Впереди полная биомощь
Новое поколение биоперерабатывающих заводов может производить жидкое топливо практически из любых органических отходов - от стеблей кукурузы до щепы и бытовых отходов.
К концу 2015 года все рейсы British Airways из аэропорта Лондон-Сити будут выполняться с макулатурой - бумагой, пищевыми отходами, садовыми отходами и другими органическими отходами, производимыми жителями города.
Но прежде чем отходы попадут в самолеты, они перерабатываются в GreenSky London: строящемся заводе по производству биотоплива на востоке города. Ожидается, что каждый год завод будет поглощать около 500 000 тонн бытовых отходов и преобразовывать содержащиеся в них органические вещества в 60 000 тонн реактивного топлива, такое же количество дизельного топлива вместе с бензиноподобной нафтой и 40 мегаватт электроэнергии.
На обычных нефтеперерабатывающих заводах такая производительность вряд ли будет заметна, потому что сопоставимые объемы здесь обычно производятся всего за одну неделю. Но «собрать достаточно биомассы для запуска нефтеперерабатывающего завода такого масштаба почти немыслимо», - говорит Натаниэль Грин, директор по политике в области возобновляемых источников энергии Совета по защите природных ресурсов в Нью-Йорке. GreenSky London олицетворяет биотопливные реакторы второго поколения, которые не только несколько всеядны - их можно кормить стеблями кукурузы, древесной щепой и другими сельскохозяйственными отходами, а также бытовыми отходами, - но и относительно малы. Есть надежда, что они резко сократят транспортные расходы за счет перевода реакторов на биомассу, а не наоборот.
Сторонники утверждают, что новые каталитические процессы и компактные конструкции сделают заводы по производству биотоплива второго поколения не только более экологичными, но и достаточно прибыльными, чтобы конкурировать с топливом на нефтяной основе без субсидий. Однако насколько реальна эта перспектива, остается под вопросом. По крайней мере, некоторые дают шанс новым биоперерабатывающим заводам - соответствующие заводы в настоящее время строятся по всему миру, в Финляндии, а также в Миссисипи или на Аляске..
Если эти системы второго поколения будут внедрены, по словам Грина, они предоставят по крайней мере одно решающее преимущество перед своими предшественниками: топливо также подходит для существующих транспортных средств - без выброса большого количества дополнительного углерода.
Ограниченная совместимость двигателей была центральной проблемой заводов по производству биотоплива первого поколения. Они основаны на технологии, разработанной на протяжении тысячелетий, которая обычно используется для производства пива, вина и спиртных напитков: системы измельчают такие продукты, как кукуруза или сахарный тростник, добавляют воду и дрожжи и позволяют ингредиентам бродить. В результате получается много этилового спирта, отличного топлива, которое также можно смешивать с бензином.
Но делать топливо из еды - не очень хорошая идея в мире с растущим населением и ограниченными пахотными землями. Уже более десяти лет биотопливная промышленность работает над экономичными способами использования кукурузных початков, древесной щепы и других побочных продуктов, которые в настоящее время попадают на свалки. Эти материалы представляют собой проблему для метода ферментации, поскольку они содержат стабильные молекулы с длинной цепью, такие как целлюлоза и лигнин, которые дрожжи не могут легко разрушить. В последние пять-десять лет это препятствие было частично преодолено за счет предварительной обработки материалов кислотами и ферментами. Коммерческие заводы по производству целлюлозного этанола строятся в Айове и Канзасе.
До предела
Но эти растения по-прежнему имеют самый большой недостаток метода ферментации: так называемый лимит примесей. Смешивание слишком большого количества этанола с бензином может вызвать коррозию топливопроводов и двигателей автомобилей. Для существующих типов этот предел составляет от 10 до 15 процентов, и ферментеры первого поколения уже производят более чем достаточно этанола для удовлетворения этой потребности. На самом деле, несколько заводов по переработке этанола в США, хотя они и были построены только в последнее десятилетие, уже простаивают, страдая от связанного с засухой роста цен и насыщения рынка..
