A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM


 BESZÉLGETÉS VALYON JÓZSEFFEL, AZ MTA KÉMIAI KUTATÓKÖZPONT

    NANOKÉMIAI ÉS KATALÍZIS INTÉZET IGAZGATÓJÁVAL

X

Sipos Júlia

 

 

Az Ön terveiben hangsúlyosan szerepelnek az energiával kapcsolatos kutatások, ezen belül is a megújuló energiák hasznosítása. Konkrétan milyen irányokban gondolkodik ezen a területen? Vannak-e csírájukban már létező eredmények az intézetben, amiket továbbfejlesztene, vagy teljesen új irányba indulna el?


A nanotechnológia orvosi, műszaki, elektronikai, élelmiszeripari felhasználása folyamatosan és alapjaiban alakítja át életünket. Az intézet kutatása természetesen nem ölelheti fel a területet teljes sokszínűségében. Erőinket két részterületre összpontosítjuk: a nanorendszerek orvosi célú felhasználásának fejlesztésére, illetve a „tiszta” energia és környezet egymással összefüggő kérdéseire. Orvosi célokra gyógyszermolekulák irányított bevitelére pórusos és nem pórusos, módosított felületű, szervetlen nanorészecskéket, vezikuláris és hibrid rendszereket állítunk elő. Vizsgáljuk a nanorendszerek toxicitását és az irányított gyógyszerleadás módozatait. Az alábbiakban a hozzám közelebb álló, terveinkben nagyobb hangsúllyal megjelenő megújuló energia-, elsősorban biomassza-hasznosítás folyó és tervezett kutatásáról adok rövid áttekintést.

A kőolaj- és földgázhasználat, közismert okok miatt, a világ számos országában, így Magyarországon is nemzetbiztonsági, gazdasági és környezeti kockázatot jelent. Megoldás lehet a kimeríthetetlen energiaforrások, a nap- és a szélenergia, a földhő, illetve a megújuló biomassza kémiai energiájának nagyobb arányú hasznosítása, az energiatakarékos technológiák elterjesztése, a hatékonyabb eljárások alkalmazása az említett energiák átalakítására elektromos energiává, a biomassza átalakítása vegyipari alapanyagokká és termékekké, továbbá energiahordozóvá, nevezetesen gázzá (előnyösen metánná) vagy motorhajtóanyaggá. A magyar mezőgazdaság jelentős mennyiségű biomasszát termel, aminek az ésszerű, kémiai és energetikai hasznosításával foglalkozni kell.


Tehát a biomassza témája is foglalkoztatja. A jövő energiáit miért éppen ezeken a területeken tartja fontosnak keresgélni?


Távlatilag a biomassza mint nyersanyag egyre több területen fogja helyettesíteni a kőolajat, kialakulhat az egymásra épülő, biomassza-alapú energia-, motorhajtóanyag- és vegyiparitermék-gyártás, amit a kőolaj-finomító mintájára akár biofinomítónak is nevezhetünk majd. Természetesen, hosszú időt vesz igénybe míg idáig eljutunk, de ne felejtsük el, hogy a kőolajfeldolgozó-ipar mai szintjére mintegy százhúsz-száznegyven év alatt jutott. A petrolkémiai ipar elért sikerei nagyrészt a kőolaj-feldolgozás folyamatainak és a feldolgozás során lejátszódó kémiai átalakulások mechanizmusának tudományos megismerésén alapulnak. A biomasszát feldolgozó ipar sem nélkülözheti a biomassza-összetevők és átalakítási folyamatok mélyreható tudományos megismerését.

Fontos feladat a biomassza hatékonyabb energetikai és kémiai hasznosításának tudományos megalapozása; az intézet hozzájárulása az új technológiák hazai bevezetéséhez és elterjesztéséhez. A kutatás-fejlesztés során az intézet meglévő infrastruktúrájára, valamint a petrolkémiai ipar szolgálatában szerzett, a szénhidrogén-átalakítások folyamatairól felhalmozott tudományos ismereteinkre támaszkodhatunk. A biomassza termokémiai és biokémiai konverziójával nem szándékozunk foglalkozni, sokkal inkább a hasznosítás katalitikus vonatkozásaival.


A nanokémia szempontjából

mit és miért tart fontosnak?


