Елка Кралева: Бъдещето на химическата индустрия е в превръщането на CO и CO₂ от отпадък в ресурс. България има необходимия капацитет и възможност да развие и приложи тези технологии, ако ги заложи стратегически в своето икономическо развитие

Елка Кралева е носителка на отличието „За жените в науката“ през 2011. Нейната професионална област е химията – разработва катализатори за производство на зелени горива, които да заместят традиционните въглеводородни източници. Целта ѝ е да създаде енергийни решения с нисък въглероден отпечатък чрез ефективни и екологични химични процеси.

Какъв е принципът на работа на каталитичните системи, които разработвате, и как те помагат за превръщането на вредни газове като CO и CO₂ в зелени горива?

Каталитичните системи за преобразуване на CO и CO₂ в горива и химикали работят чрез използване на специални материали, които правят тези стабилни газове по-реактивни. Повърхността на катализатора свързва CO или CO₂ и отслабва техните силни въглерод-кислородни връзки. След това, с помощта на водород (от възобновяеми източници) или с електрическа/слънчева енергия, въглеродните атоми се пренареждат в полезни молекули като метанол, метан или въглеводороди с по-дълга верига. При преобразуването на CO и CO₂ процеси като Фишер-Тропш синтеза, например, се използват метали за изграждане на въглеводородни вериги, докато зеолитите ги оформят в желаните продукти. Принципът е да се проектират катализатори, които ускоряват тези реакции, подобряват ефективността, произвеждат основно целевия продукт и имат дълъг живот, без да губят активност.

Какви са основните предизвикателства при разработването на каталитични системи с по-ниска енергийна консумация и по-висока ефективност?

Основните предизвикателства при разработването на по-ефективни каталитични системи могат да бъдат обобщени в следните ключови фактори, които оказват влияние върху нашата работа:

1. Контрол върху структурата на катализатора
- Намирането на подходящи активни центрове (например единични атоми или наночастици) с висока реактивност.
- Осигуряване на стабилност на активните центрове при високи температури или в агресивни реакционни среди.
2. Оптимизация на кинетиката на реакцията
- Намаляване на енергийния праг на химичните реакции, без да се нарушава селективността.
- Избягване на странични реакции, които намаляват ефективността и водят до загуба на енергия.
3. Материални ограничения
- Достъпността и цената на металите или съединенията, използвани като катализатори.
- Проблеми с деактивирането, агломерация или пасивиране на катализатора по време на работа.
4. Масов трансфер и достъп до реактиви
- Недостатъчен достъп на реагентите до активните центрове може да намали ефективността.
- Проектиране на порести и високо-повърхностни структури, които балансират транспорта на маса с механична стабилност.
5. Теоретична и изчислителна оптимизация
- Трудност при прогнозиране на поведението на катализатора на атомно ниво.
- Необходимост от моделиране на реакции, енергийни бариери и взаимодействия с различни носители.
6. Съчетаване на енергийна ефективност с издръжливост
- Намаляването на енергийните загуби често води до по-бързо износване на катализатора. Балансиране между високата активност и дългия срок на експлоатация е критично.

Защо е важно да насочваме химическата индустрия към устойчиви практики и как Вашите изследвания могат да подпомогнат този преход?

Устойчивите практики в химическата индустрия са ключови за намаляване на парниковите емисии и постигане на климатичните цели на Европа до 2030 г. В краткосрочен план производството на устойчиви горива и химикали е най-реалистичното решение за транспорта и индустрията. Традиционните биогорива обаче крият рискове, свързани с конкуренция с хранителното производство и използването на земя. Затова все по-голямо значение има използването на отпадъчни CO₂ и CO като суровини чрез улавяне и оползотворяване на въглерода (CCU). Превръщането им в течни горива и химикали с помощта на нови катализатори и възобновяема енергия позволява изграждането на кръгова въглеродна икономика и намалява зависимостта от изкопаеми горива.

Синтетичните течни горива (PtL) са особено подходящи за авиацията, морския и тежкотоварния транспорт, тъй като имат висока енергийна плътност и могат да се използват със съществуващата инфраструктура. Очаква се тези технологии да станат пазарно приложими между 2025 и 2030 г.

Сред най-перспективните продукти са диметиловият етер (DME), метанолът и етанолът, които могат да се използват като горива, енергийни носители и суровини за химическата индустрия. DME се отличава като чисто и безопасно гориво с потенциал да намали емисиите с до 85% спрямо дизела, а интересът към възобновяемото му производство вече расте в световен мащаб.

Бъдещето на химическата индустрия е в превръщането на CO и CO₂ от отпадък в ресурс. България има необходимия капацитет и възможност да развие и приложи тези технологии, ако ги заложи стратегически в своето икономическо развитие.