A kémia a jövőt meghatározó innovációs trendek alapja

Akár a COVID, akár a klímaváltozás elleni küzdelemre, akár az energia­hatékonyság, illetve -termelés új alapokra helyezésére, akár a változó szabályozási környezethez való, a költségek csökkentését célzó innovációra gondolunk, minden területen köz­ponti szerepet fog játszani a kémiai alap­kutatás, illetve a vegyipari fejlesztés – állítja Viskolcz Béla, a Miskolci Egyetem Kémiai Intézet intézetvezető egyetemi tanára. A kutatások egyik kiemelt jelentőségű területe a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése, az itt folyó fejlesztések meghatározhatják a földi éghajlat és így az emberiség jövőjét.


Ma már jól látszik, hogy az új típusú koronavírus okozta COVID-19 pandémia, illetve az utána esetleg következő (vagy bölcs előrelátással elkerülhető) hasonló járványok, az éghajlatváltozás, illetve a bio­diverzitás elvesztése szinte minden ipari területen gyökeres változásokat fog kikényszeríteni, vélekedik Viskolcz Béla. „Olyan korban élünk, ami semmiben sem hasonlít a korábbiakhoz. Ez az információs technika kora. Soha ilyen gyors változás nem ment végbe a világ ipari termelésében és a technológiákban, mint manapság. Minden iparág számára kihívás, hogy ehhez hogyan tud majd kapcsolódni.”

Az intézetvezető szerint a vegyipar 21. századi legkomolyabb ki­hívásai közvetetten vagy közvetlenül a klíma­változás­hoz, pontosabban a klíma­változás­hoz történő alkalmazko­dáshoz, illetve az éghajlat melegedé­sének mérséklé­­séhez kapcsolódnak. Az Euró­pai Unió célul tűzte ki a tagállamok számára, hogy az évszázad közepére a nettó szén-dioxid-kibocsátás nullára csökkenjen. Ez természetesen nem azt jelenti, hogy egyáltalán nem működhetnek majd olyan iparágak, illetve nem folyhat olyan termelő- vagy szolgáltató­tevékenység, amelynek ne lenne szén-dioxid-lábnyoma, vagyis ne juttatna üvegházhatású gázt a légkörbe. Viszont ezzel szemben legalább ugyan­ekkora kapacitású szén-dioxid-elnyelő aktivitást kell beindítani.

Már ma is 20-30 százalékkal csökkenthető az emisszió

Ezt a célt csak akkor lehet elérni, ha a kibocsátást csökkentjük, és ezzel párhuzamosan az elnyelést növeljük. E két folyamat egyike sem képzelhető el kémiai fejlesztések és alapkutatás nélkül.
„Nem is tudnék olyan klímavédelmi intézkedést mondani, ami ne kapcsolódna a vegyiparhoz. Minden, ami az elmúlt 150 évben az energiatermelés alapját képezte, az vegyipari művelet volt. De ezek az eljárások szinte egyike sem marad fenntartható a jövőben – mondja Viskolcz Béla. – A fosszilis energiahordozókból, vagyis a kőolajból és a földgázból származó olcsó energia kora gyakorlatilag lejárt. A klímaváltozás egyre nagyobb költségeket ró a régi vegyipari ágakban folyó termelésre. Ezt csak folyamatos fejlesztéssel lehet elfogadható szinten tartani, miközben teljesítjük azokat az elvárásokat is, amelyek a társadalom felől érkeznek.”

A vegyipar 21. századi legkomolyabb kihívásai közvetetten vagy közvetlenül a klímaváltozáshoz történő alkalmazkodáshoz, illetve az éghajlat melegedésének mérsékléséhez kapcsolódnak. A nettó szén-dioxid-kibocsátás nullára csökkenése akkor vezethet sikerre, ha a kibocsátást csökkentjük, és ezzel párhuzamosan az elnyelést növeljük.

A szükséges lépések közül az egyetemi tanár szerint az energiahatékonyság növelése jelenleg a legegyszerűbben és leggyorsabban kivitelezhető. Ennek az az oka, hogy már ma is rendelkezünk olyan technológiákkal, amelyek lehetősé­get biztosítanak például a szén-dioxid-kibocsátás mérséklésére 20-30 százalékkal, azonos mértékű energia­termelés mellett. Vagyis az energia­termelés fajlagos környezeti terhelése csökkenthető. Ebben számos lépés, köztük vegyipari fejlesztések alkalmazása is a segítségünkre lehet.

