Углеродно-нейтральное топливо — топливо, которое не вызывает чистых выбросов парниковых газов или углеродного следа. На практике это обычно означает топливо, которое производится с использованием диоксида углерода (CO2) в качестве сырья. Предлагаемые углеродно-нейтральные топлива можно в широком смысле разделить на синтетические топлива, которые получают путём химического гидрирования диоксида углерода, и биотоплива, которые производятся с использованием естественных процессов потребления CO2, таких как фотосинтез.
Двуокись углерода, используемая для производства синтетического топлива, может улавливаться непосредственно из воздуха, рециркулироваться из отработавших газов электростанций или производиться из угольной кислоты в морской воде. Примеры синтетического топлива включают водород, аммиак и метан, хотя более сложные углеводороды, такие как бензин и керосин, также были успешно синтезированы искусственно. Помимо того, что такие возобновляемые виды топлива являются углеродно-нейтральными, они могут снизить затраты на импорт ископаемого топлива и уменьшить зависимость от него. Дополнительным преимуществом может стать отсутствие необходимости перехода автотранспорта на электропривод или водородное топливо. Чтобы процесс был действительно углеродно-нейтральным, любая энергия, необходимая для этого процесса, должна быть сама по себе углеродно-нейтральной, например, возобновляемые источники энергии или ядерная энергия.
Если при сжигании углеродно-нейтрального топлива происходит улавливание углерода в дымоходе или выхлопной трубе, это приводит к чистым отрицательным выбросам углекислого газа и, таким образом, может представлять собой форму восстановления парниковых газов. Отрицательные выбросы считаются главным компонентом усилий по ограничению глобального потепления, хотя обеспечивающие их технологии настоящее время не являются экономически конкурентоспособными. Углеродные кредиты, вероятно, будут играть важную роль в продвижении топлива с отрицательным выбросом углерода.
Производство
Углеродно-нейтральные виды топлива представляют собой синтетические углеводороды. Основным их источником являются химические реакции между углекислым газом и водородом, который образуется при электролизе воды с использованием возобновляемых источников энергии. Топливо, часто называемое электротопливом, является аккумулятором энергии, использованной для производства водорода. Уголь также можно использовать для производства водорода, но он не будет углеродно-нейтральным источником. Углекислый газ можно улавливать и подвергать захоронению, делая ископаемое топливо углеродно-нейтральным, хотя и не возобновляемым. Улавливание углерода из выхлопных газов может превратить углеродно-нейтральное топливо в топливо с отрицательным выбросом углерода. Природные углеводороды можно расщеплять с образованием водорода и диоксида углерода, который затем подвергается захоронению, в то время как водород используется в качестве топлива. Этот процесс также будет углеродно-нейтральным.
Наиболее энергоэффективным и технологичным в производстве топливом является газообразный водород, который можно использовать в транспортных средствах с водородными топливными элементами. Водородное топливо обычно получают электролизом воды. Затем посредством реакции Сабатье можно произвести метан, то есть синтетический природный газ, который может хранится для последующего сжигания на электростанциях, транспортироваться по трубопроводу, грузовым автомобилем или танкером-газовозом, использоваться в процессах типа газ-жидкость, таких как процесс Фишера-Тропша, для производства жидкого топлива для транспорта или отопления.
Есть ещё несколько видов топлива, которые можно создать с использованием водорода. Муравьиная кислота, например, может быть получена путём реакции водорода с CO2. Муравьиная кислота в сочетании с CO2 может образовывать изобутанол.
Метанол можно получить в результате химической реакции молекулы углекислого газа с тремя молекулами водорода с образованием воды. Накопленная энергия может быть восстановлена путём сжигания метанола в двигателе внутреннего сгорания с выделением диоксида углерода, воды и тепла. Метан может быть получен аналогичной реакцией. Важны особые меры предосторожности против утечки, поскольку метан почти в 100 раз сильнее CO2 с точки зрения потенциала глобального потепления. Далее можно химически объединять молекулы метанола или метана в более крупные молекулы углеводородного топлива.