Sokat várunk a nanokémia fejlődésének köszönhető új anyagok és módszerek alkalmazásától. Intézetünk számottevő eredményeket tud felmutatni az új anyagok és anyagrendszerek előállítása terén. Ezek közül megemlítem a fém, a fémoxid és szén nanorészecskék előállítását, a hordozó felületén rögzített nanorészecskék, nanostruktúrák és bevonatok kialakítását, az egységes méretű, mikro- vagy nanopórusokat rendezett formában, például hierarchikus elrendeződésben tartalmazó szervetlen, szilárd anyagokat. Ezt a munkát folytatni kívánjuk, új eljárásokra, anyagokra és készítményekre alapozva bevonatokat, membránokat, szenzorokat és katalizátorokat fejlesztünk. Jónéhány kutatónk témája a nanokémia, az anyagtudomány, az elektrokémia és a katalízis határterületeihez köthető, terveinket tudásukra, módszereikre és meglévő eszközeinkre építhetjük.


Az élelmiszerként és takarmányként is szolgáló mezőgazdasági termékek energetikai-kémiai hasznosítása több problémát idézett elő, mint amennyit megoldott. Mit gondol, el lehet nyerni

a közvélemény támogatását a biológiai eredetű nyersanyagok fokozottabb energetikai hasznosításához? Mit tehetnek ennek érdekében

a kutatók?


Az Európai Unió megújuló erőforrásokra vonatkozó szabályozását és a hozzá rendelt jelentős, az intézet számára elérhetővé váló, hazai és uniós kutatás-fejlesztési pályázati forrásokat tekintve a fenti kutatási irány kijelölése ésszerűnek látszik. Kevésbé egyértelmű, hogy vajon elérhetők-e a biomassza hasznosításától várt társadalmi, gazdasági és ökológiai célok, mint például a vidékfejlesztés elősegítése, illetve a klímaváltozás lelassítása. A kétségek nagyrészt a fa erőművi elégetéséhez és az úgynevezett első generációs bioüzemanyagok, a bioetanol és a biodízel (a növényolajok vagy zsírok átészteresítésével kapott termék) előállításához és felhasználásához kapcsolódnak. Az említett üzemanyagokat élelmiszerként és takarmányként is hasznosítható, a bioüzemanyag-gyártás számára csak korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló, cukor-, keményítő- vagy olajtartalmú anyagokból, például gabonából vagy növényolajból állítják elő. Kétséges, hogy az általánosan alkalmazott mezőgazdasági- és kémiai technológiák mellett az említett bioüzemanyagokból nyerhető-e egyáltalán annyi energia, amely teljes termelési lánc energiaigényénél nagyobb. Az is vita tárgya, hogy a bioetanol és a biodízel növekvő mértékű használatával lassítható-e az üvegházhatású gázok felhalmozódása az atmoszférában. Nyilvánvaló, hogy a nyersanyagbázis szélesítésével, az alkalmazottaknál nagyobb hatásfokú technológiák elterjesztésével és új termékek bevezetésével lehet csak a bioüzemanyagokkal kapcsolatos fenntartásokat lassan eloszlatni. Intézetünk biztosítani tudja az ehhez nélkülözhetetlen tudást és kutatási hátteret.

A közeljövőben a legnagyobb kihívást a jelenleg alkalmazott cseppfolyós motorhajtóanyagok kiváltása jelenti egyenértékű vagy kedvezőbb tulajdonságú, biológiai eredetű alapanyagból előállított cseppfolyós energiahordozóval. A bioenergetika számára a fent említett biológiai eredetű anyagoknál lényegesen nagyobb a jelentősége a nagy mennyiségben rendelkezésre álló lignocellulóznak, elsősorban a faipari és mezőgazdasági hulladékoknak, valamint az állati fehérje tartalmú vágóhídi és élelmiszeripari hulladékoknak. A biomassza egyik fontos jellemzője az eredettől függő sokféleség. Szemben a kőolajjal – mely lényegében szénhidrogénekből áll, heteroatom tartalma (S, N, O, fémek) viszonylag alacsony, míg kéntartalma a legnagyobb, de jellemzően <5 tömeg % – a biomassza heteroatom-tartalma nagy: a növényi eredetű anyagokra a magas oxigéntartalom (10–50 tömeg %), az állati eredetű anyagokra a magas nitrogéntartalom (~6–10 %) a jellemző. További lényeges különbség, hogy a legtöbb biomassza gyakorlatilag nem tartalmaz ként. A kőolaj-alapú motorhajtó anyagokkal egyenértékű termék előállítása lényegében azt jelenti, hogy a biomasszából el kell távolítani a heteroatomokat, és ki kell alakítani a motorhajtó anyagokra jellemző szénhidrogéneket. Kétféle stratégia vázolható fel: az egyik a biomassza szén-monoxid/hidrogén eleggyé (szintézisgázzá) konvertálásával, majd a szintézisgázból a szénhidrogének katalitikus folyamatban történő újraépítésével (Fischer–Tropsch-szintézis) számol, a másik pedig a biológiai nyersanyagban meglévő szén–szén és szén–hidrogén kötések szükséges és lehetséges mértékű megőrzésével.