A Miskolci Egyetem Kémiai Intézetében például új típusú katalizátorokat fejlesztenek. Fontos tudni, hogy a kémiában és a vegyiparban minden olyan adalék anyagot katalizátornak neveznek, amely a kémiai reakciók végbemeneteléhez szükséges aktiválási energiát csökkenti, így növeli a reakciósebességet. Ha pedig egy katalizátor hatékonyabb, mint az elődei, akkor azonos energiabefektetéssel nagyobb reakciósebesség (vagyis időegység alatt átalakuló több anyag) érhető el, így a művelet energiaigénye is csökkenthető.

„Elengedhetetlen, hogy új technológiák használatára térjünk át, a régi, elavult technológiákat lekapcsoljuk. Az új technológiák bevezetésekor, sőt tervezésekor már eleve figyelembe kell vennünk a fenntarthatósági szempontokat
– magyarázza Viskolcz Béla. – Amikor egy vegyipari vállalat eltervez egy fejlesztést, ma már minden­képpen számolnia kell például a szén-dioxid-kvótával. Egyértelmű, hogy ez a költség a következő tíz évben a vegyipari termelés domináns tétele lesz. Ez állandó és folyamatosan növekvő költséggé válik, és azokat a technológiákat, amelyek ezt a tényezőt nem képesek figyelembe venni, hamarosan le fogják cserélni.”

Átterhelés a megújuló forrásokra

Az energiatermelés alapja az ipari forradalom óta a kémiai energia (vagyis főként a szénvegyületek szén-szén kötései­ben rejlő energia) átalakítása volt hővé, ami után a hővel végeztetnek munkát. Ám a megújuló energiaforrások jó része nem így biztosítja az energiát, gondoljunk csak a nap-, a szél- vagy a vízenergiára. Mind­ebből akár azt a következtetést is levonhatnánk, hogy a vegyipar sze­repe csökkenni fog a jövőben az energiatermelésben. Az egyetemi tanár azonban ezzel korántsem ért egyet. Az energia­termelés trendje valóban a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökken­tése, és a megújulók intenzívebb használatának irányába mutat. Ám ez problémákat is okozhat.

A vegyipari üzemekben elsőrendű a termelés folytonossá­gának fenntartása. Ehhez folyamatosan áramra van szükségük. Az áram­szünet egyszerűen nem lehet opció. Kevéssé ismert, de a vegyipari műveletek energiaigénye óriási. Viskolcz Béla elmondta, hogy a BorsodChem a magyar­országi villamos­energia-fogyasztás nagy­jából 3 százalé­kát használja fel. A cégnek a területén saját, úgynevezett kogenerációs erőműve van, amely párhuzamosan termel gőzt és villamos energiát. A saját gázturbinás erőművük a kazinc­barcikai telephely teljes villamosenergia-igényének egy­ötödét fedezi. Az erőmű folyamato­san működik, a teljesítményét – az aktuális gőzigény által meg­határozott korlátok között – a földgáz és az áram piaci ára alapján növelik vagy csökkentik, hogy a költségeket optimalizálják.

Az energiatermelés forrásainak kiválasztásakor tehát fontos mérlegelési szempont az, hogy az igények milyen mértékű átterhelést tesznek lehetővé a megújuló energiaforrásokra. Ezt pedig az energiatárolás lehetőségei is alapvetően meghatározzák majd a jövőben, és itt a kémia újra főszerepet kaphat.

Az energiatermelés forrásainak kiválasztásakor fontos szempont a megújuló energiaforrásokra való át­ter­helés, amit az energiatárolás lehetőségei is meghatároznak. A kémia itt főszerepet kaphat, mert a vegy­ipari megoldások biztosíthatják az energia hosszú távú tárolásának leghatékonyabb módszereit.

„Valószínűleg a vegyipari megoldások biztosítják majd az energia hosszú távú tárolásának leghatékonyabb módszereit. Ez pedig elengedhetetlen lesz ahhoz, hogy a mainál sokkal nagyobb mértékben hasznosíthassuk a megújuló energiaforrásokat – vélekedik Viskolcz Béla. – Jelenleg nehéz megoldani, hogy a megtermelt, de azonnal el nem használt elektromos energiát eltároljuk későbbre. Ennek ma talán a legjobb módja, hogy az áram segítségével hidrogénre és oxigénre bontjuk a vizet. A hidrogént tárolnunk kell (ami önmagában sem egyszerű probléma), majd a hidrogénből valamilyen reakció segítségével, például energiacellában, visszanyerjük az energiát. Pedig a vegyipari fejlesztések segítségével jóval hatékonyabb megoldásokat is lehetne találni a hidrogéntárolásra.”

