Знание-сила, 2005 № 08 (938)

О топливе, которое не только горит

Разработкой альтернативных видов топлива, способных заменить традиционные источники энергии, активно занимаются ведущие научные центры всего мира. Среди них — Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС).

Сегодня крупные месторождения нефти на суше истощаются, и многим странам, в том числе России, приходится переходить к разработке месторождений на шельфе, где добыча нефти обходится значительно дороже. Доля нефти, добываемой на шельфах, будет неуклонно возрастать, что в конечном итоге приведет к росту себестоимости нефти и росту цен.

Поэтому будет возрастать потребность в альтернативных топливах, к которым сегодня относят любое топливо, полученное не из нефти, а, скажем, из газа, запасов которого в нашей стране достаточно. Газ выгоднее не сжигать, а химическим путем превращать в моторное топливо и другие ценные продукты, считает директор ИНХС Николай Альфредович Платэ.

Через известный в химии процесс паровой или газовой конверсии природный газ можно переработать в синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода) и через диметиловый эфир (ДМЭ) — в моторное топливо. Классический синтез моторного топлива идет через метанол. Реакции этого преобразования по своим термодинамическим параметрам неэффективны, отбор метанола ведется при многократной циркуляции синтез-газа с большими затратами электроэнергии.

В институте нефтехимического синтеза доказали, что эта схема нерентабельна, хотя на сегодняшний день довольно широко распространена. Мировое производство метанола составляет в настоящее время 30 миллионов тонн, из которых 8 процентов производится в России. Метанол перерабатывают в моторное топливо по ступенчатой схеме, последовательно получая диметиловый эфир и этилен. Однако получаемое по этой схеме топливо обходится дороже бензина.

Ученые института нашли способ преобразовать эту схему сделать ее рентабельной. Для этого надо из синтез-газа получить диметиловый эфир, минуя стадию получения метанола. Сравнение этих двух процессов (синтез метанола и синтез диметилового эфира из синтез-газа) оказывается в пользу последнего. Переход на этот процесс дает выигрыш в производительности. Кроме того, есть преимущества и с экологической точки зрения. Особенно значительно снижение в выбросах СО и твердых частиц. По составу и объему выбросов новое топливо соответствует международным стандартам ЕВРО-3 и ЕВРО-4.

В ИНХС разработаны схема процесса и катализатор для получения бензина из диметилового эфира. Такой бензин хорош по октановому числу (92) и по экологическим показателям, в частности, по содержанию серы и бензолов в выбросах.

Итак, в институте предложено видоизменить классическую схему получения топлива. Эта схема дает новые возможности при планировании переработки и прокладки трубопроводов. Как известно, для транспортировки газ сжижают. Теперь появляется возможность на месте добычи газа перерабатывать его в диметиловый эфир, бензин или другое жидкое топливо. Если использовать мобильные установки, которые работают, например, на основе модифицированных дизельных двигателей, то уже на месте добычи газа будет получен жидкий продукт, который можно по-другому транспортировать.

Сегодня в ряде стран цена на нефть настолько высока, что такое синтетическое топливо оказывается конкурентоспособным, а готовое топливо, естественно, покупать выгоднее, чем сырую нефть.

Для получения альтернативных топлив в институте предложено, в частности, использовать ракетные двигатели. Эти мошные энергетические установки, оказывается, могут работать как химический реактор. Поскольку, в отличие от условий космоса, на земле нет ограничений по весу, в установке предусмотрен специальный охлаждающий кожух, обеспечивающий хороший теплообмен. Благодаря этому такой модифицированный ракетный двигатель может работать не полминуты, как в космосе, а тысячи часов. Лабораторные опыты уже позади, создана опытная установка на полигоне ракетно-космической корпорации "Энергия", где получены обнадеживающие результаты.

Размышляя об альтернативном топливе на ближайшие 15 - 20 лет, нельзя не упомянуть о водороде, возможности которого как источника энергии активно исследуются в ИНХС. Это самое экологически безопасное топливо, потому что при его сгорании не возникает таких загрязнителей, как сажа, окись углерода, а образуется только вода. Генератором электроэнергии служит топливный элемент, в котором происходит прямое преобразование энергии окисления в электродвижущую силу. Коэффициент полезного действия топливных элементов достигает, в отличие от классического цикла Карно. 90 процентов.

Тем не менее то, что приемлемо в лаборатории, нуждается в доработке, прежде чем будет применено на практике. Водород — вещество взрывоопасное. Поэтому держать бак с водородом пол днищем автомобиля мало кто захочет. Ученые предлагают несколько вариантов. Растворять в дисперсных металлах? Насыщать водородом твердые конструкции и высвобождать по мере необходимости? Хранить водород в виде гидридов, соединений бора, алюминия? Наиболее перспективным представляется использование процессов, в которых водород можно получать на месте.

Другая проблема — где взять водород для использования в промышленных масштабах? Источником может быть любой водородосодержащий продукт: углеводород, метанол, диметиловый эфир и другие. В каждом случае есть свои плюсы и минусы. Есть ряд экспериментальных установок, на которых отрабатываются различные процессы преобразования. В этих процессах не образуются горючие смеси, связанные с взрывоопасностью.

Еще одна насущная проблема, над которой работают ученые института, — высокотемпературные мембранные электролиты. Если удастся найти замену используемой платине, стоимость топливного элемента будет значительно снижена. Пока производство электроэнергии на основе водорода довольно дорого по сравнению с нефтяными топливами. Однако темпы снижения затрат фантастические. Очень скоро будет создан целый ряд топливных элементов, модулей, в особенности портативных, применимых в миллионах мобильных телефонов, радиоприемниках и тому подобных технических средствах. В течение ближайшего десятилетия, по-видимому, станет возможным распределенное производство энергии на топливных элементах разной мощности от 100 ватт до 200 киловатт.

Недавно в Институте нефтехимического синтеза получены новые результаты. Оказывается, вместо платины можно нанести на сажу катализатор на основе рутения и никеля. (Рутений — один из аналогов платины.) В случае использования нового катализатора выход электроэнергии в миллиамперах на миллиграмм достигает максимума. Впереди, конечно, много исследований, во всяком случае, новые виды топлива — то, чем следует заниматься.

Екатерина Душечкина