Вуглецевонейтральне паливо — паливо, яке не викликає чистих викидів парникових газів або вуглецевого сліду. Насправді це зазвичай означає паливо, що виробляється з використанням як сировини діоксиду вуглецю (CO2). Пропоновані вуглецевонейтральні палива можна, в широкому сенсі, розділити на синтетичні палива, отримувані хімічним гідруванням діоксиду вуглецю, та біопалива, які виробляють із використанням природних процесів споживання CO2, таких як фотосинтез.
Двоокис вуглецю, що використовується для виробництва синтетичного палива, може вловлюватися безпосередньо з повітря, рециркулюватися з відпрацьованих газів електростанцій або вироблятися з карбонатної кислоти в морській воді. Прикладами синтетичного палива є водень, аміак і метан, хоча складніші вуглеводні, такі як бензин і гас, також успішно синтезовано штучно. Крім того, що такі відновлювані види палива є вуглецевонейтральними, вони можуть знизити витрати на імпорт викопного палива та зменшити залежність від нього. Додатковою перевагою може стати усунення необхідності переходу автотранспорту на електропривод або водневе паливо. Щоб процес був справді вуглецевонейтральним, будь-яка енергія, необхідна для цього процесу, має бути сама по собі вуглецевонейтральною, наприклад, енергія з відновлюваних джерел або ядерна енергія.
Якщо при спалюванні вуглецевонейтрального палива відбувається вловлювання вуглецю в димарі або вихлопній трубі, це призводить до чистих від'ємних викидів вуглекислого газу і, таким чином, може бути формою зниження обсягу парникових газів. Від'ємні викиди вважають головним компонентом зусиль з обмеження глобального потепління, хоча технології, що їх забезпечують, нині не є економічно конкурентоспроможними. Вуглецеві кредити, ймовірно, відіграватимуть важливу роль у просуванні палива з від'ємним викидом вуглецю.
Виробництво
Вуглецеві-нейтральні види палива — це синтетичні вуглеводні. Основним їх джерелом є хімічні реакції між вуглекислим газом і воднем, утворюваним за електролізу води з використанням відновлюваних джерел енергії. Паливо, часто зване електропаливом, є акумулятором енергії, використаної для виробництва водню. Вугілля також можна використовувати для виробництва водню, але воно не буде вуглецевонейтральним джерелом. Вуглекислий газ можна вловлювати і ховати, роблячи викопне паливо вуглецевонейтральним, хоч і не відновлюваним. Уловлювання вуглецю з вихлопних газів може перетворити вуглецевонейтральне паливо на паливо з від'ємним викидом вуглецю. Природні вуглеводні можна розщеплювати з утворенням водню та діоксиду вуглецю, який потім підлягає похованню, тоді як водень використовується як паливо. Цей процес також буде вуглецевонейтральним.
Найбільш енергоефективним та технологічним у виробництві паливом є газоподібний водень, який можна використовувати в транспортних засобах з водневими паливними елементами. Водневе паливо зазвичай одержують електролізом води. Потім за допомогою реакції Сабатьє можна виробити метан, тобто синтетичний природний газ, який можна зберігати для подальшого спалювання на електростанціях, транспортувати трубопроводами, вантажними автомобілями або танкерами-газовозами, використовувати в процесах типу газ-рідина, таких як процес Фішера — Тропша, для виробництва рідкого палива для транспорту чи опалення.
Є ще кілька видів палива, які можна створити за допомогою водню. Мурашину кислоту, наприклад, можна отримати реакцією водню з CO2. Мурашина кислота у поєднанні з CO2 може утворювати ізобутанол.
Метанол можна отримати внаслідок хімічної реакції молекули вуглекислого газу з трьома молекулами водню з утворенням води. Накопичену енергію можна відновити спалюванням метанолу у двигуні внутрішнього згоряння з виділенням діоксиду вуглецю, води та тепла. Метан можна одержати аналогічною реакцією. Важливі особливі запобіжні заходи проти витоку, оскільки метан майже в 100 разів сильніший від CO2 щодо потенціалу глобального потепління. Далі можна хімічно об'єднувати молекули метанолу або метану у великі молекули вуглеводневого палива.
