "atombomba" és "Csernobil" félelmének hagyatéka nagyon lelassította vagy meg is állította új atomerőművek építését.

A kőolaj felhasználása olyan ponthoz érkezett, amikor a világ fogyasztása napi 80 millió hordó (egy hordó mintegy 140 liter), vagyis 10 millió tonnához közelít. Ahogy már említettem, a kőolaj és földgáz felhasználása (elégetése) irreverzibilis folyamat, vagyis ezek (az ernberi időskálán mérve) nem regenerálhatóak. Szerencsére, világméretekben nézve, még mindig jelentős készletekkel rendelkezünk, ha ideszámítjuk a nehéz olajokat, az olajpalát és a szurokföldet. Még nagyobb készleteink vannak kőszénből (amely hidrogénben jóval szegényebb szénvegyületek keveréke), amely ámbár költségesebben, de ugyancsak hasznosítható. Nem azt állítom, hogy készleteink a közeli jövőben kimerülnének, azonban nyilvánvaló, hogy ezek egyre fogynak, egyre drágábbak lesznek, és természetesen nem tartanak örökké. A világ 6 milliárdos és továbbra is gyorsan növekvö népességét figyelembe véve a kőolaj és földgáz iránti igény csak növekedhet. Földgázkészleteink talán valamivel nagyobbak, de lényegében ezekkel is hasonló a helyzet. Kőszénből a világ készletei még talán 200-300 évre is elegendőek, de kibányászásuk nehézséges és kevés fiatal látja jövőjét mint szénbányász.

A világ energiaigénye a XXI. században

A világ gyorsan növekvő népessége, ami a XX. század elején csak 1,6 milliárd volt; mostanra elérte a 6 milliárdot. A mai, egyre fejlettebb technológiájú világ erőforrásai egyre nehezebben tudnak lépést tartani a növekvő igényekkel. A társadalom növekvő igényeit úgy kell kielégítenünk, hogy közben védjük a környezetet, és ezáltal lehetővé tegyük azt, hogy a Föld a jövő generációk számára is lakható, otthont nyújtó hely maradjon. A jelen társadalom egyik legnehezebb feladata, hogy egyensúlyt teremtsen az emberiség növekvő igényei és a környezet megóvása és javítása között. Az élelmiszer, víz, lakóházak, ruházat és sok más alapvető igény mellett természetesen az energia is alapvető szerepet játszik.

A várható energiaválság

Bár abszolút számokban a világ ismert szén-, kőolaj- és földgáztartalékai az elmúlt fél évszázadban még mindig növekedtek, a növekvő fogyasztás és a népesség növekvő számának együttes hatása miatt helyesebb, ha a készleteket egy főre vetítve vizsgáljuk. Ez pedig világosan azt mutatja, hogy az ismert készletek mindössze fél évszázadra elegendőek. Még ha egyéb tényezőket (újabb lelőhelyek felfedezését, takarékos felhasználást, egyéb források belépését stb.) is figyelembe veszünk, a XXI. század közepére igen komoly problémával fogunk szembenézni. A kőolaj és a földgáz ugyan nem fog egyik napról a másikra elfogyni, de a kereslet és a kínálat piaci törvényeinek megfelelően elkerülhetetlen, hogy az árak olyan szintre emelkedjenek, amilyenre ma még gondolni se merünk. Még ezt figyelembe véve is, ha új megoldásokat nem találunk, a század második felére igazi válsághelyzet alakulhat ki.

A világ minden egyes lakosa szeretné élvezni mindazokat az előnyöket, amelyeket a fejlett ipari társadalom nyújt polgárainak. Az alapvetően energiára támaszkodó életünkben a fogyasztás mértéke a világ különböző részein - az iparilag fejlett és a fejlődő országokban - nagymértékben különbözik. Például Kínában az egy főre eső évi kőolaj-felhasználás ma még mindössze csak 5-6 hordó, míg az Egyesült Államokban ez ennek több mint tízszerese. Összességében nézve azonban Kína és az Amerikai Egyesült Államok évi kőolajfogyasztása azonos. Kína felhasználása a következő évtizedekben várhatóan megduplázódik. Ez a tendencia világosan mutatja, hogy komoly problémával állunk szemben.

