Lehet-e környezetbarát a metanol előállítása? Lehet-e üzemanyag-adalék?

A metanol, más néven metil-alkohol vagy faszesz, sokoldalúan felhasználható, folyékony vegyület, amely számos iparágban széleskörűen alkalmazható. Mindenki, aki foglalkozik pálinkával, tudja, hogy mennyire veszélyes anyag. Olyan, mint a medve: jobb, ha nem jut be a szervezetbe. Igaz, a hasznossága ettől még nyilvánvaló.

Használható oldószerként, éghető anyagként, nyersanyagként vagy más vegyi anyagok szintézisének prekurzoraként. A metanol előállításának folyamata és ökológiai hatása további vizsgálatokat igényel.  Javíthatja-e a metanol az üzemanyag-hatékonyságot és csökkentheti-e a károsanyag-kibocsátást?

Ez a cikk ezeket a kérdéseket vizsgálja. Medve nélkül.

Milyen anyag a metanol?

A metanol a legegyszerűbb alkohol, molekuláris képlete CH₃OH. A metanol ennek dacára lenyűgöző anyag! Ennek a tiszta, színtelen és illékony folyadéknak jellegzetes szaga van, ami könnyen felismerhetővé teszi.

A metanol számos forrásból előállítható, többek között földgázból, szénből, biomasszából, sőt szén-dioxidból is. Az elsődleges előállítási módszer azonban a földgáz gőzzel történő reformálása.

Ennek során a földgáz elsődleges alkotóeleme, a metán és a gőz között magas hőmérsékleten és nyomáson, katalizátor jelenlétében reakció megy végbe, majd a szintézisgáz (amely hidrogén és szén-monoxid vagy szén-dioxid  keveréke) katalitikus úton metanollá alakul át.

A metanol kulcsfontosságú alapanyag különböző vegyi anyagok, többek között formaldehid, ecetsav, metil-terc-butil-éter (MTBE) és dimetil-éter (DME) előállításához, amelyeket széles körben használnak az olyan iparágakban, mint a műanyagok, textíliák, festékek, ragasztók és gyógyszerek.

Mennyi metanolt állítanak elő és fogyasztanak el a világon?

A metanoltermelés és -fogyasztás globális szinten egyaránt jelentős. 2022-ben a globális termelés meghaladta a 111 millió tonnát, a kereslet pedig évi 110 millió tonna körül mozog.

Kína, a Közel-Kelet, Észak-Amerika és Európa a metanoltermelés és -fogyasztás vezető régiói. Közülük is, a globális piacon betöltött ilyen jelentős szerepe miatt, megkerülhetetlen Kína dominanciája a metanoltermelés és -fogyasztás terén. 2020-tól kezdve a globális termelés mintegy 65%-áért, a kereslet 54%-áért ez az egy ország felel.

Mi tartalmaz metanolt?

A metanol egy olyan anyag, amely a természetben kis mennyiségben megtalálható bizonyos növényekben, gyümölcsökben, zöldségekben, sőt még az alkoholos italokban is. Az alma, a körte, a szőlő és a paradicsom, valamint a bor, a sör és a szeszes italok mind tartalmaznak nyomokban metanolt.

Széles körű előfordulása ellenére azonban a metanol, mivel már kis mennyiségben is méreg, ezért kockázatot jelenthet mind az emberekre, mind az állatokra nézve, és jelentős mennyiségben történő fogyasztása súlyos egészségügyi következményekkel járhat.

A metanol becsült halálos dózisa az emberek számára testsúlykilogrammonként 0,3 és 1 gramm között van.

Hogyan lehet megelőzni és kezelni a metanolmérgezést?

A metanolmérgezés enyhítése és kezelése sokoldalú megközelítést igényel. A legegyszerűbb persze elkerülni: lehetőleg csak ellenőrzött forrásból, szakértők által készített égetett szeszt fogyasszunk.

Értelemszerűen ne igyunk metanollal átitatott termékeket, mint amilyenek a fagyálló folyadékok, szélvédőtisztító oldatok, festékhígítók vagy fapácok, sőt puszta kézzel se nyúljunk hozzá, mert bőrön át is felszívódik. Metanol mérgezés esetén azonnal forduljunk orvoshoz!

Milyen káros hatásai vannak a metanolnak?

