Топливо из Солнца

О разработках синтетического жидкого топлива, не являющегося продуктом переработки нефти. 21 Апрель 2015, 11:51

Химические технологии превращения природного газа (ПГ), попутного нефтяного газа и сланцевого газа в СЖТ получили в международной классификации обозначение GTL (Gas to Liquids — газ в жидкость). В большинстве представленных на рынке технологий GTL используются варианты получения жидких углеводородов по реакции Фишера-Тропша из смеси угарного газа СО с водородом Н2, называемой синтез-газом. Оказалось, что при использовании различных катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения H2 и СО в смеси разные жидкие углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам нефтепереработки, но при этом в них отсутствуют соединения серы, практически неизбежные спутники сырой нефти. Получение синтез-газа осуществляется паровой конверсией угля или его частичным окислением. Современные технологии позволяют сделать рентабельным GTL-топливо при цене нефти $20 за баррель.

Технологии получения СЖТ из угля названы CLT (Coal to Liquids — уголь в жидкость). В этом случае синтез-газ получают пропусканием водяного пара над углем (газификация угля). Использование угля для производства синтетического топлива целесообразно из-за близкого химического состава природного сырья. Содержание связанного водорода в нефти составляет 15%, а в угле — 8%. Однако процесс получения СЖТ из угля достаточно дорог и используется, как правило, странами, не имеющими доступа к ПГ и нефти. Но высококалорийное ракетное топливо тоже дорого и его конечный выход из нефти невелик, что делает рентабельным его производство даже из угля. В России его планируется организовать в Кузбассе.

Один из способов получения жидкого топлива — его синтез из угля по технологии CLT (Coal to Liquids — уголь в жидкость)

Наиболее перспективны и очень активно развиваются в настоящее время биотехнологии BTL (biomass to liquids, биотопливо). К ним в первую очередь относятся термохимическая и ферментативная переработка растительного или животного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов (биогаза). Получаемые в результате биоэтанол, биодизель и другие продукты могут использоваться в качестве топлива, а могут перерабатываться, в том числе по методу Фишера-Тропша. Дело в том, что биоэтанол в качестве авиационного топлива часто не подходит из-за недостаточной плотности энергии, а биодизель кристаллизуется при низких температурах воздуха на больших высотах. Поскольку на рынке уже доступно большое количество биоэтанола из Бразилии, где он производится из сахарного тростника, и из США, где основным сырьем является кукуруза, сертифицированным процессом, скорее всего, будет прямая переработка этанола в топливо для реактивных двигателей (ACJ).

С помощью еще одного сертифицированного процесса гидрирования сложных эфиров и жирных кислот (HEFA) авиатопливо получают из различных растительных видов биомассы, куда входят рыжики, ятрофа и морские водоросли.

Внедряемое ВВС США биотопливо ATJ (alcohol to jet — спирт в топливо) вырабатывается из растительной клетчатки. Из нее получают сахара, которые ферментируют в спирт, проходящий затем процедуру гидроочистки. Полученное в результате топливо способно заменить стандартное авиационное J8.

На данный момент биотопливо примерно в три раза дороже обычного керосина и рентабельно при цене нефти не менее $40 за баррель.

Топливо из морской воды

Существуют и уникальные разработки, сулящие революцию в производстве топлива. Так, для ВМФ США разработана технология GTL-превращения в топливо морской воды. Она связана с извлечением из нее водорода и углекислого газа CO2, концентрация которого в ней в 140 раз выше, чем в атмосфере. Для этого используется специальный модуль электролитного обмена катионов (E-CEM). Полученные газы затем с помощью металлического катализатора на основе железа превращаются в жидкие углеводороды. Прогнозируемая цена такого авиатоплива составляет порядка $0,8–$1,6 за литр. Это приемлемо, даже если отбросить выгоду от ликвидации дорогостоящей доставки танкерами топлива на большие расстояния.

Перспективным является и использование генной инженерии для выведения бактерий, осуществляющих процесс создания заданных веществ. Недавно ученые обнаружили, что димеры пинена способны служить в качестве высокоэнергетичного топлива, сравнимого по энергоемкости с авиационным и ракетным топливом JP-10. Для получения пинена из глюкозы ученые внесли нужные ферменты в ген кишечной палочки.

Исследователи из Массачусетского технологического института произвели генную модификацию обычных дрожжей, увеличившую производство изобутанола на 260%, изопентанола на 370% , а 2-метилбутанола даже на 500%.