Atomenergia és alternatív energiaforrások

A nem megújuló fosszilis tüzelőanyagok (kőoalaj, földgáz, kőszén) felhasználasán alapuló energiatermelés csak rövid távon jelent megoldást, és még így is komoly környezetvédelmi problémákat vet fel. Az atomkorszak beköszönte új lehetőséget teremtett, de ugyanakkor veszélyeket is felvetett. Tragikusnak tartom, hogy ez utóbbiak miatt az atomenergia további fejlesztése, legalábbis a nyugati világban, gyakorlatilag megállt. Úgy látom, hogy hosszabb távon nincs más választásunk, mint az, hogy egyre növekvő mértékben atomenergiára támaszkodjunk. Nyilvánvalóan ezt akkor tehetjük meg, ha megoldjuk a biztonsággal kapcsolatos kérdéseket, valamint a radioaktív hulladékok elhelyezésének és tárolásának problémáit is. Természetesen fontos, hogy rámutassunk a nehezségekre és veszélyekre, és az az, hogy ésszerű szabályozást vezessünk be. Ugyanakkor alapvető, hogy megtaláljuk az ezeket a problémákat kiküszöbölő megoldásokat.

Az atomenergia mellett természetesen minden alternatív energiaforrást (víz, szél, nap stb.) is fel kell használnunk. Így alkalmas helyeken, például sivatagos területeken lehetőség nyílhat a napenergia felhasználására. A szél, a hullámzás, a dagály stb. energiája potenciálisan ugyancsak felhasználható, azonban ezek a források még távol állnak a gazdaságosságtól vagy a megvalósíthatóságtól. Nem beszélve arról, hogy a világ összes alternatív energiaforrása csak kis hányadát képezi az energiaszükségleteknek.

Az energiatárolás nehézségei és a javasolt hidrogén-világgazdaság megkötései 

A jelenleg működő eröművek, akár fosszilis tüzelöanyaggal működnek, akár atomenergiát hasznosítanak, csúcsidőn kívül jelentős tartalék kapacitással rendelkeznek. Mivel az elektromos energia hatékony tárolására jelenleg még nem vagyunk képesek, ez a felesleges kapacitás kihasználható lenne, egyesek szerint hidrogén energiatárolás céljából történő előállítására. Kifejlődhetnek továbbá egyéb lehetőségek is, mint a víz egyéb módon, például enzimatikus úton történö bontása, vagy a napfény felhasználása a szükséges energia nyújtására.

A hidrogén igen illékony, robbanásveszélyes gáz, aminek tárolása és a fogyasztókhoz való eljuttatása nehéz, veszélyes és költséges (magas nyomás szükséges például és egy teljesen új, nem létező infrastruktúra megteremtése). Véleményem szerint nem realisztikus ennek következtében a hidrogén üzemanyag szélesebb felhasználását számításba venni. Ehelyett én már néhány éve a hidrogénből és szén-dioxidból előállítható metil-alkohol felhasználását javasolom.

A metil-alkohol-világgazdaság lehetősége 

A szénhidrogének égési folyamatának megfordítása, vagyis az égés folyamán képződő szén-dioxid és víz szénhidrogénekké történő hatékony és gazdaságos visszaalakítása a jövő egyik nagy kihívása. A természet fotoszintézise ezt a folyamatot persze maga elvégzi (a napenergiát és klorofilfestéket használva mint katalizátort), de új növényi életből szénhidrogén-tartalmú energiaforrások sok-sok millió éven keresztül jönnek csak létre és a tudomány mai állása szerint még nem ismerjük ennek a hosszú folyamatnak kémiai úton való gyorsítását.

Az első pillanatban utópiának tűnhet ez a javaslat, de valójában nem az. Mi, kémikusok elvileg ismerjük azt a lehetőséget, hogyan alakítsuk át a szén-dioxidot hidrogén felhasználásával metil-alkohollá. Erre a célra olyan katalitikus folyamatok használhatóak, amelyekben fémeket, vagy nagyon erős savas tulajdonságokkal rendelkező katalizátorokat alkalmazunk. Az eljárások korlátja, hogy a szükséges hidrogén - például vízbontással történő - előállítása nagyon energiaigényes eljárás. Hosszú távon ez az energia a fejlettebb és biztonságosabb atomenergia révén állhat majd rendelkezésünkre, de minden más lehetséges alternatív energiaforrás felhasználását is számításba lehet venni.

