Chociaż wynalazek dotyczy energetyki, dobrym punktem wyjścia do jego opisu będą auta wyposażone w silnik Diesla. Użytkownicy tych samochodów wiedzą, że największą słabością tych napędów jest emisja szkodliwych gazów (pokazała to afera VW z 2015 r.). W codziennej eksploatacji oznacza to zaprzyjaźnienie się m.in. z płynem AdBlue, który jest potrzebny do tego, aby silnik nie emitował do atmosfery tlenków azotu.
Tak się składa, że w energetyce opalanej węglem tlenki azotu także stanowią poważny problem. Bardzo podobny jak w przypadku silników Diesla jest też sposób walki z nimi. Ameryki nikt w tym przypadku już od dawna nie odkrył, ale to nie znaczy, że na wytrwałych nie czekają nieznane lądy. – My pokazujemy, że w tym procesie kryją się jeszcze oszczędności. I że tradycyjna energetyka może być czystsza za mniejsze pieniądze – tłumaczy dr Maciej Kapkowski z Uniwersytetu Śląskiego.
Trener personalny
Tlenki azotu nie przyczyniają się do efektu cieplarnianego (a przynajmniej nie bezpośrednio), ale mają wpływ na jakość powietrza – stanowią m.in. jeden ze składników smogu. Stąd ich emisje do atmosfery od wielu lat ograniczają coraz ostrzejsze normy. Dla przykładu, silniki napędzające auta ciężarowe mogą dziś emitować jedną szesnastą tego, co na początku lat 90.
Zarówno w motoryzacji, jak i energetyce sposób na radzenie sobie z tlenkami azotu jest podobny: wykorzystuje się w tym celu katalizatory, za pomocą których możliwe jest przeprowadzenie selektywnej redukcji katalitycznej (SCR). Pod tą nazwą kryje się proces, w wyniku którego z tlenków azotu finalnie otrzymujemy nieszkodliwy azot i parę wodną (dzieje się to w obecności amoniaku; w samochodach powszechnie stosowany jest płyn AdBlue). – O ile katalizator samochodowy jest niewielki, o tyle te stosowane w energetyce mogą mieć wielkość dużej szafy. Kilka rzędów takich szaf ustawionych jedna za drugą tworzą warstwę katalityczną – mówi dr Kapkowski.
W środku każdej jednostki katalitycznej umieszczony jest materiał katalityczny w postaci równolegle ułożonych płyt lub jako struktury typu plaster miodu. Katalizator jak dobry trener personalny: potrafi zmotywować – w tym przypadku cząsteczki ‒ do wejścia w reakcję, co pod jego nieobecność byłoby bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Tlenki azotu znajdujące się w gazie wylotowym trafiają na warstwę katalizatora w obecności amoniaku i ulegają rozkładowi do azotu i pary wodnej.
Nie wylewać dziecka z kąpielą
Problem polega na tym, że katalizatory zużywają się – a tanie nie są. W związku z tym konieczna jest ich regeneracja. – To się bardziej opłaca niż skomplikowany i kosztowny proces składowania i utylizacji, gdyż materiał katalityczny zawiera wiele szkodliwych pierwiastków, których uwolnienie spowodowałoby skażenie środowiska – wyjaśnia dr Kapkowski.
Co się właściwie dzieje z katalizatorami podczas ich użytkowania? Po prostu zapychają się i ulegają dezaktywacji, skutkiem czego pracują z coraz mniejszą wydajnością. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w gazach wylotowych znajduje się dużo pyłów, które wraz ze spalinami powodują niszczenie powierzchni katalizatora. – Ich ilość można zmniejszyć, odpylając i odsiarczając gazy (technologia low dust). Ale coś za coś: podczas tych procesów spada temperatura gazu. Tymczasem katalizator do poprawnego działania wymaga wysokiej temperatury, więc w tym wariancie gaz trzeba podgrzewać – wyjaśnia dr Kapkowski, dodając, że to oczywiście podwyższa koszty. W innym wariancie użytkowania katalizatorów (technologia high dust) z kolei szybszemu zniszczeniu ulega warstwa katalityczna, ale koszty realizacji procesu są niższe, bo gazy spalinowe nie wymagają dodatkowego podgrzewania.
Tradycyjne metody regeneracji katalizatorów polegają na zastosowaniu agresywnych kwasów i zasad. W pewnym sensie wylewane jest tu dziecko z kąpielą, gdyż taka procedura powoduje osłabienie i niszczenie struktury katalizatora, ograniczając maksymalny czas jego eksploatacji. Standardowa usługa regeneracyjna obejmuje więc nie tylko oczyszczenie katalizatora, lecz także uzupełnienie (suplementację) warstwy katalitycznej pierwiastkami stanowiącymi metale aktywne, które są tracone w pierwszym etapie tradycyjnej regeneracji. Opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Śląskiego metoda nie wymaga suplementacji: kąpiel jest tak pomyślana, żeby pozbyć się zanieczyszczeń bez utraty najcenniejszych metali stanowiących warstwę aktywną katalizatora oraz zabezpieczyć jego strukturę przed niepożądanymi procesami niszczenia powierzchni.
Jak zapewnia dr Kapkowski, metoda została już przetestowana w praktyce, bo jej opracowanie odbyło się w ramach grantu złożonego we współpracy z partnerem biznesowym (firmą AdMoto Rafał Zawisza z Chorzowa). Dopóki więc energetyka w najbliższej okolicy będzie palić węglem, to wynalazkowi z Uniwersytetu Śląskiego nie grozi los „półkownika” – nie trafi na półkę, gdzie zostanie zapomniany.
Eureka! DGP
Trwa ósma edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 18 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi na specjalnej gali 23 czerwca, zaś podsumowanie tegorocznego cyklu ukaże się 25 czerwca w Magazynie DGP. Główną nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora
mecenas polskiej nauki
partnerzy merytoryczni
organizator