Эко-топливо: будущее авиации и судоходства?

Перспектива питания дальнемагистральных самолетов и тяжелых судов топливом, полученным из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии, переходит из области научной фантастики в реальность. Этому способствует снижение стоимости таких возобновляемых источников, как ветровая и солнечная энергия.

В отличие от сжигания современного топлива, которое высвобождает в атмосферу углерод, накопленный под землей миллионы лет, так называемые эко-топлива обещают более экологичный подход, сбалансированно возвращая углерод в воздух. Примером такого будущего является проект HIF Global 'Haru Oni' на юге Чили, поддержанный Porsche и ExxonMobil. Используя энергию ветра, он производит синтетический метанол и бензин, что знаменует собой один из первых коммерческих проектов по производству эко-топлива. Аналогичные инициативы развиваются в Северной Африке, Исландии и на Аравийском полуострове, ориентированные на экспорт эко-метанола и эко-керосина.

Эко-топлива относятся к более широкой категории синтетических топлив, которые крайне важны для таких отраслей, как авиация и судоходство, поскольку эти сектора пока не могут полностью перейти на электрическую тягу или экологически чистые виды топлива, такие как водород.

Синтетические топлива по химическому составу близки к современным жидким топливам с высокой энергоемкостью, хотя возможно производство и газообразных аналогов. На сегодняшний день они составляют лишь незначительную долю топливного рынка в этих секторах – например, в 2024 году на долю синтетического топлива приходилось около 0,3% мирового авиационного топлива. Однако ожидается, что эта ситуация кардинально изменится в ближайшие годы, и к 2050 году доля синтетических топлив может достичь 50%. Тем не менее, каждое синтетическое топливо имеет свои особенности, влияющие на его стоимость, масштабируемость производства и время выхода на рынок.

Существуют и другие виды синтетического топлива, такие как биохимическое и термохимическое.

Биохимическое топливо получают путем переработки отработанных жиров и масел, а также с помощью ферментации или энзимов, преобразующих растительное сырье и органические отходы в спирты. Завершающий этап включает добавление водорода в процессе каталитического гидрирования.

Цепочки поставок для такого производства хорошо налажены, но существует высокая конкуренция за сырье, которое выращивается на земле или воде, пригодных для производства продовольствия. Даже при оптимистичных прогнозах, этого сырья будет недостаточно для удовлетворения мирового спроса на устойчивое топливо.

Термохимическое производство использует высокие температуры для преобразования древесных остатков, биомассы или даже пластика в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода). Затем он преобразуется в жидкое топливо с помощью промышленных процессов, таких как Фишера-Тропша, где сырье нагревается и пропускается через катализатор, например, кобальтовый.

В этом случае нет необходимости в пищевом сырье, а промышленные процессы хорошо отработаны. Однако требуется сбор и транспортировка больших объемов сырья, а высокотемпературные установки обходятся дорого. Поэтому подавляющее большинство современного синтетического топлива является биохимическим, в основном получаемым из переработанных масел.

Эко-топлива — это новейшая разработка. Многие мировые энергетические лидеры считают, что они сыграют ключевую роль в декарбонизации авиации и судоходства, особенно учитывая ограничения, связанные с биомассой. Основная проблема заключается в высокой энергоемкости и дороговизне производства эко-топлива, особенно в регионах с дефицитом или высокой стоимостью возобновляемой энергии. Процесс производства включает несколько этапов:

Улавливание углекислого газа: Процесс улавливания и концентрирования CO₂ требует значительного количества энергии – около 1–3 МВт⋅ч на тонну. Использование коммерчески доступного CO₂ примерно в три раза дешевле, чем его улавливание из воздуха, поэтому, вероятно, первыми получат распространение гибридные подходы, использующие некоторое количество коммерческого CO₂. В настоящее время коммерческий CO₂ является побочным продуктом сжигания ископаемого топлива, что создает экологические проблемы.
Производство водорода: Даже наиболее эффективные методы извлечения водорода из воды имеют КПД около 70%. Это означает, что для производства 1 кг водорода требуется 50–55 кВт⋅ч электроэнергии, при этом сам водород хранит лишь 33 кВт⋅ч химической энергии. Таким образом, на производство топлива из электричества уходит значительно больше энергии, чем в нем содержится. Это одна из причин, по которой топливо из электричества, вероятно, никогда не будет таким же дешевым, как прямое использование электроэнергии.
Сжатие, хранение и транспортировка: Водород необходимо сжимать или сжижать, что требует дополнительных затрат энергии (например, около 10–13 кВт⋅ч на кг водорода для сжижения). Водород также склонен к утечкам и может вызывать охрупчивание стальных трубопроводов, что затрудняет его транспортировку на большие расстояния.
Преобразование углекислого газа в топливо: Уловленный и концентрированный CO₂ реагирует с водородом для получения топлива. Альтернативно, он может быть сначала восстановлен до монооксида углерода в процессе каталитического синтеза топлива. В обоих случаях конечным продуктом может быть спирт, такой как метанол, или более сложный углеводород, например, смесь парафинов или восков. В зависимости от желаемого конечного продукта может потребоваться дополнительная переработка. Эти этапы требуют высоких температур и давлений, что увеличивает энергопотребление и капитальные затраты.

Таким образом, каждый из этих четырех этапов ведет к потерям энергии. Пока зеленая электроэнергия не станет значительно дешевле, эко-топлива будут оставаться продуктом премиум-класса. В настоящее время стоимость электроэнергии в США и Великобритании примерно в четыре раза выше, чем природного газа, а в Европе — примерно в 2,5 раза выше. Грубо говоря, эко-топлива будут дороже ископаемого топлива до тех пор, пока эти цены не сравняются. Цены на электроэнергию включают затраты на производство, распределение и налоги, поэтому требуется снижение по всем направлениям.

Хорошая новость заключается в том, что стоимость зеленой энергии должна продолжать снижаться по мере повышения эффективности технологий. В авиации, согласно недавним аналитическим данным, большая часть устойчивого топлива до 2040 года будет биохимического или термохимического происхождения, но после этого ожидается, что основную роль будут играть эко-топлива. К 2050 году они могут составлять более половины всех синтетических топлив.

Эко-топлива могут производиться в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии, таких как Северная Африка, Патагония и Исландия, что создаст новых игроков на мировом энергетическом рынке. Для обеспечения жизнеспособности этой отрасли потребуется быстрая масштабизация всей экосистемы, включающей как крупномасштабные возобновляемые источники энергии, так и логистику топлива.

Короче говоря, химия работает, но экономика пока отстает. И хотя эко-топлива представляют собой многообещающую перспективу, они не являются панацеей. Правительствам и энергетической отрасли по-прежнему необходимо отдавать приоритет переходу на электрическую энергию и повышению энергоэффективности везде, где это возможно.