A metil-alkohol mint energiatároló üzemanyag és kémiai nyersanyag

A metil-alkohol folyékony nyersanyag, amely benzinnel jól keveredik és így közvetlenül is felhasználható. Egy másik igen ígéretes felhasználása közvetlen metil-alkoholt hasznosító üzemanyagcellákban van. Az üzemanyagcella olyan berendezés, amely valamely fűtőanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítja át.

Bár ez a lehetőség régóta ismert, Grove skót kutató 1830 körül ismerte fel először, hogy hidrogén és oxigén egy elektrolitikus cellában katalizátorok fölött vizet és elektromos áramot ad. Üzemanyagcellák nagyléptékű gyakorlati megvalósítása azonban még mindig csak fejlesztési stádiumban van.

Laboratóriumunkban egy folyékony metil-alkohol közvetlen oxidációjú üzemanyagcellát fejlesztettünk ki, együttműködve a Caltech-Jet Propulsion Laboratoryval, mely az Egyesült Államok űrprogramjában használt üzemanyagcellákat is kifejlesztette. Ebben az üzemanyagcellában metil-alkoholt és oxigént (vagy levegőt) reagáltatunk alkalmas fémkatalizátoron, ily módon elektromosságot termelünk, miközben szén-dioxid és víz képződik. Ezeknek a metil-alkoholt használó üzemanyagcelláknak az ipari kifejlesztése ma már folyamatban van. Kezdetben azonban kisebb energiaszükségletű elektromos készülékek, mobiltelefonok, számológépek stb. esetében alkalmazzák, de a rendszer bármilyen méretre is felnövelhető. Az üzemanyagcellák hatásossága belső égésű motorokkal szemben nincs limitálva termikus Carnot-effektusoktól, így sok más előnyük mellett sokkal hatásosabb energiaátalakításra képesek, ugyanakkor hangsúlyozni kell, hogy a metil-alkohol (mint a hidrogén is) csak energiatárolást nyújt, és természetesen nem teremt maga új energiát. A hidrogénnel szemben a metil-alkohol szobahőmérsékleten is folyékony, és felhasználására a szükséges infrastruktúra megteremtése nem jelent majd különösen nagy feladatot.

Metil-alkoholon alapuló szénhidrogén-előállítás 

A metil-alkohol (dimetil-éter) szén-dioxidból kiinduló szintézise, katalitikus úton történő továbbalakítás révén, etilén és propilén előállítását is lehetővé teszi. Etilénből lehetőség nyílik a benzinfrakció szénhidrogénjeinek, vagy aromásoknak az előállítására, sőt egyéb, a mindennapi életben fontos szénhidrogének és származékaik egész skálája is hozzáférhetővé válik.

 A légköri szén-dioxidból vízzel és energiabefektetéssel (atomenergiával vagy egyéb alternatív energiával) előállított metil-alkohol a jövő univerzális energiatárolását tudja majd szolgáltatni. A metil-alkohol mint alapanyag szénhidrogének és származékaik előállítására is szolgálhat. Ellentétben a földgázon alapuló Fischer-Tropsch-szénhidrogén-szintézissel, a metil-alkoholon alapuló szénhidrogén-szintézis szén-dioxidot használ alapanyagként.

Szén-dioxid kinyerése az atmoszférából és az üvegházhatás szabályozása 

A szén-dioxid kémiai módon metil-alkohollá való átalakítása magában fogja foglalni az ipari források szén-dioxid-kibocsátásának új, hasznosítható szénhidrogén-üzemanyagok termelése céljából történő újrahasznosítását. Az atmoszféra átlagos szén-dioxid-tartalma nagyon alacsony (0,035 százalék) és ennek következtében a szén-dioxid elválasztása a levegőből fontos része az új metil-alkohol-gazdaság realitásának. Ennek következtében intézetünkben intenzív kutatás folyik új hatásos adszorpciós eljárások kidolgozására.