Эти обстоятельства и исторически высокие цены на нефть - цена за баррель в настоящее время составляет около 100 долларов США и остается на значительном уровне в течение последних девяти лет - побудили отрасль к интенсивным исследованиям нового подхода: в термохимических реакторах Биомасса преобразуется непосредственно в различные виды топлива с помощью тепла и катализаторов.
Наиболее распространенным термохимическим процессом является газификация: материалы, богатые углеродом, такие как уголь, древесная щепа или бытовые отходы, нагреваются, и таким образом образуется синтез-газ - смесь в основном водорода и монооксида углерода со следами диоксида углерода. и другие газы (см. инфографику). На заводах GreenSky в Лондоне одна или несколько установок газификации, специально разработанных компанией Solena Fuels в Вашингтоне, округ Колумбия, должны позаботиться об этом этапе, нагревая отходы до хороших 3500 градусов по Цельсию с помощью объединенных струй ионизированной плазмы и, таким образом, испаряя их. Эти плазменные струи потребляют больше энергии, чем другие процессы газификации, в которых биомасса помещается на песок или другой материал и нагревается снизу. Однако компания GreenSky London выбрала более энергоемкий вариант, так как состав ТБО может существенно различаться. Однако температуру плазменных струй можно регулировать таким образом, чтобы состав синтез-газа всегда был одинаковым.
Эта согласованность важна для второго шага процесса. Синтез-газ подается в химический реактор, который в случае с GreenSky производится компанией Velocys в Плейн-Сити, штат Огайо. В реакторе газ подвергается так называемому синтезу Фишера-Тропша, в котором водород и монооксид углерода превращаются в углеводороды с длинной цепью. Velocys сделала свою систему удивительно компактной, используя кобальтсодержащие частицы катализатора нанометрового диаметра и расположив их вдоль серии микроканалов, по которым течет синтетический газ. Таким образом, площади реакции соответствуют эффективной площади значительно большей системы.
Системы также были построены максимально модульно, чтобы отдельные компоненты можно было изготовить на заводе, а затем соединить вместе на месте. «Вы не должны делать экономику с помощью размера, вы должны делать это со стилем», - сказал Невилл Харгривз, менеджер по развитию бизнеса Velocys.
Другой компактной системой является карбюратор BioMax, разработанный Community Power Corporation из Энглвуда, штат Колорадо. По словам компании, эта система также является модульной и достаточно компактной, чтобы разместить четыре из них в стандартном транспортном контейнере. Завод также может перерабатывать практически любую форму измельченной биомассы, от остатков пищи до картона и древесных отходов. Полученный синтез-газ затем можно использовать вместо природного газа для отопления, охлаждения или производства электроэнергии. Типичная система вырабатывает около 150 киловатт - этого достаточно для питания от 25 до 50 домов, работы трех супермаркетов или оборудования жизнеобеспечения в больнице. И в ближайшем будущем системы BioMax также должны быть расширены за счет включения реактора Фишера-Тропша, чтобы с его помощью также можно было производить биодизельное топливо.
В 2011 году компания Community Power была приобретена корпорацией Afognak Native Corporation, принадлежащей коренным американцам с острова Афогнак, Аляска. Они хотят продать объекты на Аляске и в северной Канаде, где электричество и топливо дороги.
Чистое сгорание
Один из самых сильных аргументов в пользу двухстадийного процесса: почти весь синтез-газ превращается в углеводороды без двойных связей или кольцевых структур. Биотопливо, произведенное таким образом, сгорает чисто и полностью. Однако это преимущество не удержало исследователей от изучения одностадийных альтернатив. В так называемом пиролизном подходе биомасса нагревается примерно до 500 градусов Цельсия без дополнительного кислорода и превращается непосредственно в органические жидкости. Используя обычную технологию, эти жидкости затем можно перерабатывать в топливо. По сравнению с газификацией пиролиз все еще относительно несовершенен, сообщает Марк Нимлос из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Боулдере, штат Колорадо. Но это также можно рассматривать и как преимущество, добавляет ведущий ученый. «Есть большой потенциал для улучшения».