Például ammóniát szintetizálhatunk a hidrogénből. Az ammónia az egyik legfontosabb vegyipari alapanyag, amelynek tárolására, kezelésére, illetve szintézisére és átalakítására kidolgozott és jól bejáratott módszerek állnak a rendelkezé­sünkre. Viszont az ammóniát, a hidrogén megkötésén keresztül, energiatárolásra is alkalmazhatjuk a jövőben. Az ammóniá­ból akár újra hidrogént állíthatunk elő, ha erre van szükség, de például a légköri szén-dioxid megkötésével karbamidot is szintetizálhatunk belőle. Az intézetvezető szerint, noha a vegyiparról sokaknak még ma is a környezet­szennyezés jut az eszébe, minthogy hatalmas mennyiségű anyaggal és energiával dolgozik folyamatosan, a létező eljárásai is alkalmassá teszik a nagy léptékű energiatárolásra.

A karbamidot vagy az ammóniát közvetlenül is felhasználhat­juk például a mező­gazdaság­ban, de az eltárolt energiát is vissza­­nyerhetjük belőlük. Azt azonban Viskolcz Béla is elismeri, hogy az ma még csak álom, hogy a vegyipar az energia­­­termelés és az energia­­igény folyamatos figyelésével alakítsa oda-vissza a vegyületeket, és a bennük tárolt kémiai energiát. Ugyanakkor a vegyipari termelésen belüli energiahatékonyságot már az elkövet­kező tíz-tizenöt évben is drasztikusan növelni kell. Vagyis adott mennyiségű vegyipari terméket fajlagosan sokkal kevesebb energia­befektetés­sel kell a jövőben előállítani.

A szigorodó szabályok növelik a költségeket

„A vegyipari eljárásoknak mindig megvan az optimális hőmérsékletük. Ha ezt az optimális hőmérsékletet csökkenteni tudjuk, azzal nemcsak a felfűtés energiaigényét mérsékelhetjük, de a hűtését is. Ezzel kétszeresen is megspórolhatjuk az energiaráfordítást – folytatja az intézetvezető. – 2016-ban a Holland Vegyipari Társaság az egész holland vegyiparra kiterjedő felmérést végzett, és úgy becsülték, hogy a teljes vegyiparban, csupán az energia­hatékony­ság elő­­mozdítá­sával, majdnem 30 százalékos energia­­felhasználás-csökkenést, illetve ezzel párhuzamosan hasonló arányú szén-dioxid-kibocsátás-csökkenést lehet elérni.”

Ez az első lépés a 2050-es európai uniós nulla üvegházgáz-emisszió elérése felé. A jövő tervezésekor a ma még esetleg nem létező, de várhatóan szigorodó iparági szabályozá­sokat is érdemes előre figyelembe venni. A vegyipari termelésben egy-egy új technológia megvalósításakor általában 10-15 évre terveznek előre a cégek. Ez azt jelenti, hogy a jelenlegi fejlesztésekkel már mindenképpen számolni kell, hogy az új technológia kifutásakor a költségek egyre nagyobb hányadát fogja kitenni a környezetvédelmi szabályoknak való megfelelés. Ezért egyértelműen azok a technoló­giák kerülnek már most is előtérbe, amelyek ilyen szempontból a jövőben is előnyösebbnek bizonyulhatnak.

Bár az lenne az ideális, ha a vegyipari termelés környezeti terhelésének csökkentése együtt járhatna a költség­hatékonyság növekedésével, a valóság azonban gyakran nem ennyire meseszerű. Bizony, az iparág működését kívülről meghatározó, egyre szigorodó szabályok rendszerint a költségek növekedését eredményezik. És ezt minden szereplőnek tudomásul kell vennie. „Természetes, hogy ha például egy olcsó energiaforrást, például az elégethető metánt, le kell váltanunk egy drágábbra, az mindig többe fog kerülni – érvel Viskolcz Béla. – A szabályozó­környezet egyre szigorodik, és ez nagyban meghatározza azt, hogy melyik lesz az az eljárás, amelybe érdemes lesz befektetni, mert nemcsak a társadalomnak hozhat hasznot, hanem a befektetőknek is. Hiszen mégiscsak ez az üzlet lényege.”