A metanol káros hatásai a mérgezésen túl a környezetre is kiterjedhetnek. A metanol nem megújuló forrásokból, például földgázból és szénből történő előállítása jelentősen hozzájárul az üvegházhatású gázok, nevezetesen a szén-dioxid és a metán kibocsátásához, ami súlyosbítja a globális felmelegedést és az éghajlatváltozást.

Ha a metanol éghető anyagként vagy üzemanyag-adalékanyagként kerül felhasználásra, égése során káros anyagok, többek között szén-monoxid, nitrogén-oxidok szabadulnak fel, amelyek veszélyeztetik a levegő minőségét és az emberi egészséget.

Továbbá a metanol véletlenszerű kibocsátása vagy szivárgása a szárazföldi és vízi ökoszisztémák szennyeződéséhez vezethet, miközben jelentős tűz- és robbanásveszélyt is jelent.

Igaz, mindezen esetekben a legfontosabb kérdés, hogy mekkora mértékű a károsanyag-kibocsátás. Ha ugyanis kisebb, mint más üzemanyagoké, akkor lehet, hogy megéri felhasználni – és pontosan ez történik.

Hogyan csökkenthetők a metanol káros hatásai?

A metanol káros hatásainak csökkentése érdekében elengedhetetlen, hogy a metanol gyártás során fenntarthatóbb és hatékonyabb gyakorlatokat alkalmazzunk.

Ez egyaránt magában foglalja a megújuló erőforrások, például a biomassza vagy a szén-dioxid felhasználását, valamint a szén-dioxid megkötésére és tárolására szolgáló technológiák alkalmazását, amelyek célja a metanol szintézise során keletkező szén-dioxid megkötése.

A metanol elégetéséből származó károsanyag-kibocsátás javítása a legmodernebb motorok alkalmazásával érhető el, amelyek együttesen a szennyezőanyag-kibocsátás minimalizálását és az üzemanyag-takarékosság optimalizálását célozzák.

Miért hasznos a metanol?

A metanol hihetetlenül sokoldalúan felhasználható vegyi anyag és energiaforrás, amelynek felhasználási területei széles skálán mozognak. Kémiai rugalmassága lehetővé teszi számos más vegyület, többek között formaldehid, ecetsav, MTBE és DME szintézisét.

A metanol számos vegyipari felhasználási lehetősége miatt fontos erőforrás a különböző iparágak számára, és a benne rejlő lehetőségek csak tovább nőnek.  Ezeket a származékokat számos ágazatban széles körben használják, többek között a gyártás, az építőipar és a gyógyszeripar kulcsfontosságú összetevőiként.

Energetikai szempontból a metanol közkedvelt a magas oktánszám miatt. A metanol benzinnel és gázolajjal való kompatibilitása, valamint az üzemanyagcella-technológiában rejlő lehetőségei ígéretes fejlesztési irányt jelentenek a hagyományos fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség csökkentésére és az energiaforrások sokszínűségének előmozdítására.

Hogyan és miért használható a metanol üzemanyag-adalékanyagként?

A különféle üzemanyag-adalékanyagokkal való kísérletek során kiderült, hogy a metanol érdemben képes javítani a benzin és a gázolaj tulajdonságait és teljesítményét. A metanol többféle arányban keverhető a benzinhez, úgy, hogy az M mindegyik esetben a metanolt jelenti, a szám mögötte pedig a százalékos arányát a keverékben:

1. M3 (3% metanol és 97% benzin),
2. M15 (15% metanol és 85% benzin) vagy
3. M85 (85% metanol és 15% benzin).

A metanol különféle arányban keverhető gázolajjal is:

1. M5 (5% metanol és 95% gázolaj),
2. M10 (10% metanol és 90% gázolaj) vagy
3. M20 (20% metanol és 80% gázolaj).

A gázolajjal való arányos integrálása nem csak a káros szennyezőanyagok alacsonyabb kibocsátásához járul hozzá, hanem növeli a cetánszámot is, javítva az üzemanyag általános minőségét.

Elő lehet-e környezetbarát módon állítani a metanolt? Hogyan?

A metanol környezetbarát előállításának és üzemanyag-adalékanyagként való felhasználásának vizsgálatakor fontos megjegyezni, hogy a metanol környezeti hatása nagymértékben függ az előállítás módjától.

