Pyrolys av syntetisk metan: när effektivitet inte är allt...

Pyrolys av syntetisk metan, den negativa utsläppsprocessen som kan bidra till koldioxidutsläppen av schweizisk industri (Foto: EMPA)

Om Schweiz vill uppnå det ambitiösa målet att noll utsläpp år 2050 kommer den också att behöva förlita sig på den så kallade negativa utsläppstekniker (NET), det vill säga de processer som fångar upp CO2 från atmosfären och "fångar" det på lång sikt, till exempel i jord och porösa material som betong.

Som en del av det nya initiativet Bryta atmosfären, EMPA-forskare studerar olika lösningar för infångning och lagring av överskott av CO2 i atmosfären: en av dessa fokuserar på avkolning av den värme som genereras under industriella processer, och planerar att producera syntetisk metan från förnybara källor i de hetaste områdena på jorden för att transportera den till Europa.

Även om processen kräver enorma mängder energi, förklarar forskare, kan den resultera i en utsläppsbalansen negativ, vilket är det centrala målet för de olika studierna i ämnet.

Tanja Zimmermann: "Vi försöker 'materialisera' energi"
Fånga och lagra CO2: 5 strategier på väg mot nettonoll

Schweiz siktar på negativa utsläppstekniker

År 2050 måste Schweiz göra det eliminera dina CO2-utsläpp: ett extremt ambitiöst projekt, som går igenom drastisk minskning av fossila bränslen och för den "mekaniska" elimineringen av koldioxid, vars utsläpp inte kan undvikas. För att likvidera överskott av CO2, bekräftar den senaste rapporten också detta Stiftelsen för utvärdering av tekniska val (TA-SWISS), kommer det att vara nödvändigt att eliminera fossilen men också att ta till negativa utsläppstekniker (NET).

Dessa tekniker, i utvecklingen av vilka Schweiz spelar en pionjärroll, tillåta att absorbera och lagra CO2, men de har avsevärda kostnader och kräver förbättringar på området. Bland de mest lovande NET-teknikerna för att nå nettonollmålet är CO2-lagring i form av biomassa i skogarna, avskiljning och lagring av CO2 från förbränning av biomassa och accelererad åldring av betong (karbonatisering).

I Costi är förmodligen det största hindret för tillfället: om prioriteringen är att minska utsläppen till noll, kan dessa nya tekniker bara drivas av energi som kommer från förnybara energikällor, fortfarande avgjort dyrare än den konventionella.

Men det finns redan viktiga projekt på området, som t.exOrca pilotanläggning för fångst och geologisk lagring på Island (den största klimatpositiva anläggningen i världen) och DemoUpCarma&Storage-projekt som leds av ETH Zürich, som utforskade två möjliga vägar: CO2-mineralisering i betong och lagring i en geologisk reservoar på Island.

Koldioxidavskiljning och lagring: hur ska vi använda CO2?
Vad blir kostnaden för ett CO2-neutralt Schweiz?

En lösning för avkarbonisering av industrin

Byggnader, mobilitet och industri är de största energikonsumenterna i Schweiz. Med fokus på industrisektorn ser man att bl.a högtemperaturprocesser används vid metallbearbetning ochkemisk industri, väldigt ofta drivs av naturgas, får sektorns totala energiförbrukning att hoppa till ungefär 22 terawattimmar per år.

Sålunda, 2022EMPA, Tech Cluster Zug, kantonen Zug och flera andra partners har skapatAssociation for the Decarbonization of Industry (AfDI), som syftar till att utveckla integrerade tillvägagångssätt för minskning av CO2-utsläpp i industriella applikationer som kan implementeras snabbt. Föreningens uppmärksamhet riktas just mot högtemperaturprocesser och logistik, sektorer där väte kommer att spela en avgörande roll.

EMPA-forskare avser i detta sammanhang att bidra till avkolning av värme i högtemperaturprocesser: "Låt oss ta avkolning bokstavligt", han påstår Christian Bach, chef för laboratoriet för Automotive Powertrain Technologies vid EMPA.