Kémia az orvostudományban

A COVID elleni küzdelem az utóbbi több mint egy évben az egész világ fő kihívása lett. Ez alól természetesen a kémia sem kivétel. A modern orvostudományt, illetve a molekuláris biológiát ma már nemigen lehet elválasztani a kémiától, aminek egyik következménye, hogy az orvosi és a kémiai Nobel-díjakat gyakran olyan kutatók kapják, akik klasszikus értelem­ben véve a másik tudomány­terület művelői közé tartoznak. A gyógyszer-, illetve vakcina­­fej­lesztés részben ugyancsak vegyipari feladat, hiszen-e készítmények előállításakor számos klasszikus vegyészeti problémát kell megoldani, legyen az a stabilitás, a szállítható­ság, a tárolhatóság vagy éppen a gyártás­technológia problémája.

A modern orvostudományt, illetve a molekuláris biológiát ma már nemigen lehet elválasztani a kémiától. A gyógyszer-, illetve vakcinafejlesztés részben ugyancsak vegyipari kihívás, hiszen-e készítmények előállításakor számos klasszikus vegyészeti problémát kell megoldani, mint a stabilitás, a szállíthatóság, a tárolhatóság vagy a gyártástechnológia.

Különös feladat elé állította a koronavírus-betegség ugyan­akkor az analitikai kémiát. A diagnózis és a gyógyszer­hatékonyság vizsgálatakor nagyon pontosan kell tudni a kutatóknak kimutatni az igen kis mennyiségben jelen lévő anyagokat is. Ennek oka az immunrendszer általános működésében keresendő. Az immunrendszer általában a kór­okozók felszíni molekulái, például fehérjéi, illetve szénhidrátjai alapján ismeri fel a „be­tolakodó­kat”. Ezeket az úgy­neve­zett antenna­­molekulákat tapogatják le az immun­sejtek, és ez alapján indítják be a korábbi ismeretek alapján az adekvát immunválaszt. Viskolcz Béla szerint a 21. századi medicina egyik legnagyobb kihívása e felszíni cukor­molekulák azonosítása és mérése lesz, ami rendkívüli fejlődést tesz szükségessé az analitikai kémiában.

Ha sikerül a klinikai gyakorlatban is alkalmazható analitikai megoldásokat kifejleszteni, akkor korábban ismeretlen diagnosztikai lehetőségek nyílhatnak meg. A Miskolci Egyetemen több ilyen irányú projektben is dolgoznak a kutatók. Vérplazmából meghatározható az úgy­neve­zett cukorképlet, vagyis a szénhidrátegységet is tartalmazó antenna­molekulák egymáshoz viszonyított koncentrációja a mintában. Ha e relatív koncentrációban változás áll be, az az immun­rendszer működésbeli változására is utalhat.

„Szinte mindenféle testfolyadékminta alkalmas lehet efféle mé­ré­sek elvégzésére, például a könny is. Az így megmért cukormoleku­­lák koncentráció­jából gyakorlatilag fel lehet térképezni az illető egészségi állapotát
– mondja az egyetemi tanár. – Felfedezhetők benne azok a kockázati tényezők is, amelyek hatással lehetnek az immunrendszer működésére.”

Környezeti terhelés mindig lesz, de innovációval csökkenthető

Miközben a vegyiparnak meghatározó szerepe lehet a környezeti terhelések csökkentésében, sok ember gondolkodá­sában még mindig összekapcsolódik a vegyipar és a környezetszennyezés. Ahhoz, hogy a legmodernebb vegyipari technológiákat elfogadtassák a kutatók a társadalommal – ami alapvető fontosságú a hosszú távú sikerességük szempontjából –, ezt a közvélekedést végérvényesen meg kell cáfolni. De vajon hogyan lehet ezt elérni? A kutató szerint először is tudatosítani kell az emberekben azt, hogy ma már a vegyipari vállalatoknak rendkívül szigorú környezetvédelmi szabályozásnak kell megfelelniük.

Ezt példázza például az is, hogy a Miskolci Egyetemhez ezer szállal kötődő BorsodChem korábban sokáig higany­katódos elektrolízissel állított elő kősóból klórgázt, ami az egyik legfontosabb vegyipari alapanyag, például a PVC-gyártásban hasznosítják. Minthogy a higany rendkívül mérgező, két évvel ezelőtt ki kellett vezetniük a technológiát, és teljesen új, úgynevezett membrán­cellás technológiára kellett átállniuk. Tehát a higany kiesésével jószerével megszűnt a higanyszennyezés veszélye. Vagyis itt a vegyipari technológiaváltás fő hajtóereje a környezeti terhelés csökkentése volt.