Несколько компаний уже изучают прибыльность этой технологии. Например, UOP из Дес-Плейнса, штат Иллинойс, дочерняя компания конгломерата Honeywell International из Нью-Джерси, заключила партнерское соглашение с Ensyn Technologies из Оттавы для коммерциализации оборудования Ensyn для быстрой термической обработки (RTP). Компании планируют эксплуатировать эти заводы вместе с лесопильными заводами, где из древесных отходов можно будет производить около 76 миллионов литров пиролизного масла в год. Если бы этот урожай был сожжен непосредственно в качестве мазута, им можно было бы отапливать 31 000 домашних хозяйств; в качестве альтернативы пиролизное масло может быть переработано в бензин и использовано для заполнения баков 35 000 типичных американских автомобилей.
Биоперерабатывающая компания Green Fuel Nordic в Куопио, Финляндия, планирует построить по крайней мере один завод RTP в городе Иисалми - здесь могут перерабатываться отходы обширной лесной промышленности страны. Совместно с Европейской комиссией компания разрабатывает серию стандартов качества пиролизного топлива. Одним из вызывающих беспокойство ингредиентов является смола. Липкий остаток длинноцепочечных молекул трудно очистить. Другой проблемой является кислород, которого много в биомассе и который вступает в реакцию с пиролизным маслом. Образовавшиеся органические кислоты затем воздействуют на части нефтеперерабатывающего завода. Ученые уже ищут способы борьбы с этими двумя проблемными веществами. Если вы хотите избавиться от кислорода, самый простой способ на данный момент - добавить в процесс молекулярный водород, полученный из природного газа. Это не только подорвет экологичность пиролизного масла, но и приведет к увеличению затрат.
Рентабельность заводов по производству биотоплива второго поколения еще не доказана - независимо от того, какой подход используется. Об этом также свидетельствует история одного из самых современных в мире пиролизных заводов по биопереработке в Колумбусе, штат Миссисипи. Предприятие стоимостью 225 миллионов долларов принадлежит компании KiOR из Пасадены, штат Техас, и в 2013 году произвело 7,5 миллиона галлонов бензина и дизельного топлива из древесных отходов. Хотя обычные нефтеперерабатывающие заводы производят аналогичный объем за один день, техническая возможность была доказана. В январе KiOR закрыл нефтеперерабатывающий завод Columbus для проведения модернизации. Но к концу августа у компании закончатся оборотные средства, а до тех пор денег хватит только потому, что КиОР в начале апреля получил кредит в размере 25 миллионов долларов. Кредитор - венчурный капиталист и миллиардер Винод Хосла, чья компания - Khosla Ventures - изначально финансировала проект.
Даже в случае с GreenSky London экономическая жизнеспособность остается под вопросом. Во всяком случае, операторы - Velocys, Solena и British Airways - уверены. Хотя они еще не раскрыли стоимость объекта, никто из них не считает деньги ключевым вопросом. British Airways надеется на два основных положительных эффекта от операции: с одной стороны, цели, установленные Европейским Союзом по выбросам углекислого газа, могут быть более легко достигнуты, а с другой стороны, гарантированы надежные поставки авиатоплива. не завися от ценовых колебаний на рынке нефти. С другой стороны, Solena и Velocys надеются, что после GreenSky London по всему миру появится много таких заводов, которые будут поставлять топливо в аэропорты.
Каждое поле, лес и свалка представляет собой потенциальный источник энергии для этих объектов, сказал Харгривз. И потребность в жидком топливе никогда полностью не исчезнет. «Через 50 лет сельский транспорт может быть полностью основан на электроприводах», - говорит ученый. Но самолетам требуется плотность энергии, которую батареи просто не могут обеспечить. Жидкое топливо, продолжает он, «очень трудно заменить».