Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали экономически выгодный техпроцесс производства авиационного керосина из отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства. По себестоимости один литр такого древесного биотоплива почти в два раза дешевле ископаемого, а по воздействию на экологию — почти в два раза чище. Это прорыв, говорят учёные, но к его реализации ещё нужно прийти.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В настоящее время в мире используется биотопливо второго поколения, которое производится в основном из грубых отходов сельского хозяйства — из жмыха. Первое поколение, от которого уже многие отказались, производилось из чистых продуктов: кукурузы, сои, сахарного тростника и так далее. Лишать выращенных на сельхозземлях продуктов людей и животных — сомнительное решение. С грубыми отходами главной проблемой была глубокая и эффективная переработка сахаров и лигнина в составе древесины. И чем твёрже породы деревьев, тем больше в них лигнина и тем сложнее его переработка в углеродсодержащее топливо.

Команда учёных из США занималась проблемой эффективной переработки лигнина около 10 лет. В конечном итоге они добились впечатляющего успеха. Предложенный ими техпроцесс помог на 18 % увеличить выход биотоплива из кукурузного жмыха и древесины. В частности, с каждой тонны грубых отходов кукурузы в обычном случае получали 167 л топлива. Благодаря новому техпроцессу выход увеличился до 196 л. При использовании древесины тополя выход составил 287 л топлива, что почти в два раза больше, чем при переработке кукурузного жмыха старым способом.

Если вывести за скобки логистику и неготовность к массовому производству по новой технологии CELF (co-solvent enhanced lignocellulosic fractionation), то себестоимость нового биотоплива составит $3,15 за галлон (почти 3,8 литра). Для сравнения, средняя цена на авиационный керосин в США сегодня составляет примерно $6,45 за галлон, а средняя цена на авиационный керосин обычного биологического происхождения достигает $9,28. Разница впечатляет!

Тем не менее, не всё так просто. В существующих реалиях себестоимость производства перспективного биотоплива из опилок будет существенно выше. Но также сложно спорить с тем, что у него есть явные перспективы, что может ускорить внедрение новых технологий, ведь сегодня отходы древесины просто сжигают, и хорошо, если делают это для обогрева помещений и получения электрической энергии.

Экспериментальная перегонная установка на 20 галлонов (75 л). Источник изображения: UC Riverside

В чём же секрет такой эффективной переработки? Учёные подобрали состав для предварительной обработки древесины и жмыха. Они добавляют к отходам воду с раствором тетрагидрофурана (THF) и разбавленную кислоту. Предварительное замачивание опилок и жмыха в этом растворе помогает эффективнее извлекать из сахаров и лигнина углеродную составляющую, которая затем преобразуется в авиационный керосин биологического происхождения. Такое топливо сгорает чуть лучше и с меньшими выбросами в воздух серы и твёрдых частиц. Раз уж нам нужен авиационный керосин, пусть он, хотя бы, будет чище. Работа опубликована здесь.

Этанол давно стал эффективной добавкой к биотопливу, а также является важнейшим ингредиентом для химической промышленности. Традиционно для этих нужд его получают из продуктов сельского хозяйства, что невольно подрывает рынок продовольствия. Китайские учёные смогли разработать технологию получения чистейшего этанола из низкосортного угля, тем самым оставив зерно, кукурузу и другие богатые углеводами продукты для пищевого рынка.

Источник изображения: Xinhua

Технологию DMTE разработал Даляньский институт химической физики (DICP) совместно с государственной компанией «Нефтяная группа Шэньси Яньчан» (Shaanxi Yanchang Petroleum Group). При производстве кокса собирается газ, из которого производится метанол. Затем после серии реакций метанола в присутствии катализаторов производится этанол.

Разработки линии и техпроцесса стартовали в 2010 году. В 2017 году группа исследователей помогла спроектировать первую в мире линию по производству этанола из угля мощностью 100 000 тонн в год, которую построили в северо-западной провинции Шэньси. С тех пор исследователи оптимизировали процесс реакции и снизили производственные затраты, заменив оригинальные дорогостоящие катализаторы на недрагоценные металлы.

В июне прошлого года в Китае в тестовом режиме запустили комплекс по производству этанола из угля мощностью 500 000 тонн этанола в год, использовав оборудование только отечественного производства. Завод начал работать в той же провинции Шэньси. Новый завод, работа которого официально стартовала 29 декабря, стал крупнейшим производством в мире с годовой мощностью выработки 600 000 т этанола.