 

 

Az elgázosítási technológia viszonylag egyszerűen megoldja a heteroatom-mentesítést, és túllép a biomassza sokféleségéből fakadó nehézségeken. A szénhidrogénláncok felépítésének technológiája is jól ismert, de túl nagy beruházási igénye miatt csak hatalmas kapacitások kiépítése mellett várható, hogy a költségek belátható időn belül megtérülnek. A területileg szétszórtan keletkező biomassza gazdaságos feldolgozásához a kutatásnak fel kell tárnia a szintézisgáz cseppfolyós szénhidrogénné konvertálásának hatékonyabb módjait. A katalitikus folyamat mechanizmusának, a katalitikusan aktív helyek szerkezetének mélyebb megismerése oda vezethet, hogy, adott esetben, nanotechnológiai módszerek alkalmazásával a folyamathoz aktívabb katalizátort és a biomassza gazdaságos feldolgozására is alkalmas kisebb beruházásigényű technológiát fejleszthessünk ki.


Tudomásom szerint a gázelegyek előállításának problematikáját is fontosnak tartja. Ez konkrétan mit jelent, hiszen nyilván nem az elmúlt évek gázproblémái terelték erre a figyelmét?


A biomasszából történő gázgyártás, történjen anaerob fermentációval metánná, vagy parciális oxidációval, vízgőzős reformálással, pirolízissel, adott esetben az eljárások kombinálásával szén-monoxid/hidrogén eleggyé, mindenképpen megalapozza a biomassza kémiai energiájának hatékony átalakítását értékesebb elektromos energiává. A gázzal gázmotor vagy gázturbina üzemeltethető, és generátor, amely elektromos energiát táplálhat a helyi vagy az országos hálózatba. Intézetünk foglalkozik a pirolízis-termékek reformálásának katalitikus folyamataival, a vízgőzös reformálási technológia kutatásával, fejlesztésével.
Törvényszerű, hogy a kémiai energiának csak egy része alakítható át mechanikai/elektromos energiává, a nagyobb része többnyire hővé alakul. A hálózatra táplált elektromos energia egyik jelentős értéke, hogy előállításának helyétől távol is azonnal használható, míg a hőenergia szállítása nehézkes, a keletkezés helyének viszonylag szűk környezetében lehet csak hasznosítani. Az elektromos hálózathoz közel hasonló kiépítettségű gázhálózatból viszont a hálózatba táplált metán kémiai energiája bárhol rendelkezésre áll. Ez a tényező előtérbe helyezi azoknak a gázosító, gázkonverziós és gáztisztítási eljárásoknak a kutatását, melyek terméke hálózatba táplálható, >95% tisztaságú metán.


Mit tekint ma a legérdekesebb kutatói kihívásnak?


Egyértelműen a lignocellulóz alkalmazása bioüzemanyag-előállításra. Az első lépés a lignocellulóz poliszacharid láncának részleges lebontása (termikus hasítása, enzimes vagy katalitikus hidrolízise), ezt követheti a heteroatom-mentesítés és a motorhajtó anyagokban megkívánt hosszúságú szénláncok felépítése. Ezen a területen még nagyon sok a tennivaló. A közeljövőben a biomassza termikus bontásával (pirolízisével) előállított bioolaj katalitikus heteroatom-mentesítésével szeretnénk foglalkozni.

A lignocellulózból kapott mono- és diszacharidok biokémiai konverziója etanollá viszonylag egyszerű feladat. A probléma az, hogy a fermentáció során keletkező oldat etanolra csak 14–16%-os. Az üzemanyag-bioetanolt energiaigényes, költséges víztelenítéssel kell előállítani. Pórusos membránok fejlesztésével járulunk hozzá a költséghatékonyabb membránszeparációs (pervaporációs) víz/etanol szétválasztási eljárások elterjedéséhez. Intézetünkben kísérletek folynak hidrogén előállítására az etanol/víz elegy katalitikus reformálásával. A víz és a reformálás során keletkező hidrogén szétválasztása nem jelent nehézséget. Egy hatékony katalitikus eljárással technológiai megoldás születhet a bioetanol energetikai hasznosítására, a jövő energiahordozójának, a hidrogénnek az előállítására. A hidrogéngyártással kapcsolatban meg kell említenünk a víz fotokatalitikus bontására vonatkozó kutatásunkat is. A napenergia hasznosításának kutatásával jelenleg, és előre láthatólag a közeljövőben is, csak a fotokatalitikus eljárások tekintetében foglalkozunk.