Дослідники також запропонували використовувати метанол для виробництва диметилового етеру. Це паливо можна використовувати як заміну дизельного палива через його здатність самозайматися за високого тиску та температури. Його вже використовують у деяких галузях для опалення та виробництва енергії. Він нетоксичний, але має зберігатися під тиском. З діоксиду вуглецю та водню також можна отримати більші вуглеводні та етанол.
Усі синтетичні вуглеводні зазвичай отримують за температур 200—300 °C та за тиску від 20 до 50 бар. Для підвищення ефективності реакції та створення бажаного типу вуглеводневого палива зазвичай використовують каталізатори. Такі реакції є екзотермічними та використовують близько 3 моль водню на 1 моль залученого вуглекислого газу. Побічним продуктом є велика кількість води.
Джерела вуглецю для вторинної переробки
Найекономічнішим джерелом вуглецю для переробки на паливо є викиди димових газів від спалювання викопного палива, де його можна отримати приблизно за 7,50 доларів США за тонну. Однак цей процес не є вуглецевонейтральним, оскільки вуглець має викопне походження і переміщається з геосфери в атмосферу. Уловлювання вихлопних газів автомобілів також вважають економічним, але воно потребує значних змін конструкції або модернізації. Оскільки вуглекислий газ у морській воді перебуває в хімічній рівновазі з атмосферним вуглекислим газом, вивчається добування вуглецю з морської води. Дослідники підрахували, що воно коштуватиме близько 50 доларів за тонну. Уловлювання вуглецю з атмосферного повітря обходиться дорожче — від 94 до 232 доларів за тонну і вважається непрактичним для синтезу палива або зв'язування вуглецю. Цей метод менш розвинений, ніж інші. Зазвичай використовують луги для реакції з діоксидом вуглецю повітря і утворенням карбонатів. Потім карбонати можна розщепити і гідратувати, щоб вивільнити чистий CO2 і регенерувати луг. Цей процес вимагає більше енергії, ніж інші методи, оскільки концентрація вуглекислого газу в атмосфері значно нижча, ніж в інших джерелах.
Крім того, як джерело вуглецю для виробництва палива пропонують використовувати біомасу. Додавання водню в біомасу зменшує кількість вуглецю в ній і приводить до утворення палива. Перевагою цього методу є використання рослинної речовини для дешевого уловлювання вуглекислого газу. Рослини також додають до палива деяку хімічну енергію з біологічних молекул. Це може бути ефективнішим використанням біомаси, ніж звичайне біопаливо, тому що тут використовується більша частина вуглецю та хімічної енергії з біомаси замість того, щоб вивільнити стільки ж енергії та вуглецю. Головним недоліком є те, що, як і при звичайному виробництві етанолу, має місце конкуренція з виробництвом харчових продуктів.
Витрати на відновлювану та ядерну енергію
Енергія вітру в нічний час вважається найекономнішою формою електроенергії, за допомогою якої можна синтезувати паливо, тому що крива навантаження для систем електропостачання різко досягає піків у денні години, тоді як вітер має тенденцію дути трохи сильніше вночі, ніж удень. Таким чином, вартість нічної вітроенергії часто значно нижча, ніж вартість будь-якої альтернативи. 2009 року ціна на вітроенергію в непікові періоди в областях зі сильним вітром у США в середньому становила 1,64 цента за кВт·год і всього 0,71 цента/кВт·год в нічний час. Як правило, гуртова ціна на електроенергію протягом дня становить від 2 до 5 центів/кВт·год. Комерційні компанії зі синтезу палива вважають, що синтетичний бензин стає дешевшим від звичайного, коли ціна нафти перевищує 55 доларів за барель.