Так выглядит экспериментальный «солнечный реактор»

Помимо новых технологий производства известных веществ осуществляется и разработка новых видов топлива. К примеру, российское НПО «Энергомаш» в 2012 г. разработало ацетам — высокоэффективное топливо, представляющее собой высококонцентрированный раствор ацетилена в сжиженном аммиаке. Оба компонента для получения не требуют нефти. Получаемый продукт достаточно дешев (килограмм ацетама стоит не более 100 рублей) и способен на 20–30% увеличить энергетику двигателя. Ацетам уже прошел все лабораторные испытания, и теперь предстоит его апробация на ракете-носителе.

Большой интерес представляет финансируемый ЕС проект SOLAR-JET, запущенный в 2011 г. и объединивший как академические научно-исследовательские организации, так и производителей топлива: Shell Global Solutions, German Aerospace Center (DLR), ETH Zurich, Bauhaus Luftfahrt и Arttic. Целью проекта является разработка замкнутого цикла использования топлива, т. е. восстановление исходного реактивного топлива из продуктов его сгорания. В результате была разработана система, в которой воду и углекислый газ, являющиеся продуктами горения керосина, превращают в синтез-газ, из которого затем снова с помощью процесса Фишера-Тропша синтезируют керосин. Источником энергии для синтеза служит солнечная энергия видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

Схема солнечного реактора. Стрелками показаны различные этапы процесса: восстановление оксида церия и получение синтез-газа.

Для осуществления цикла превращений разработан специальный высокотемпературный двухступенчатый «солнечный реактор», работающий на основе окислительно-восстановительных реакций с участием оксида церия. Сконцентрированное солнечное излучение поступает через кварцевое окно в приемную полость, а затем в соединительный параболический концентратор (Compound Parabolic Concentrator, CPC), осуществляющий дальнейшую концентрацию солнечного излучения в рабочую камеру, где находится пористый монолитный керамический цилиндр из оксида церия. При мощности 3 кВт в приемной полости цериевый цилиндр испытывает тепловое воздействие, эквивалентное «нагреву» более чем 2800 солнц. Нагрев до температуры 1500°С приводит к тому, что оксид церия теряет часть кислорода, удаляемого из камеры с помощью продувания очищающим газом (purgegas). После этого в рабочую камеру радиально впускается смесь воды и углекислого газа (H2O и СO2), молекулы которых расщепляются в результате взаимодействия с оксидом церия, поглощающего лишний кислород. В результате образуется смесь H2 и СO, называемая синтез-газом. Эта реакция протекает при температуре 700°С. Соотношением СО и Н2 на выходе можно управлять, регулируя количественное соотношение H2O и СO2 на входе. Синтез-газ выводится в осевое выпускное окно и отправляется на установку синтеза керосина с помощью процесса Фишера-Тропша.

В апреле 2014 г. было сообщено о завершении первого этапа проекта, показавшего техническую осуществимость производства «солнечного керосина». Ученые провели 240 последовательных циклов превращений и получили 750 литров синтез-газа, из которого был синтезирован керосин в исследовательском центре компании Shell.

Создатели «солнечного реактора» наблюдают за его работой. 
В данный момент мощные лампы имитируют солнечный свет.
На следующем этапе проекта разработчики будут оптимизировать солнечный реактор на основе его масштабирования, сочетания теплообмена и химических реакций для достижения более высокой эффективности использования солнечной энергии и получения синтез-газа с конкретными соотношениями CO/H2. Также будет оцениваться технико-экономический потенциал реализации технологии в промышленном масштабе. Разработанная технология солнечного реактора характеризуется увеличенным радиационным теплообменом и быстрым протеканием реакции, что имеет решающее значение для максимального повышения эффективности синтеза топлива. Солнечные электростанции, необходимые для заправки авиации «солнечным керосином», займут большие площади. Поэтому ученые хотят добиться эффективности использования солнечной энергии в 15%. Тогда с одного квадратного километра могут быть получены 20000 л керосина в сутки.

Хотя разработка технологии все еще находится на ранней стадии развития и авторы восстановили лишь небольшое количество керосина, полученный продукт уже сертифицирован соответствующими службами для использования в качестве авиационного топлива. Технология уже показала свои потенциально большие возможности, поэтому целый ряд компаний, в частности все та же Shell, уже занялись ее внедрением. Кроме того, она может применяться и для получения других типов топлива для транспорта, таких как дизельное топливо, бензин или чистый водород, превращая один из главных парниковых газов, ответственных за глобальное потепление, в полезный ресурс. Если углекислый газ для синтеза будет браться из атмосферы, то сгорание топлива не будет приводить к увеличению в ней его содержания. СО2 может отбираться и из дымовых газов.