Исследователи также предложили использовать метанол для производства диметилового эфира. Это топливо можно использовать как замену дизельному топливу из-за его способности самовоспламеняться при высоком давлении и температуре. Он уже используется в некоторых областях для отопления и производства энергии. Он нетоксичен, но должен храниться под давлением. Более крупные углеводороды и этанол также могут быть получены из диоксида углерода и водорода.
Все синтетические углеводороды обычно получаются при температурах 200—300 °С и при давлении от 20 до 50 бар. Для повышения эффективности реакции и создания желаемого типа углеводородного топлива обычно используются катализаторы. Такие реакции являются экзотермическими и используют около 3 моль водорода на моль вовлечённого углекислого газа. Они также производят большое количество воды в качестве побочного продукта.
Источники углерода для вторичной переработки
Наиболее экономичным источником углерода для переработки в топливо являются выбросы дымовых газов от сжигания ископаемого топлива, где его можно получить примерно по 7,50 долларов США за тонну. Однако процесс не является углеродно-нейтральным, поскольку углерод имеет ископаемое происхождение и перемещается из геосферы в атмосферу. Улавливание выхлопных газов автомобилей также считается экономичным, но потребует значительных изменений конструкции или модернизации. Поскольку углекислый газ в морской воде находится в химическом равновесии с атмосферным углекислым газом, изучается извлечение углерода из морской воды. Исследователи подсчитали, что извлечение углерода из морской воды будет стоить около 50 долларов за тонну. Улавливание углерода из атмосферного воздуха обходится дороже — от 94 до 232 долларов за тонну и считается непрактичным для синтеза топлива или связывания углерода. Улавливание из воздуха менее развито, чем другие методы. Обычно используют щёлочи для реакции с диоксидом углерода воздуха и образованием карбонатов. Затем карбонаты могут быть расщеплены и гидратированы, чтобы высвободить чистый CO2 и регенерировать щёлочь. Этот процесс требует больше энергии, чем другие методы, поскольку концентрация углекислого газа в атмосфере намного ниже, чем в других источниках.
Кроме того, в качестве источника углерода для производства топлива предлагается использовать биомассу. Добавление водорода в биомассу уменьшит количество углерода в ней и приводит к образованию топлива. Преимущество этого метода заключается в использовании растительного вещества для дешёвого улавливания углекислого газа. Растения также добавляют к топливу химическую энергию из биологических молекул. Это может быть более эффективным использованием биомассы, чем обычное биотопливо, потому что оно использует большую часть углерода и химической энергии из биомассы вместо того, чтобы высвободить столько же энергии и углерода. Его главный недостаток заключается в том, что, как и при обычном производстве этанола, он конкурирует с производством пищевых продуктов.
Затраты на возобновляемую и ядерную энергию
Энергия ветра в ночное время считается наиболее экономичной формой электроэнергии, с помощью которой можно синтезировать топливо, потому что кривая нагрузки для систем электроснабжения резко достигает пиков в дневные часы, тогда как ветер имеет тенденцию дуть немного сильнее ночью, чем днем. Таким образом, стоимость ночной ветроэнергетики зачастую намного ниже, чем стоимость любой альтернативы. Цены на ветроэнергетику в непиковые периоды в областях с сильным ветром в США в среднем составляли 1,64 цента за киловатт-час в 2009 году и только 0,71 цента/кВт-ч в ночное время. Как правило, оптовая цена на электроэнергию в течение дня составляет от 2 до 5 центов за киловатт-час. Коммерческие компании по синтезу топлива предполагают, что синтетический бензин становится дешевле обычного при цене на нефть выше 55 долларов за баррель.