2010 року група хіміків-технологів на чолі з Гетер Віллавер із ВМС США підрахувала, що маючи 100 МВт електричної потужності, можна за день виробити 160 м3 палива для реактивних двигунів, а виробництво на борту кораблів з ядерною енергетичною установкою коштуватиме близько 1600 $ за 1 м3 (6 $ за американський галон). Хоча 2010 року це приблизно вдвічі перевищувало вартість нафтового палива, очікувалося, що ціна стане значно нижчою від ринкової менш ніж за п'ять років, якщо збережуться останні тенденції. Більш того, оскільки доставка палива авіаносній групі коштує близько 8 $ за американський галон, виробництво на місці виявляється значно дешевшим.
Віллавер зазначає, що морська вода є «найкращим варіантом» джерела вуглецю для синтетичного реактивного палива. На квітень 2014 року її команда ще не виробила палива, яке б відповідало стандарту для військових літаків, але у вересні 2013 року вона змогла використати синтетичне паливо для польоту радіокерованої моделі, яку приводять у рух два двотактні двигуни внутрішнього згоряння. Оскільки для цього процесу потрібні великі витрати електроенергії, першими носіями установки для виробництва власного реактивного палива будуть атомні авіаносці типу «Німіц» і «Джеральд Форд». Очікується, що ВМС США розгорнуть цю технологію в 2020-х роках.
Демонстраційні проєкти та комерційний розвиток
2010 року в Німеччині почав працювати завод зі синтезу метану потужністю 250 кВт, який побудували Центр сонячної енергії і досліджень водню (ZSW) у Баден-Вюртемберзі і товариство Фраунгофера. Його модернізацію до 10 МВт планувалось завершити на осінь 2012 року.
Від 2011 року в Гріндавіку (Ісландія), завод Джорджа Ола з переробки вуглекислого газу, яким управляє компанія Carbon Recycling International, виробляє з димових газів електростанції Сварценгі 2 млн л з метанолового транспортного палива на рік. Його максимальна потужність становить 5 млн л/рік.
Audi побудувала завод з виробництва зрідженого природного газу (СПГ) з нульовим викидом вуглецю у Верльте (Німеччина). Завод призначений для виробництва транспортного палива, що використовується в їхніх автомобілях A3 Sportback g-tron, і може за своєї початкової потужності вилучати з атмосфери 2800 метричних тонн CO2 на рік.
Комерційні розробки впроваджуються в Колумбії (Південна Кароліна), Камарільйо (Каліфорнія) і Дарлінгтоні (Велика Британія). Демонстраційний проєкт у Берклі (Каліфорнія), пропонує синтез палива і харчових жирів із відновлених димових газів.
Видалення парникових газів
Вуглецевонейтральні види палива можуть призвести до зниження обсягу парникових газів, оскільки вуглекислий газ буде повторно використовуватися для виробництва палива, а не викидатися в атмосферу. Вилучення вуглекислого газу з вихлопів електростанцій усуне його викид в атмосферу, хоча при спалюванні палива в транспортних засобах вуглець буде вивільнятися, тому що немає економічного способу уловлювання цих викидів. Такий підхід, за умови використання на всіх електростанціях на викопному паливі, знизив би чисті викиди діоксиду вуглецю приблизно на 50 %. Передбачається, що більшість електростанцій, які працюють на вугіллі і природному газі, буде модернізовано за допомогою скруберів діоксиду вуглецю для уловлювання вуглецю, рециркуляції вихлопних газів або зв'язування вуглецю. Очікується, що така переробка не тільки коштуватиме менше, ніж надмірні економічні наслідки зміни клімату, але й окупиться, оскільки зростання глобального попиту на паливо і піковий дефіцит нафти збільшують ціни на нафту і взаємозамінний природний газ.
Уловлювання CO2 безпосередньо з повітря або вилучення вуглекислого газу з морської води також зменшать кількість вуглекислого газу в навколишньому середовищі і дозволять створити замкнутий цикл вуглецю для усунення нових викидів вуглекислого газу. Використання цих методів повністю усуне потребу у вугіллі, нафті та газі, якщо припустити, що відновлюваної енергії буде достатньо для виробництва палива. Використання синтетичних вуглеводнів для виробництва синтетичних матеріалів, таких як пластмаси, може привести до постійного уловлювання вуглецю з атмосфери.