Bár a metanol különböző forrásokból, például földgázból, szénből, biomasszából vagy szén-dioxidból nyerhető, e módszerek fenntarthatósága jelentősen eltér. Bizonyos eljárások előállítása jelentős mennyiségű energiát, vizet és földet igényelhet, miközben nagy mennyiségű üvegházhatású gáz és szennyezőanyag kibocsátása is előfordulhat.

Földgáz-alapú metanol gyártás

Tudtad, hogy a metanol globális kínálatának mintegy 70%-a földgázból származik? Ez a hatékony eljárás megbízható metanolellátást biztosít – a földgázból származó metánt gőzreformálással alakítják metanollá (a folyamat során a metánt magas hőmérsékleten és nyomáson gőzzel reagáltatják, hogy szintézisgázt hozzanak létre, amelyet aztán katalitikus úton metanollá alakítanak).

Környezetvédelmi szempontból a módszer egyik legnagyobb hátránya a magas energiaigény, a jelentős vízfelhasználás és a metánkibocsátás magas mértéke. A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) tanulmánya szerint a metanol földgázból történő előállításához tonnánként körülbelül 28 gigajoule energiára és 5,6 köbméter vízre van szükség.

Ennek következtében a földgázból nyert metanol környezetbarát volta megkérdőjelezhető, hacsak nem integráljuk a szén-dioxid-leválasztás és -tárolás (CCS) vagy a szén-dioxid-leválasztás és -hasznosítás (CCU) technológiáival.

Szénalapú metanol gyártás

A szén jelentős metanolforrás, különösen Kínában, ahol a világ metanolkapacitásának mintegy 60%-a található. Érdemes megjegyezni, hogy ez az eljárás hasonló a földgáz esetében alkalmazotthoz, de persze néhány különbséggel.  A szénből történő metanolgyártás során a szenet szintézisgázzá alakítják, majd egy reaktorban megtisztítják és metanolt készítenek belőle.

A szénből nyert metanolnak a két legfőbb előnye a földgázból nyert metanollal szemben a költséghatékonyság és a nagyobb energiasűrűség.

Fontos azonban megjegyezni, hogy a szénalapú metanolgyártásnak komoly hátrányai is vannak, mint például a jelentős szén-dioxid-kibocsátás és a nagy mennyiségű vízfelhasználás, na meg persze a szennyezés: az IEA szerint a szénalapú metanolgyártás körülbelül 2,6 tonna szén-dioxidot (CO2) bocsát ki, és metanol tonnánként körülbelül 15 m3 vizet használ fel.

A szén elgázosítása jelentős mennyiségű szilárd hulladék, többek között hamu és salak keletkezésével jár, amely veszélyes fémeket és vegyi anyagokat tartalmazhat. A szén felhasználásával történő metanolgyártás kén-dioxidot (SO2), nitrogén-oxidokat (NOx) és részecskéket (PM) is kibocsát, amelyek hozzájárulnak a savas esőhöz, a szmoghoz és a légzési problémákhoz.

Ennek eredményeképpen a szénből származó metanol a legkevésbé fenntartható környezetvédelmi megoldás, hacsak nem alkalmaznak CCS- vagy CCU-technológiákat.

Biomassza-alapú metanol gyártás

A biomasszában, mint metanolforrásban komoly lehetőségek rejlenek a megújuló és biológiailag lebomló, szénalapú anyagok miatt. A metanol biomasszából történő előállítása meggyőző érvként szolgál a fenntarthatóbb és környezetbarátabb megközelítés mellett, amelyet a csökkentett szénlábnyom, a fokozott fenntarthatóság és a nem megújuló, fosszilis tüzelőanyagoktól való függőség csökkentése jellemez.

Ez az út azonban nem mentes az akadályoktól, beleértve a megnövekedett költségeket, a csökkent hatékonyságot és a nagy területigényt.

A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) megállapította, hogy a biomasszából származó metanol előállításának költsége körülbelül 50%-kal magasabb, mint a földgázforrásokból származó metanolé, és az energiahatékonysági mutató 40% körüli, ami szöges ellentétben áll a földgázból származó metanol 60%-os hatékonyságával.

Szén-dioxid-alapú metanol gyártás

A szén-dioxid felhasználása a metanolszintézis forrásaként innovatív és környezettudatos megközelítés. Ígéretes megoldást jelent az olyan ipari tevékenységekből származó CO2-kibocsátások újrahasznosítására, mint az energiatermelés, az acélgyártás vagy a cementgyártás.