"Vi använder en pyrolysprocess för separera kol från naturgas före förbränning", förklarar EMPA-forskaren.

Det som återstår är rent väte (som kan användas för att driva processer vid höga temperaturer) e kol separeras i form av pulver, som kan vidarebearbetas för olika applikationer inom bygg och lantbruk.

En demonstrationsanläggning av tekniken kommer att byggas in Zug under de kommande två åren: lVäte som genereras via pyrolys kommer att ersätta fossil naturgas i V-ZUGs emaljeringsugnar.

Martin Eichler: "16,3 miljarder för avskiljning och lagring av koldioxid"
Vätgas i Tyskland: det är dags för energirevolutionen

E-metan från öknen för att nå nettonoll

Att producera en megawattimme värme för industrin från naturgas, behövs 1,2 MWh primärenergi och den CO2-utsläpp är lika med 288 kg CO2. Om naturgas tidigare avkolas genom pyrolys och endast det resulterande vätet används för att generera högtemperaturvärme, kan CO2-utsläppen minskat med 40 procent, kommer in på 178 kg.

Och det går till och med att få negativa utsläpp under hela processen, om den används istället för naturgas syntetisk metan, som produceras genom att extrahera CO2 från atmosfären som sedan förblir tillgänglig i form av fast kol.

"Det är dock orealistiskt att tro att vi kommer att kunna täckaenormt energibehov av vår industri genom inhemsk produktion av förnybart väte eller syntetisk metan", säger Bach.

Forskarnas blick vänder sig därför mot ökenområden i världen, där solstrålningen per kvadratmeter är dubbelt så stor som i Schweiz.

Här uppstår ett annat tema: den produktion av syntetisk metan i öknen, dess transport till Europa och efterföljande pyrolys minskar den totala effektiviteten, så det är nödvändigt att undersöka energibalanser och växthusgaser under hela produktionscykeln (inklusive utvinning av naturgas och dess transporter).

Resultatet är att även om utsläppen minskar dramatiskt primärenergibehov växer: om naturgas tidigare avkolas genom pyrolys (och endast det resulterande vätet används för att generera värme vid höga temperaturer), kräver produktionen av 1 MWh faktiskt 2,6 MWh primärenergi, över det dubbla jämfört med fossilprocessen.

Martin Ackermann: ”Klimatanpassning? Skydda dig"
Från koldioxidutsläpp en innovativ löparsko

Syntetisk metan: mer energi, färre utsläpp

Användningen av förnybar syntetisk metan istället för naturgas minskar den CO2-utsläppen, som går in i negativt territorium, men kräver enorma mängder primärenergi (förutsatt att den CO2 som behövs för att producera syntetisk metan är utvinns direkt från atmosfären med ett direkt luftinfångningssystem). Det är därför som växter av den här typen bara kan föreställas i ökenområden, förklarar Bach.

Om vi ​​även beaktar utsläppen pga konstruktion av sol- och vindsystem, innebär användningen av syntetisk metan för att generera 1 MWh värme vid höga temperaturer ett primärenergibehov på 3,5 MWh och utsläpp motsvarande 126 kg CO2.

Men om kolet kommer separerade igen från vätet genom pyrolys blir utsläppsbalansen negativ: hela processen producerar i detta fall -77 kg CO2. Å andra sidan är energibehovet som väntat ännu högre: för varje MWh processvärme behövs 6,2 MWh.

"Naturligtvis är primärenergibehovet högt, 2,5 till 3 gånger högre än för den mest effektiva väteproduktionen i Schweiz", medger Bach.

"Men eftersom det i ökenregioner är möjligt att generera två till 2,5 gånger mer el per kvadratmeter av solceller jämfört med här, kräver detta tillvägagångssätt nästan ingen mer solcellsyta".

Den verkliga utmaningen representeras av kostnaderna: EMPA-forskaren är övertygad om att om det var möjligt att börja marknaden för kol som råvara för energitillämpningar kan hela processen bli ekonomiskt hållbara och till och med lönsamt.

Den schweiziska vägen till syntetisk metan är mer solid och mer flexibel
Noll utsläpp och bättre livskvalitet: "Det är smart stad"