В 2010 году группа химиков-технологов во главе с Хизер Уиллауэр из ВМС США подсчитала, что имея 100 МВт электрической мощности, можно в день произвести 160 м³ топлива для реактивных двигателей, а производство на борту кораблей с ядерной энергетической установкой будет стоить около $1600 за кубометр ($6 за американский галлон). Хотя в 2010 году это примерно вдвое превышало стоимость нефтяного топлива, ожидалось, что она будет намного ниже рыночной цены менее чем за пять лет, если последние тенденции сохранятся. Более того, поскольку доставка топлива авианосной группе стоит около $8 за американский галлон, производство на месте оказывается намного дешевле.
Уиллауэр отмечает, что морская вода — «лучший вариант» в качестве источника углерода для синтетического реактивного топлива. К апрелю 2014 года команда Уиллауэр ещё не произвела топливо в соответствии со стандартом для военных самолётов, но в сентябре 2013 года она смогла использовать синтетическое топливо для полёта радиоуправляемой модели, приводимой в движение двумя двухтактными двигателями внутреннего сгорания. Поскольку для этого процесса требуются большие затраты электроэнергии, первыми носителями установки для производства собственного реактивного топлива будут атомные авианосцы типа «Нимиц» и «Джеральд Форд». Ожидается, что ВМС США развернут эту технологию в 2020-х годах.
Демонстрационные проекты и коммерческое развитие
Завод по синтезу метана мощностью 250 киловатт был построен Центром солнечной энергии и исследований водорода (ZSW) в Баден-Вюртемберге и Обществом Фраунгофера в Германии и начал работу в 2010 году. Его модернизируют до 10 мегаватт, завершение работы намечено на осень 2012 года.
Завод Джорджа Ола по переработке углекислого газа, которым управляет компания Carbon Recycling International в Гриндавике, Исландия, с 2011 года производит 2 миллиона литров транспортного топлива из метанола в год из дымовых газов электростанции Сварценги. Его максимальная мощность составляет 5 миллионов литров в год.
Audi построила завод по производству сжиженного природного газа (СПГ) с нулевым выбросом углерода в Верльте, Германия. Завод предназначен для производства транспортного топлива, используемого в их автомобилях A3 Sportback g-tron, и может при своей первоначальной мощности извлекать из атмосферы 2800 метрических тонн CO2 в год.
Коммерческие разработки внедряются в Колумбии (шт. Южная Каролина), Камарилло (шт. Калифорния) и Дарлингтоне (Великобритания). Демонстрационный проект в Беркли, Калифорния, предлагает синтез топлива и пищевых масел из восстановленных дымовых газов.
Удаление парниковых газов
Углеродно-нейтральные виды топлива могут привести к восстановлению парниковых газов, поскольку углекислый газ будет повторно использоваться для производства топлива, а не выбрасываться в атмосферу. Извлечение углекислого газа из выхлопов электростанций устранит его выброс в атмосферу, хотя при сжигании топлива в транспортных средствах углерод будет высвобождаться, потому что нет экономичного способа улавливания этих выбросов. Такой подход, использованный на всех электростанциях на ископаемом топливе, снизил бы чистые выбросы диоксида углерода примерно на 50 %. Предполагается, что большинство электростанций, работающих на угле и природном газе, будут экономически модернизированы с помощью скрубберов диоксида углерода для улавливания углерода, рециркуляции выхлопных газов или связывания углерода. Ожидается, что такая переработка не только будет стоить меньше, чем чрезмерные экономические последствия изменения климата, но и окупится, поскольку рост глобального спроса на топливо и пиковый дефицит нефти увеличивают цены на нефть и взаимозаменяемый природный газ.
Улавливание CO2 непосредственно из воздуха или извлечение углекислого газа из морской воды также уменьшит количество углекислого газа в окружающей среде и создаст замкнутый цикл углерода для устранения новых выбросов углекислого газа. Использование этих методов полностью устранит потребность в угле, нефти и газе, если предположить, что возобновляемой энергии достаточно для производства топлива. Использование синтетических углеводородов для производства синтетических материалов, таких как пластмассы, может привести к постоянному улавливанию углерода из атмосферы.