Ez az úttörő folyamat, amelyet hidrogénezésnek neveznek, a CO2 és a hidrogén katalizátor jelenlétében történő reakcióját jelenti, amelynek eredményeként metanol és víz keletkezik. A folyamat során használt hidrogén származhat megújuló erőforrásokból nap- vagy szélenergiával működtetett vízelektrolízis révén is.

A CO2-ból származó metanol a magasabb előállítási költségek dacára is ígéretes megoldást jelent egy fenntarthatóbb jövő számára, ugyanis a potenciális kibocsátás évi körülbelül 100 millió tonnára korlátozódik, ami jelentősen alacsonyabb, mint a földgázból származó metanol évi 1000 millió tonnás kapacitása.

Lehet-e jó üzemanyag-adalék a metanol? Hol kísérleteznek a bevezetésével?

A metanol az üzemanyag-keverékek hatékonyságának javítása mellett költséghatékonyabb alternatívát is kínál. A benzinhez keverve a metanol akár 15%-os térfogatarányig (M15) vagy etanollal együtt akár 85%-os térfogatarányig (M85) is vegyíthető.

Dízelmotorok esetében a metanol akár 20%-os térfogatszázalékig (M20), vagy akár 95%-os térfogatszázalékig keverhető biodízellel (M95), bár a motor és az üzemanyag-ellátó rendszerek kisebb módosítását igényli a keverék befogadásához.

Persze, ha ennyi volna az egész, akkor már rég átállt volna a világ a keverékre (bár még a Google is bejegyzett ilyen szabadalmat). Az alacsonyabb energiatartalom, a fokozott illékonyság és a hagyományos üzemanyagokhoz képest nagyobb korróziós hatás miatt sokan meggondolják, hogy használják-e.

Az összetételt meghatározó, szigorú szabályozás kiemelkedő fontosságú annak biztosítása érdekében, hogy a metanol keverékek kompatibilisek és biztonságosak legyenek az autóipari alkalmazásokban való széles körű használatra.

Kína élen jár a metanol-adalékok terén

Ahogy a bevezetőben már írtuk, világszerte egyre nagyobb lendületet vesz a metanol üzemanyag-adalékanyagként való felhasználásával való kísérletezés, és Kína jár az élen. Kína, mint a világ első számú metanoltermelője és -fogyasztója, az 1980-as évek óta aktívan támogatja a metanol használatát.

E kezdeményezés célja elsősorban az ország olajimport-függőségének csökkentése és a bőséges szénkészletek kiaknázása. A metanol üzemanyagokban való alkalmazásának megkönnyítése érdekében Kína számos szabványt és előírást vezetett be. Ezen túlmenően Kína számos kísérleti projektet indított el a metanol üzemanyag-adalékanyagként való életképességének értékelésére.

Kínán kívül több ország is aktívan vizsgálja a metanol üzemanyag-adalékanyagként való felhasználását

Izrael, Izland, India és Brazília mindegyike egyedülálló módon járul hozzá ehhez a fejlődő kutatási területhez.

A metanol üzemanyag-adalékanyagként való kiaknázásához további kutatásra és fejlesztésre van szükség, valamint szilárd politikai keretekre és a közvélemény fokozott tudatosságára a széles körű elfogadottságát akadályozó technikai, gazdasági és társadalmi kihívások leküzdéséhez.

Metanol mint üzemanyagcella: mit kell tudni róla?

A metanol üzemanyagcellákban való alkalmazása már korábban felmerült lehetőségként azon megoldások esetében, amelyeket úgy terveztek, hogy a metanol kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítsák.

Kétféle alaptípust kísérleteztek ki:

1. a közvetlen metanol üzemanyagcellákat (DMFC) és
2. a közvetett metanol üzemanyagcellákat (IMFC).

Közvetlen metanol üzemanyagcellák

A közvetlen metanol üzemanyagcellák (DMFC) közvetlenül a metanolt használják energiaforrásként, megkerülve az előzetes átalakítási folyamatokat.

Ezek üzemanyagcellák kettős elektródarendszerrel működnek, amely egy anódból és egy katódból áll, amelyeket egy szelektív membrán választ el egymástól. Az anódoldalon kémiai reakció megy végbe, amelynek során a metanol vízzel egyesül, szén-dioxidot termel és elektronokat szabadít fel.

