Как сделать биотопливо экологичнее

Климат под угрозой. Несмотря на ряд климатических соглашений, выбросы от ископаемого топлива продолжают расти. Один из главных источников — топливо для транспорта.

В Европе на сжигание ископаемого топлива для транспорта приходится 20% выбросов парниковых газов, в США — 26%.

Поскольку мы не собираемся отказываться от перевозок, необходим устойчивый и CO₂-нейтральный источник энергии.

Частью решения станет электрификация железных дорог и личного транспорта, но грузоперевозки по дорогам, морю и воздуху, вероятно, продолжат использовать жидкое топливо.

Возобновляемая биомасса (сахарный тростник, древесина, солома) может удовлетворить значительную часть этих потребностей. Однако проблема в её низкой эффективности как источника энергии. В Техническом университете Дании (DTU), возможно, нашли решение.

Хорошее и плохое биотопливо

Биотопливо первого поколения (кукуруза, сахарный тростник, растительное масло) — это также продукты питания. Помимо этических проблем, у них ограниченный потенциал из-за низкой урожайности с единицы площади.

Биотопливо второго поколения более экологично. Оно использует несъедобную биомассу: древесину, солому, сельскохозяйственные отходы. Эта биомасса состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, которые придают растениям структуру и прочность.

Ферментативные процессы могут превращать целлюлозу и гемицеллюлозу в спирты (этанол, бутанол). Их можно смешивать с бензином или перерабатывать в углеводороды для авиатоплива.

Биологические процессы преобразуют в спирт лишь около 35% потенциальной энергии биомассы. Это связано с тем, что ферменты не могут переработать лигнин (25–35% энергии). Для расщепления защищённой структуры лигнина и последующего преобразования целлюлозы требуется много энергии.

Первичный продукт ферментации — водянистый раствор спирта, который необходимо очищать дистилляцией, что также энергозатратно. Весь процесс преобразования биомассы в биотопливо требует много энергии и не оптимален.

Производство биотоплива быстрым нагревом

Быстрый нагрев, или пиролиз, — это процесс нагрева биомассы до 500–550 °C в бескислородной атмосфере. В результате биомасса разлагается на масло, газ и кокс (углеродный остаток).

Биомасло из обычного пиролиза содержит много воды и органических молекул с кислородом (сахара, карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды, фенолы). Эти молекулы нестабильны и при нагреве способствуют образованию твёрдого кокса, поэтому «сырое» биомасло — не оптимальный продукт для хранения.

Следующий шаг — реакция биомасла с водородом, которая позволяет преобразовать его в смесь бензина и дизеля, удаляя кислород в виде воды. Реакция проходит под высоким давлением (до 100 бар), при умеренной температуре (250–350 °C) с использованием катализатора.

К сожалению, на практике это сложно: реактивное масло при нагреве образует кокс, который деактивирует катализатор и засоряет реактор.

Два в одном

В DTU объединили пиролиз и каталитическую реакцию с водородом в одном процессе — каталитическом гидропиролизе.

Твёрдая биомасса подаётся в реактор, где катализатор находится в постоянном движении. Водород подаётся в основание реактора, частично поднимая биомассу. Это позволяет наиболее реактивным молекулам биомасла вступать в реакцию с водородом сразу после образования.

Это предотвращает образование кокса, деактивацию катализатора и удаляет около 95% кислорода из биомасла. Оставшиеся 5% менее реактивных молекул удаляются при пропускании масла через традиционный реактор с фиксированным катализатором (аналогичный процессу удаления серы из нефти).

Реакция между водородом и биомассой выделяет тепло, поэтому дополнительная энергия в процессе не требуется.

Дистилляция происходит автоматически

Продукты каталитического гидропиролиза — масло и вода — разделяются самостоятельно, что исключает энергоёмкую дистилляцию, обычно необходимую для отделения спирта от воды.

Процесс также создаёт лёгкие газы (метан, этан, пропан, CO, CO₂) и меньше кокса. CO и CO₂ можно дополнительно прореагировать с водородом для получения метана, который вместе с другими лёгкими углеводородами можно использовать как биогаз, уменьшая отходы.

Энергию можно запасать

Каталитический гидропиролиз можно комбинировать с другими ВИЭ (ветер, солнце) для производства водорода путём электролиза воды. Это особенно полезно при избытке возобновляемой электроэнергии.

Альтернативно, водород можно производить из лёгких газов (в этом режиме биогаз не образуется). Это делает технологию гибкой: её можно использовать для хранения избыточной электроэнергии в виде жидкого и газообразного топлива или производить только жидкое топливо из биомассы.

Значительно лучший выход энергии

На данный момент удалось извлечь около 58% потенциальной энергии буковой древесины в виде биомасла. Это значительно выше, чем у биологических процессов (около 35%).

Компьютерное моделирование показывает, что при преобразовании электроэнергии и биомассы в биомасло и биогаз можно достичь выхода энергии до 87%.

Биомасса возобновляема, но её ресурсы ограничены. Поэтому важно производить биотопливо максимально эффективно. Каталитический гидропиролиз — перспективная технология для получения биотоплива с высоким выходом в будущем.