Технології
Традиційне паливо, метанол або етанол
Деякі автори пропонують виробляти замість традиційного транспортного палива метанол. За нормальної температури це рідина, токсична при попаданні в організм. Метанол має вище октанове число, ніж бензин, але нижчу густину енергії, і його можна змішувати з іншими видами палива або використовувати самостійно. Його також можна використовувати для виробництва складніших вуглеводнів і полімерів. В лабораторії реактивного руху Каліфорнійського технологічного інституту розроблено метанолові паливні елементи для перетворення метанолу і кисню на електрику. Метанол можна перетворити на бензин, реактивне паливо або інші вуглеводні, але це вимагає додаткової енергії та складніших виробничих потужностей. Метанол дещо агресивніший, ніж традиційні види палива, тому для його використання потрібна модифікація автомобіля вартістю близько 100 доларів США.
2016 року розроблено метод перетворення вуглекислого газу на етанол з використанням вуглецевих шипів, наночастинок міді і азоту.
Мікроводорості
Паливо, виготовлене з мікроводоростей, потенційно може мати низький вуглецевий слід і є активною галуззю досліджень, хоча наразі великомасштабна виробнича система не реалізована. Мікроводорості — це водні одноклітинні організми. Хоча вони, на відміну від більшості рослин, мають надзвичайно просту клітинну структуру, вони все ж фотоавтотрофні, здатні використовувати сонячну енергію для перетворення вуглекислого газу на вуглеводи й жири завдяки фотосинтезу. Ці сполуки можуть стати сировиною для біопалива, такого як біоетанол або біодизель. Отже, навіть якщо спалювання паливо на основі мікроводоростей все ж призведе до викидів, як і будь-яке інше паливо, воно могло б бути вуглецевонейтральним, якщо в цілому поглинається стільки ж діоксиду вуглецю, скільки виділяється при згорянні.
Перевагами мікроводоростей є їхня вища ефективність зв'язування CO2 у порівнянні з більшістю рослин і їхня здатність рости в найрізноманітніших водних середовищах. Їхній головний недолік — дорожнеча. Стверджується, що їх унікальний і дуже мінливий хімічний склад може зробити їх привабливими для деяких застосувань.
Виробництво
Є два основні способи вирощування мікроводоростей: ставки з доріжкою і фотобіореактори (ФБР).
Ставок із доріжкою складається з овального каналу із замкнутим контуром, обладнаного лопатевим колесом для циркулювання води і запобігання осадженню. Канал розташований під відкритим небом, його глибина від 0,25 до 0,4 м. Ставок має бути неглибоким, оскільки самозатінення й оптичне поглинання можуть призвести до обмеження проникнення світла.
Живильне середовище фотобіореактора складається із закритих прозорих пробірок. Він має центральний резервуар, у якому циркулює бульйон мікроводоростей. Фотобіореактор — простіша в керуванні система, але вимагає значних загальних виробничих витрат.
Викиди вуглецю з біомаси мікроводоростей, що утворюється у ставках із доріжкою, можна порівняти з викидами від звичайного біодизельного палива, якщо врахувати споживання енергії і поживних речовин як вуглемістких. Відповідні викиди від біомаси мікроводоростей, виробленої у фотобіореакторах, можуть навіть перевищувати викиди від звичайного викопного дизельного палива. Неефективність пов'язана з кількістю електроенергії, використовуваної для перекачування бульйону з водоростей через систему. Використання побічного продукту для виробництва електроенергії — одна зі стратегій, яка може поліпшити загальний вуглецевий баланс. Слід також ураховувати, що викиди вуглецю можуть відбуватися в різних допоміжних виробництвах — керуванні водними ресурсами, поводженні з вуглекислим газом і подачі поживних речовин. Але в цілому ставки з доріжкою демонструють привабливіший енергетичний баланс, ніж системи фотобіореакторів.