Технологии
Традиционное топливо, метанол или этанол
Некоторые власти рекомендовали производить метанол вместо традиционного транспортного топлива. Это жидкость при нормальной температуре, токсичная при попадании в организм. Метанол имеет более высокое октановое число, чем бензин, но более низкую плотность энергии, и его можно смешивать с другими видами топлива или использовать самостоятельно. Его также можно использовать в производстве более сложных углеводородов и полимеров. Метаноловые топливные элементы были разработаны Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института для преобразования метанола и кислорода в электричество. Метанол можно превратить в бензин, реактивное топливо или другие углеводороды, но это требует дополнительной энергии и более сложных производственных мощностей. Метанол немного более агрессивен, чем традиционные виды топлива, поэтому для его использования требуется модификация автомобиля стоимостью порядка 100 долларов США.
В 2016 году был разработан метод преобразования углекислого газа в этанол с использованием углеродных шипов, наночастиц меди и азота.
Микроводоросли
Топливо, изготовленное из микроводорослей, потенциально может иметь низкий углеродный след и является активной областью исследований, хотя на сегодняшний день крупномасштабная производственная система не реализована. Микроводоросли — это водные одноклеточные организмы. Хотя они, в отличие от большинства растений, имеют чрезвычайно простую клеточную структуру, они по-прежнему фотоавтотрофны, способны использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в углеводы и жиры посредством фотосинтеза. Эти соединения могут служить сырьём для биотоплива, такого как биоэтанол или биодизель. Следовательно, даже если сжигание топлива на основе микроводорослей по-прежнему будет приводить к выбросам, как и любое другое топливо, оно могло бы быть углеродно-нейтральным, если бы в целом поглощалось столько же диоксида углерода, сколько выделяется при сгорании.
Преимуществами микроводорослей являются их более высокая эффективность фиксации CO2 по сравнению с большинством растений и их способность произрастать в самых разных водных средах обитания. Их главный недостаток — дороговизна. Утверждается, что их уникальный и очень изменчивый химический состав может сделать их привлекательными для некоторых применений.
Микроводоросли, содержащие большое количество белков, могут использоваться в качестве корма для домашнего скота. Некоторые виды микроводорослей производят ценные соединения, такие как пигменты и фармацевтические препараты.
Производство
Двумя основными способами выращивания микроводорослей являются системы водостоков и фотобиореакторы (ФБР). Системы водоёма Raceway состоят из овального канала с замкнутым контуром, который имеет лопастное колесо для циркуляции воды и предотвращения осаждения. Канал расположен под открытым небом, его глубина находится в диапазоне 0,25-0,4 м. Пруд должен быть неглубоким, поскольку самозатенение и оптическое поглощение могут привести к ограничению проникновения света. Питательная среда фотобиореактора состоит из закрытых прозрачных пробирок. Он имеет центральный резервуар, в котором циркулирует бульон микроводорослей. фотобиореактор — более простая в управлении система, но она требует больших общих производственных затрат.
Выбросы углерода из биомассы микроводорослей, образующейся в водоёмах с водостоками, можно сравнить с выбросами от обычного биодизельного топлива, если учесть потребление энергии и питательных веществ как углеродоемких. Соответствующие выбросы от биомассы микроводорослей, производимой в фотобиореакторах, могут даже превышать выбросы от обычного ископаемого дизельного топлива. Неэффективность связана с количеством электроэнергии, используемой для перекачивания бульона из водорослей по системе. Использование побочного продукта для производства электроэнергии — одна из стратегий, которая может улучшить общий углеродный баланс. Следует также учитывать, что выбросы углерода могут происходить в различнвх обслуживающих производствах — управлении водными ресурсами, обращении с углекислым газом и подаче питательных веществ. Но в целом системы Raceway Pond демонстрируют более привлекательный энергетический баланс, чем системы фотобиореакторов.