Az erőművekből, valamint ipari folyamatok eredményeként az atmoszférába kerülő nagy mennyiségű szén-dioxid jelentős mértékben hozzájárul az üvegházhatáshoz, vagyis bolygónk általános melegedéséhez, ami komoly környezetvédelmi problémává vált. A jelenségre először Arrhenius mutatott rá 1898-ban. A Föld melegedése csak hosszabb időszak alatt ítélhető meg pontosan, azonban az atmoszféra szén-dioxid-tartalma és a hőmérséklet között kétségtelenül összefüggés van. Így a szén-dioxid újrahasznosítása, amennyiben hasznos termékké alakítjuk át, nemcsak enyhítheti a csökkenő energiaforrások problémáját, hanem egyúttal hozzájárulhat a globális felmelegedés enyhítéséhez is.

Következtetések

1. A Föld népessége az ipari forradalom óta eltelt két évszázad alatt meghétszereződött és 6 milliárd főre növekedett. Néhány évtizeden belül eléri 10 milliárdot. Ez óriási nyomást jelent a világ korlátozott erőforrásaira és a környezetre.

2. Az emberi élet szempontjából az élelmiszer, lakás stb. mellett az energia is alapvető szükséglet. Nem megújítható fosszilis tüzelőanyag-készleteink (olaj, gáz, kőszén) a XXI. század folyamán jelentős mértékben csökkenni fognak. Az alternatív energiaforrások mellett - a biztonság megfelelő növelése és a radioaktív hulladékok elhelyezési problémáinak megoldása után - végső soron az atomenergia nagymértékű felhasználására fog sor kerülni.

3. A szénhidrogénből álló fosszilis tüzelőanyagok további elégetése nagyban növeli a szén-dioxid képződését, ami hozzájárul a globális felmelegedéshez (üvegházhatás). Egyidejűleg a csökkenő készletek miatt szükségessé válik az, hogy szintetikus úton, megújítható szénforrások felhasználásával jussunk hozzá szénhidrogénekhez, amelyeket aztán akár tüzelőanyagként, akár egyéb termékek nyersanyagaiként használhatunk. A természetben a szén-dioxid újrahasznosítását a növények részben elvégzik.

4. A légköri szén-dioxid visszacirkulálásával nyerhető metil-alkohol a jövő kifogyhatatlan folyékony üzemanyaga, de egyidejűleg nyersanyaga is lehet szénhidrogéneknek és származékaiknak előállítására az egyre inkább költséges és kifogyó kőolaj és földgáz helyett. Ez minden nemzet számára hozzáférhető lesz, és felszabadítja az emberiséget az elkerülhetetlen olaj- (és földgáz-) krízis következményeitől.

E cikk alapját az amerikai Chemical and Engineering News folyóiratban megjelent "The Methanol Economy" című cikkem képezi. (C&E News, Volume 81, Number 38, page 5, ISSN 0009-2347). Köszönet dr. Fogassy Gabriellának a cikk magyar nyelvű változatához nyújtott nélkülözhetetlen segítségéért. 

IRODALOM
1. Olah, G. A. (1999), Olaj és szénhidrogének a 21. században, Magyar Kémiai Folyóirat. 105,5, 161-167.
2. Olah G., Aniszfeld R. (2002) Új generációjú üzemanyagcellák, Magyar Tüdomány, 12 (2002) 1564
 3. G. A. Olah, (1998), Chemical Research 2000 and Beyond, P. Barkan, ed., American Chem. Soc., Washington, DC and Oxford University Press, New York, pp. 40-54.
4. G. A. Olah, Á. Molnár (1995) Hydrocarbon Chemistry, Wiley-Interscience, New York.
5. G. A. Olah (1987), Acc. Chem. Res., 2 441 , és az idézett irodalmak. 
6. Grove, W R. (1839), Phil. Mag. 14, 127.
7. Olah, Prakash et al. (1997) Aqueous Liquid Feed Organic Fuel Cell Using Solid Polymer Electrolyte Membran. US Patent 5,599,63.
8. Surampudi, S., Narayanan, S. R., Vamos, E., Frank, H., Halpert, G., LaConti, A., Kosek, J., Prakash, G. K. S. and Olah, G. A. (1994), Advances in Direct Oxidation Methanol Fuel 'ells, J. Power Sources, 47, 377.
9. Olah, G. A. and Prakash, G. K. S. (1998) Recycling of Carbon Dioxide into Methyl Alcohol and Related Oxygenates for Hydrocarbons, US Patent 5 928 806.
10. Olah, G. A. (2003) The Methanol Economy, C&E News Volume 81, Number 38, page 5, ISSN 0009-2347


Kémia. A Természet Világa különszáma, 2005.