CO2 из производства этанола: новое авиатопливо

Углекислый газ, выделяющийся при производстве этанола из кукурузы, может стать ценным ресурсом для создания авиационного топлива, а не просто отходом. Это следует из исследования, опубликованного в журнале SAE International Journal of Sustainable Transportation, Energy, Environment, & Policy. В отличие от CO₂, выделяемого угольными электростанциями или цементными заводами, требующего значительных энергозатрат для улавливания, при ферментации для производства этанола образуются чистые потоки, содержащие 85% CO₂ и более. Поскольку кукурузные растения поглощают CO₂ из атмосферы, улавливание CO₂ из процесса ферментации и его использование для производства топлива фактически повторно использует углекислый газ, не добавляя его в атмосферу.

«Интересно исследовать, может ли этот «отходный» поток стать значительным активом, превращая неэффективность в преимущество и ускоряя реальное применение новых технологий», — отметил Стивен МакКорд, научный сотрудник в области машиностроения Мичиганского университета и ведущий автор исследования.

Авиация ежегодно выбрасывает более гигатонны CO₂ из ископаемого топлива, поэтому устойчивое авиационное топливо, произведенное из неископаемых источников углерода, может помочь сократить эти выбросы. Устойчивое авиационное топливо, часто производимое из биомассы или растительных масел, уже в небольших количествах смешивается с обычным керосином, и авиационная отрасль, а также пассажиры стремятся к его более широкому внедрению.

В 2023 году США произвели 15,6 миллиарда галлонов этанола, выделив при этом 48 мегатонн CO₂. Это открывает возможности для масштабного производства устойчивого авиационного топлива. Существует несколько способов получения устойчивого авиационного топлива из биоэтанола, и исследовательская группа сравнила различные маршруты, чтобы определить те, которые оказывают наименьшее воздействие на окружающую среду.

«Мы надеемся повлиять на будущие разработки и политику, осветив наиболее перспективные пути для снижения углеродного следа авиации с использованием существующих отходов», — сказал Фолькер Сик, бывший директор Global CO₂ Initiative и профессор передовых энергетических исследований Мичиганского университета, старший автор исследования.

Существующий метод производства устойчивого авиационного топлива на основе кукурузы предполагает химическую модификацию этанола для получения авиационного топлива через процесс Alcohol-to-Jet. Несмотря на высокую выходную мощность топлива (90%), этот метод снижает интенсивность выбросов углерода всего на 4,5%–20% по сравнению с керосиновым авиационным топливом.

Исследовательская группа сравнила этот метод с двумя маршрутами, основанными на использовании CO₂. Оба метода начинаются с преобразования уловленного CO₂ в синтез-газ — смесь оксида углерода (CO) и водорода (H₂). Маршрут газовой ферментации использует синтез-газ для получения этанола в качестве промежуточного продукта, а затем использует Alcohol-to-Jet для производства топлива. Маршрут синтеза Фишера-Тропша вместо этого подает синтез-газ в реактор, синтезируя длинноцепочечные жидкие углеводороды, из которых состоит реактивное топливо.

Оценка жизненного цикла показала, что оба подхода превосходят традиционные методы. Синтез Фишера-Тропша, по прогнозам, сократит интенсивность выбросов углерода до 90%, а газовая ферментация — на 84%. Учитывая существующие предприятия по производству биоэтанола и навыки рабочей силы, газовая ферментация с последующим использованием Alcohol-to-Jet оказалась наиболее перспективным путем для плавного перехода, несмотря на несколько меньшее снижение интенсивности выбросов углерода.

«При планировании крупномасштабного производства устойчивого авиационного топлива из CO₂ необходимо учитывать множество факторов. Начать с CO₂, полученного при ферментации кукурузного этанола, обещает самый быстрый путь к масштабированию этой новой отрасли», — сказал Сик.

В качестве следующего шага исследовательская группа оценила экономическую конкурентоспособность этих двух путей, чтобы понять, какой из них будет работать лучше в реальных условиях и какой может быть быстрее внедрен в США. Учитывая, что электрификация и водород сталкиваются со значительными техническими и практическими препятствиями для дальних авиаперелетов, углеводородное топливо, вероятно, останется основным для авиации в обозримом будущем.

«Эти маршруты преобразования предоставляют жизнеспособный способ «декарбонизации» авиационного топлива и достижения значительного прогресса в сокращении углеродного следа авиации, предлагая реалистичное, краткосрочное решение там, где альтернативы ограничены», — заявил МакКорд.