Економіка
У вартості виробництва мікроводоростей та біопалива за рахунок упровадження ставків із доріжкою домінують експлуатаційні витрати, які включають робочу силу, сировину та комунальні послуги. У такій системі найбільшою статтею витрат під час вирощування є електроенергія для забезпечення циркуляції культур мікроводоростей, яка становить від 22 % до 79 %. Навпаки, у фотобіореакторах капітальні витрати переважають над виробничими витратами. Ця система має високу вартість установлення, хоча експлуатаційні витрати відносно нижчі, ніж у ставків із доріжкою.
Біопаливо з мікроводоростей обходиться дорожче, ніж викопне паливо: близько $3 за літр, що значно дорожче від звичайного бензину.
Вплив на навколишнє середовище
Будівництво великомасштабних підприємств з вирощування мікроводоростей неминуче призведе до негативних впливів на навколишнє середовище, пов'язаних зі змінами в землекористуванні, наприклад, із руйнуванням наявних природних екосистем. Мікроводорості також можуть за певних умов виділяти парникові гази, такі як метан або закис азоту, або гази з неприємним запахом, такі як сірководень, хоча наразі це широко не вивчено. За неправильного керування в ґрунт або ґрунтові води можуть просочуватися вироблювані мікроводоростями природні токсини.
Виробництво
Вода піддається електролізу за високих температур з утворенням газоподібного водню і газоподібного кисню. Енергію для цього отримують із поновлюваних джерел, таких як енергія вітру. Потім водень реагує зі стисненим діоксидом вуглецю, що уловлюється з атмосфери. Внаслідок реакції утворюється блакитна нафта, що складається зі суміші вуглеводнів. Потім блакитна нафта очищається для отримання високоефективного дизельного палива. За нинішніх виробничих потужностей можна виготовити близько 1000 л пального на місяць або 0,0002 % щоденного виробництва пального в США. Крім того, поставлено під сумнів термодинамічну та економічну здійсненність цієї технології. Тому цю технологію вважають не альтернативою викопному паливу, а скоріше способом перетворення відновлюваної енергії на рідке паливо. Згідно з розрахунками, повернення енергії на енергію, вкладену у викопне дизельне паливо, у 18 разів вище, ніж у синтетичного дизельного палива.
Історія
Дослідження вуглецевонейтрального палива ведуться десятиліттями. Ще 1965 році пропонувалося синтезувати метанол з двоокису вуглецю повітря з використанням ядерної енергії. Суднове виробництво синтетичного палива з використанням ядерної енергії вивчалося в 1977 і 1995 роках. 1984 року вивчалося відновлення вуглекислого газу на заводах, що працюють на викопному паливі. 1995 року оцінено витрати на переобладнання суден для використання вуглецевонейтрального метанолу з подальшим синтезом бензину.
Див. також
Література
- 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. PMID 22475173. doi:10.1021/ja300034j. — has 10 citing articles [Архівовано 6 лютого 2020 у Wayback Machine.] 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, Anna (1 жовтня 2019). Jet fuel from thin air: Aviation's hope or hype?. BBC News. Архів оригіналу за 13 травня 2022. Процитовано 24 жовтня 2019.
Посилання
- МХП побудує перший вуглецевонейтральний завод з лідером біоетанольної галузі США. Економічна правда (укр.). Архів оригіналу за 13 травня 2022. Процитовано 13 травня 2022.
- Doty Windfuels [Архівовано 24 травня 2015 у Wayback Machine.] (Колумбія, Південна Кароліна)
- CoolPlanet Energy Systems [Архівовано 5 березня 2013 у Wayback Machine.] (Камарильйо, Каліфорнія)
- Cost Model for US Navy Zero Carbon Nuclear Synfuel Process [Архівовано 13 травня 2013 у Wayback Machine.] електронна таблиця Джорна Моргана (січень 2013; джерело [Архівовано 29 липня 2013 у Wayback Machine.])
- Інтерв'ю з Кеті Люїс із Військово-морської дослідницької лабораторії США [Архівовано 13 грудня 2013 у Wayback Machine.]
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