Китай для нужд химической промышленности и производства топливных добавок ежегодно нуждается в 10 млн т этанола. В прошлом году в стране из ферментированного зерна было произведено 2,7 млн т этого вещества. Уже запущенные и строящиеся заводы по производству этанола из угля нацелены производить до 3,95 млн т этанола в год. По данным источника, таких в Китае 11 предприятий, ещё два начнут работу за рубежом по китайской технологии. Во всём мире ежегодно производится 100 млн т этанола, преимущественно в США и Бразилии и, в основном, из зерна. У Китая есть шанс прекратить использовать для получения этанола сырья для продуктов питания. Это тем более важно, что Китай также зависим от импорта зерновых культур.

Согласно подсчётам британских учёных, из ежегодного объёма отходов жизнедеятельности каждого взрослого человека можно получить 4–5 л чистого керосина. Это будет экологически чистое топливо в том смысле, что не потребует переработки ископаемых ресурсов. Тем самым Великобритания за счёт своего населения может покрыть до 5 % потребности в авиационном топливе и ускорить движение к углеродной нейтральности.

Источник изображений: BBC

Вопросом переработки сточных вод в топливо для реактивных лайнеров занялась компания Green Fuels из Глостершира (графство на западе Англии). Около 20 лет назад её основатель и директор начал производить биотопливо для автотранспорта из рапса. К сегодняшнему дню у компании множество клиентов по всему миру, которым она продаёт оборудование для перегонки масла в биодизель. В будущем Green Fuels надеется точно также продавать комплексы для перегонки сточных вод в керосин.

Техпроцесс перегонки с отбором фракций был разработан учёными-химиками из Имперского колледжа в Лондоне. Он напоминает работу с ископаемой нефтью. Сначала из сточных вод на перегонных установках отбирается фракция, которая эквивалентна нефти-сырцу. Затем из этой «нефти» происходит отбор керосина. Как показал анализ, полученный из сточных вод керосин соответствует авиационному топливу Джет А-1.

В целом критикующие подобные программы экоактивисты готовы мириться с топливом из отходов жизнедеятельности человека. Это не тот ресурс, от которого можно мечтать избавиться в принципе, но его в избытке и лучше использовать в качестве сырья для топлива, чем отходы сельского хозяйства или растения.

На один рейс пассажирского лайнера из Лондона в Нью-Йорк потребовалось бы переработать ежегодный объём сточных вод 10 000 человек. Из этого можно вычислить, что общий объём поставок топлива из канализации в Великобритании удовлетворил бы около 5 % от общего спроса страны на авиационное топливо.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли генетически модифицировали бактерии, чем заставили их синтезировать очень и очень эффективное биотопливо. Плотность энергии этого топлива оказалась выше, чем у ракетного топлива и в полтора раза выше, чем у бензина, что позволит проезжать на одном баке большее расстояние.

Источник изображения: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Синтез пока не позволяет вырабатывать достаточно топлива для испытаний в двигателях, но согласно компьютерному моделированию, новое топливо будет безопасным и стабильным при комнатной температуре, а его энергетическая плотность составит более 50 мегаджоулей на литр (МДж/л). Это значительно больше, чем у существующих видов топлива. К примеру, плотность энергии у бензина составляет около 33 МДж/л, а у керосина для реактивных и ракетных двигателей — около 43 МДж/л.

С химической точки зрения новое топливо — это полициклопропановые метиловые эфиры жирных кислот (POP-FAME). Они состоят из семи наборов циклопропановых колец, каждое из трёх атомов углерода, соединённых в треугольную форму со связями под углом в 60 градусов. Разрушение связей ведёт к высвобождению потенциальной энергии, что происходит при горении. Длину цепочек можно регулировать, получая твёрдое топливо при максимальной длине молекулы, дизельное топливо при средней длине и лёгкое ракетное топливо на сильно укороченных цепочках.

Источник изображения: Pablo Cruz-Morales

Специально выведенные с помощью пересадки генов бактерии из семейства Streptomyces поедают растительные остатки и синтезируют вещество, которое требует всего одной химической обработки для получения топлива с заданными свойствами. Пока бактерии и новое биотопливо не готово к массовому использованию. Предстоит ещё много работы по получению штаммов бактерий с лучшей продуктивностью, но проделанная работа удивительна, что подтверждает публикация в журнале Joule.