Czyszczenie krowich gazów. Nowe urządzenie eliminuje metan z obór

Metan to jeden z najsilniejszych gazów cieplarnianych. Cząsteczki tego gazu w atmosferze wpływają na ocieplenie klimatu nawet 85 razy silniej, niż taka sama ilość dwutlenku węgla. Co prawda metanu w atmosferze jest znacznie mniej, niż CO2, ale Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC) ustalił, że natychmiastowe ograniczenie jego emisji znacznie spowolniłoby proces globalnego ocieplenia. Połowa metanu w atmosferze trafiła do niej wskutek działalności człowieka, przede wszystkim przez emisje związane z hodowlą bydła i produkcją paliw kopalnych. 

Ograniczenie emisji metanu z rolnictwa jest poważnym problemem. Gaz powstaje podczas procesów fermentacji, jest więc emitowany m.in. przez roślinożerne zwierzęta gospodarskie, takie jak krowy. 

Emisje zwierząt gospodarskich - pochodzące z odchodów i gazów żołądkowo-jelitowych - stanowią około 32 procent emisji metanu powodowanej przez człowieka. Wzrost liczby ludności, rozwój gospodarczy i migracja miejska pobudziły bezprecedensowy popyt na białko zwierzęce, a biorąc pod uwagę, że liczba ludności na świecie zbliża się do 10 miliardów, oczekuje się, że do 2050 r. zapotrzebowanie na mięso wzrośnie aż o 70%.

Metan rolniczy nie pochodzi jednak wyłącznie od zwierząt. Uprawa ryżu, podczas której zalane pola uniemożliwiają przedostawanie się tlenu do gleby, tworząc idealne warunki dla bakterii wydzielających metan, odpowiada za kolejne 8% emisji powodowanych przez człowieka.

Nowa metoda, opracowana przez zespół badawczy Wydziału Chemii Uniwersytetu w Kopenhadze i założonej przez nich firmy Ambient Carbon, pozwala jednak usunąć metan znajdujący się w budynkach gospodarskich zanim trafi do atmosfery. Badacze wykorzystali do usunięcia niskich stężeń metanu światła ultrafioletowego i chloru. 

"Duża część naszych emisji metanu pochodzi z milionów źródeł o niskim stężeniu, takich jak obory dla bydła i trzody chlewnej. W praktyce metanu z tych źródeł nie da się dziś skoncentrować do wyższych poziomów ani usunąć" tłumaczy prof. Matthew Stanley Johnson, chemik atmosferyczny z Uniwersytetu Kopenhaskiego. “Nasza nowa praca dowodzi jednak, że usunięcie go jest możliwe przy wykorzystaniu opracowanej przez nas komory reakcyjnej". 

Johnson zaprezentował wyniki badań na COP 28 w Dubaju oraz w Waszyngtonie w Narodowej Akademii Nauk, która doradza rządowi USA w zakresie nauki i technologii.

Metan znajdujący się w powietrzu można wypalić, jeśli jego stężenie przekracza 4 proc. Jednak większość emisji powodowanych przez człowieka nie przekracza stężenia 0,1 proc, co uniemożliwia pozbycia się metanu w taki sposób. 

Aby rozwiązać problem, naukowcy zbudowali komorę reakcyjną, która wygląda jak metalowa opleciona wężami i wyposażona w przyrządy pomiarowe. Wewnątrz zachodzi reakcja łańcuchowa związków chemicznych, która kończy się rozkładem metanu i usunięciem dużej części gazu z powietrza.

"W opublikowanej przez nas pracy udowodniliśmy, że nasza komora reakcyjna jest w stanie wyeliminować z powietrza 58 proc. metanu" mówi Johnson. “Od tej pory poprawiliśmy jednak efektywność procesu, i obecnie komora reakcyjna redukuje 88 proc. metanu z powietrza". 

Kluczowym elementem procesu jest chlor. Wykorzystując go w połączeniu z energią ze światła UV, naukowcy są w stanie szybko rozbijać cząsteczki metanu. W naturalnych warunkach metan pozostaje w atmosferze przez 10-12 lat po wyemitowaniu. 

"Metan rozkłada się w ślimaczym tempie, ponieważ gaz ten nieszczególnie lubi reagować z innymi substancjami w atmosferze" wyjaśnia Johnson. “Odkryliśmy jednak, że za pomocą światła i chloru możemy wywołać reakcję i rozbić metan około 100 milionów razy szybciej niż dzieje się w naturze".

Naukowcy zbudowali komorę reakcyjną i opracowali metodę symulującą i znacznie przyspieszającą naturalny proces degradacji metanu. Metoda polega na wprowadzeniu cząsteczek chloru do komory reakcyjnej z metanem. Następnie badacze kierują światło UV na cząsteczki chloru. Energia światła powoduje rozszczepienie cząsteczek i utworzenie dwóch atomów chloru. Atomy chloru kradną następnie atom wodoru z metanu, który następnie rozpada się. Produkt reakcji, czyli kwas solny, jest wychwytywany, a następnie zawracany do komory. Metan zamienia się w dwutlenek węgla (CO2), tlenek węgla (CO) i wodór (H2) w taki sam sposób, jak w naturalnym procesie zachodzącym w atmosferze.

Kolejnym krokiem będzie stworzenie o wiele większej wersji reaktora, który zostanie umieszczony w 12-metrowym kontenerze. Prototyp będzie można podpiąć bezpośrednio do instalacji wentylacyjnej w oborze.

"Współczesne gospodarstwa hodowlane to obiekty wyposażone w zaawansowane technologie, usuwające z powietrza m.in. amoniak. Wykorzystanie istniejących systemów oczyszczania powietrza od usuwania także metanu jest więc oczywistym rozwiązaniem"  mówi prof. Johnson.

To samo rozwiązanie można wykorzystać także w biogazowniach i oczyszczalniach ścieków, które są jednymi z największych sztucznych źródeł emisji metanu. 

"Dania jest pionierem, jeśli chodzi o produkcję biogazu. Jeśli jednak ucieknie zaledwie kilka procent metanu powstałego w tym procesie, przeciwdziała to wszelkim korzyściom klimatycznym płynącym z produkcji tego paliwa" podsumowuje Johnson.

Obecnie metan jest odpowiedzialny za jedną trzecią skutków globalnego ocieplenia.. Od połowy XVIII wieku stężenie metanu w atmosferze wzrosło o 150%.

Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej roczny wzrost stężenia metanu w latach 2020-2021 był najwyższy w historii, a dane zbierane w czasie rzeczywistym wskazują, że w 2022 r. poziomy te nadal rosły. Ograniczenie emisji metanu ma zatem ogromne znaczenie dla osiągnięcia celów klimatycznych na rok 2050. Metan jest także silnym lokalnym czynnikiem zanieczyszczającym powietrze i przyczynia się do powstawania ozonu, który powoduje poważne problemy zdrowotne.