Ezek az elektronok egy külső áramkörön keresztül jutnak el a katódhoz, ahol oxigénnel egyesülve vizet hoznak létre, és így elektromos energiát termelnek. A speciális membrán döntő szerepet játszik, mivel csak a protonokat engedi át, így biztosítva az elektromos áramkör zárását.

A DMFC-k vonzereje az egyszerű felépítésükben, a dicséretes energiasűrűségükben és a viszonylag alacsony hőmérsékleten való működésükben rejlik. Ugyanakkor nem mentes a kihívásoktól, hiszen a szerény teljesítménysűrűség jelentős költségekkel és szén-dioxid-kibocsátással jár.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának kutatása szerint a DMFC-k jellemzően 50 milliwatt/négyzetcentiméter (mW/cm^2) körüli teljesítménysűrűségűek, kilowattonként (kW) 5000 dollárhoz közeli költséggel járnak, és kilowattóránként (kg/kWh) 0,5 kilogramm körüli szén-dioxid-kibocsátást okoznak.

Közvetett metanol üzemanyagcellák

A közvetett, vagy reformált metanolos üzemanyagcellák (IMFC) szintén metanolt használnak üzemanyagként, de egy közbenső lépésben a metanolt hidrogénné alakítják át. Az IMFC-k felépítése egy reformert tartalmaz, amely a metanol és a víz hidrogénné és szén-dioxiddá alakítását végzi, amit katalizátor és hő segít elő.

Ezt követően az előállított hidrogén táplálja a cellát, amely a protoncserélő membrános üzemanyagcellákhoz (PEMFC) hasonlóan működik. Lényegében tehát hidrogén üzemanyagcelláról beszélünk, ami nem tiszta hidrogént éget el és nem a vizet bontja hidrogénre, hanem metanolból nyeri ki a szükséges energiahordozót.

A metanol felhasználása: mi várható a jövőben?

A metanol sokrétű hasznosíthatósága miatt több területen is kulcsszerepet játszhat az elkövetkező időszakban: a közlekedésben, az energiatermelésben, a kémiai szintézisben, sőt a szén újrahasznosításának innovatív területén való felhasználása is valószínűsíthető.

Továbbá, ha a metanolt különböző más üzemanyagok, például dimetil-éter (DME), olefinek, benzin és repülőgép-üzemanyag prekurzoraként vagy keverékeként használják, még fontosabb nyersanyaga lesz a közeljövő fejlett iparának.

Ha ehhez még a forrásai is túlnyomórészt megújulók lesznek, az tovább fogja növelni a vonzerejét, kiváltképpen, ha az előállítás energiaszükségletét is egyre inkább zöld energiával biztosítják.

A földgáz- és szénkészletekben gazdag régiók, mint például Kína, a Közel-Kelet és az Egyesült Államok, különösen jó helyzetben vannak ahhoz, hogy a metanol növekedéséből tőkét kovácsoljanak. Ezzel párhuzamosan a metanollal kapcsolatos technológiák fejlődése – a gyártási, átalakítási és alkalmazási módszerek, valamint a metanol üzemanyagcellák integrációja – erősen valószínűsítik a növekedést.

A támogató jogszabályi keretek és promóciós kampányok, mint például a Metanol Economy Initiative, a Methanol Institute és a Nemzetközi Metanoltermelők és Fogyasztók Szövetsége, tovább erősítik a metanol köré épülő lendületet. A Methanol Institute előrejelzései szerint a globális metanolkereslet megduplázódik, és a 2020-as 100 millió tonnáról 2030-ra évi 200 millió tonnára emelkedik.

Az előrejelzések szerint a közlekedési ágazat lesz a metanol legnagyobb fogyasztója, szorosan mögötte a vegyipar és az energiaipar következik. Emellett a metanol előállítási forrásainak a földgázról és a szénről a biomassza és a CO2 felé történő elmozdulása várható, ami a fenntarthatóság és a körforgás új korszakát hirdeti a metanol felhasználásában.

Mivel a metanol a jövő egyik legfontosabb üzemanyagává válik, az összes érdekelt fél – a termelők, a fogyasztók, a politikai döntéshozók és a kutatók – együttműködésére van szükség ahhoz, hogy a biztonságos és hatékony felhasználás összetett problémái megoldódjanak.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.