A hidrogén (és a biohidrogén) előállítása energetikai szempontból akkor nyer értelmet, ha a hidrogén kémiai energiáját tüzelőanyag-elemben a hőerőgépek hatásfokánál nagyobb hatásfokkal tudjuk elektromos/mechanikai energiává átalakítani. A hidrogénüzemű tüzelőanyag-elemben elektrokatalitikus folyamatok játszódnak le. Intézetünkben a nanotechnológia, az elektrokémia és a katalízis területén képzett kutatók összefogásával új nemesfémmentes vagy nemesfémben szegény szénhordozós elektrokatalizátorok kutatása-fejlesztése folyik. Ehhez kapcsolódóan foglalkozunk a hidrogént szennyező, katalizátor-méreg szén-monoxid katalitikus ártalmatlanításával (szelektív oxidálásával).


Van-e olyan kutatás, aminek az eredményeire

már a közeljövőben számíthatunk?


A bioüzemanyagok második generációjának, a kőolajból előállított dízelolaj tökéletes helyettesítésére alkalmas, annál jobb minőségű, ún. „zöld dízel” megjelenésére már a közeljövőben számítani lehet. A „zöld dízel” növényolaj katalitikus heteroatom (oxigén) mentesítésével készül. A növényolajat alkotó trigliceridek szénhidrogén láncai alkotják a folyamat motorhajtóanyagként használható termékét. Intézetünkben a folyamat katalizátorait és katalitikus mechanizmusát kutatjuk.
Bár nem tartozik a bioenergetikai kutatások sorába, megemlítem az elektromos energia nagy teljesítménysűrűségű tárolására képes kondenzátorok, az úgynevezett „szuperkapacitások” fejlesztésére végzett munkánkat. A „szuperkapacitások” gyakorlati alkalmazása nem a távoli jövő, és jelentős energiamegtakarítást ígér. Tömegre vonatkoztatott energiatároló képességük nem éri ugyan el a galvánelemekét és a hagyományos vagy új fejlesztésű akkumulátorokét, de teljesítménysűrűségük kimagasló, azaz igen rövid idő alatt képesek a bennük tárolt energiát leadni, és természetesen fölvenni is. Kísérleti jelleggel üzemelnek ma már olyan autóbuszok, amelyek a fékezéskor egyébként veszendőbe menő energiát szuperkondenzátorba töltik, és a következő gyorsításkor felhasználják, képesek a megállóban tartózkodás rövid ideje alatt annyi energiát fölvenni az elektromos hálózatból, amivel a következő megállóig eljuthatnak. A járműiparon kívül számtalan alkalmazással kísérleteznek világszerte: a tankok és tengeralattjárók motorjának indítására szolgáló eszköztől kezdve a másodpercek alatt feltölthető mobiltelefonokig. A hagyományos energiatároló akkumulátorokhoz képest további előnyös tulajdonságuk a hosszú élettartam (a töltés/kisütés ciklusok száma százezrekben, milliókban mérhető), hátrányuk az (egyelőre) magas ár.


Milyen nemzetközi szintű tervei vannak,

mit helyez a kutatások centrumába, amit nemzetközi együttműködéssel valósítanak meg?


Nemzetközi kooperációban zajló „szuperka-pacitás”-fejlesztésünk középpontjában olyan felületek előállítása áll, melyet három dimenzióban rendezett, szén nanocsövekből álló „erdő” borít. Az alig egy éve folyó kutatás megalapozza a reményt, hogy az ismert termékeknél lényegesen nagyobb teljesítménysűrűségű eszköz szülessen.

A gazdasági és szabályozási kényszerek hatására a vállalkozásoknak foglalkozniuk kell a biztonságos és takarékos energiahasználattal és környezetbarát eljárásokkal. Jelentős saját forrásokat kutatás-fejlesztésre mégsem nagyon tudnak, akarnak fordítani. Előnyös, hogy a vállalkozók és a kutatók együttműködését kikényszeríti az európai uniós és a hazai pályázati rendszer. A vállalkozások élnek a pályázati források bevonásának lehetőségével. Intézetünk résztvevője több támogatott, vállalkozásokkal közös K+F munkának. A jövőben is új elképzelésekkel, aktív kezdeményezőként fogunk hazai és uniós pályázó konzorciumok létrehozása érdekében fellépni. A siker alapja a széleskörű nemzetközi együttműködés, az ismertség és a jó közleményekkel bizonyított versenyképes tudás.