„Amikor a vegyipari vállalatoknál technológia­váltás történik, ami a fejlesztések talán leglátványosabb eredménye, az a hatósá­gok, az állami szervek, illetve maga a társadalom elvárásainak meg­felelően manapság már szinte mindig együtt jár a környezetbará­tabb eljárások térnyerésével – magyarázza Viskolcz Béla. – Minden technológiának megvan az a minimális élettartama, amíg alkalmazni kell, hogy a befektetés megtérüljön. Ezért mindenképpen olyan fejlesztése­ket kell bevezetni, amelyek megfelelnek majd a tíz-tizenöt évvel későbbi szabályozásnak is. Ez nem egyszerű feladat, és az iparági trendek pontos ismeretét feltételezi.”

Az esetleges vegyipari környezet­­szennyezés az egyetemi tanár szerint mindig felelőtlen gazdálkodás eredménye. Ők úgy látják, hogy azok az ipari partnerek, akik felelősen gondolkodnak – mind üzleti, mind társadalmi értelemben –, azok inkább többlet­költségeket viselnek annak érdekében, hogy megóvják a környezetet. Azt azonban látni kell, hogy egy vegy­ipari gyár, természetéből fakadóan, mindig is környezeti terhelést fog okozni. Ezt el kell fogadni. Ha műanyagot, mezőgazdasági vegyszereket, olajipari termékeket vagy éppen számítástechnikai eszközöket akarunk használni (már­pedig egyre nagyobb tömegben akarunk), akkor ezt tudomásul kell venni, teljesen megszüntetni nem lehet. Folyamatos innovációval a terhelés mértékét elfogadható szinten lehet tartani.

Egy vegyipari gyár, természetéből fakadóan, mindig környezeti terhelést fog okozni. Ezt el kell fogadnunk, ha műanyagot, mezőgazdasági vegyszereket, olajipari termékeket vagy számítástechnikai eszközöket akarunk használni. De ma már rendkívül szigorúak a környezetvédelmi szabályozások, így amikor egy vegyipari vállalatnál technológiaváltás történik, az szinte min­dig együtt jár a környezetbarátabb eljárások térnyerésével.

A Miskolci Egyetem Kémiai Intézetében is a katalizátor­fejlesztés a legfontosabb kutatási irány, amely számos egyéb, fejlesztés alatt lévő technológiához kapcsolódik. Főként különböző hidrogénező katalizátorokat fejlesztenek, amelyek segítségével a legkülönfélébb vegyipari alapanyagokat lehet nagyobb hatásfokkal előállítani. Az általuk vizsgált kulcs­reakció a nitrobenzol hidrogénezése, a katalitikus folyamat terméke pedig az anilin, illetve a toluol-diamin. Ezekből az alapanyagokból a BorsodChem néhány éven belül évi 300-400 ezer tonnát fog előállítani. Köztes alapanyagként főként a poliuretán-gyártásban hasznosítják őket.

A poliuretán két komponensből, alkoholkomponensből és izo­cianátból áll. A BorsodChem és anyavállalata, a kínai Wanhua a világ vezető izocianát-termelője. A cégcsoport azonban tovább szeretné erősíteni ezt a globális piacvezető szerepet, és ennek megfelelően folynak az üzemfejlesztések Kazincbarcikán is. De a poliuretán alkoholkomponense, a poliol is magyar fejlesztés eredményeként készülhet a jövőben. A Mol zászlóshajó-fejlesztése jelenleg a tiszaújvárosi vegyi gyárhoz kötődik, amely – a Paksi Atomerőmű bővítése után – napjainkban a második legnagyobb ipari beruházás hazánkban. A tiszaújvárosi üzemben poliolt is elő fognak állítani.

A Miskolci Egyetem Kémiai Intézete az alkalmazott kutatások szervezésében és összehangolásában is aktív. Ennek eredményeként létrehozták a legnagyobb magyarországi vegyipari vállalatok részvételével a magyar szén-dioxid-hálózatot. A hálózatba tartozó cégek az ország szén-dioxid-kibocsátása 80 százalékáért felelősek. A társulás célja, hogy az üvegházhatású gáz kibocsátásának mérséklésére irányuló innovációs tevékenységet összehangolják.

„Ma már egyértelmű, hogy a szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez olyan technológiai paradigmaváltás kell, ami a teljes iparág összefogását követeli meg. Ez mindenkitől fejlesztést igényel, és ha ezeket koordináljuk, az az iparág minden szereplője számára előnyös lesz”
– vélekedik Viskolcz Béla.•


 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021
Címkék

Innotéka