Экономика
В стоимости производства микроводорослей и биотоплива за счёт внедрения систем водосборных бассейнов доминируют эксплуатационные расходы, которые включают рабочую силу, сырьё и коммунальные услуги. В системе водоёма с водоотводом во время процесса выращивания наибольшей статьёй расходов является электроэнергия для обеспечения циркуляции культур микроводорослей, которая составляет от 22 % до 79 %. Напротив, в фотобиореакторах капитальные затраты преобладают над производственными расходами. Эта система имеет высокую стоимость установки, хотя эксплуатационные расходы относительно ниже, чем у систем с водосборным бассейном.
Биотопливо из микроводорослей обходится дороже, чем ископаемое топлива, около $3 за литр, что значительно дороже обычного бензина.
Воздействие на окружающую среду
Строительство крупномасштабных предприятий по выращиванию микроводорослей неизбежно приведёт к негативным воздействиям на окружающую среду, связанным с изменением землепользования, например, с разрушением существующих природных экосистем. Микроводоросли также могут при определённых условиях выделять парниковые газы, такие как метан или закись азота, или дурно пахнущие газы, такие как сероводород, хотя на сегодняшний день это широко не изучено. При неправильном управлении в почву или грунтовые воды могут просачиваться токсины, естественным образом вырабатываемые микроводорослями.
Производство
Вода подвергается электролизу при высоких температурах с образованием газообразного водорода и газообразного кислорода. Энергия для этого извлекается из возобновляемых источников, таких как энергия ветра. Затем водород реагирует со сжатым диоксидом углерода, улавливаемым из атмосферы. В результате реакции образуется голубая нефть, состоящая из смеси углеводородов. Затем голубая нефть очищается для получения высокоэффективного дизельного топлива. При нынешних производственных мощностях можно произвести около 1000 литров топлива в месяц или 0,0002 % ежедневного производства топлива в США. Кроме того, были поставлены под сомнение термодинамическая и экономическая осуществимость этой технологии. Поэтому эта технология не создаёт альтернативу ископаемому топливу, а скорее преобразует возобновляемую энергию в жидкое топливо. Согласно расчётам, возврат энергии на энергию, вложенную в ископаемое дизельное топливо, в 18 раз выше, чем у синтетического дизельного топлива.
История
Исследования углеродно-нейтрального топлива ведутся десятилетиями. Ещё в 1965 году предлагалось синтезировать метанол из двуокиси углерода воздуха при использовании ядерной энергии. Судовое производство синтетического топлива с использованием ядерной энергии изучалось в 1977 и 1995 годах В 1984 году изучалось восстановление углекислого газа на заводах, работающих на ископаемом топливе. В 1995 год оценены затраты на конверсию судов для использования углеродно-нейтрального метанола с дальнейшим синтезом бензина.
См. также
Дальнейшее чтение
- McDonald, Thomas M. (2012). “Capture of Carbon Dioxide from Air and Flue Gas in the Alkylamine-Appended Metal–Organic Framework mmen-Mg2(dobpdc)”. Journal of the American Chemical Society. 134 (16): 7056—65. DOI:10.1021/ja300034j. PMID 22475173. — has 10 citing articles as of September 2012, many of which discuss efficiency and cost of air and flue recovery.
- Kulkarni, Ambarish R. (2012). “Analysis of Equilibrium-Based TSA Processes for Direct Capture of CO2 from Air”. Industrial and Engineering Chemistry Research. 51 (25): 8631—45. DOI:10.1021/ie300691c. — claims US$100/ton CO2 extraction from air, not counting capital expenses.
- Holligan. Jet fuel from thin air: Aviation's hope or hype? BBC News (1 октября 2019). Дата обращения: 24 октября 2019.
Ссылки
- Doty Windfuels (Columbia, South Carolina)
- CoolPlanet Energy Systems (Camarillo, California)
- Cost Model for US Navy Zero Carbon Nuclear Synfuel Process spreadsheet by John Morgan (January 2013; source)
- Interview with Kathy Lewis of the US Naval Research Laboratory