В нескольких словах
Испанские ученые разработали новую технологию производства биотоплива из отходов, которая может стать альтернативой ископаемому топливу для авиации и транспорта. Новый метод основан на использовании улучшенных катализаторов для более эффективного и устойчивого процесса.
Авиация, морские и наземные грузоперевозки и биотопливо
Авиация, морские и наземные грузоперевозки в настоящее время не могут полагаться на электрификацию. Энергетическая плотность батарей примерно в 50 раз меньше на килограмм, чем, например, у авиационного керосина, и для таких видов транспорта это неэффективно, потому что топливный бак пришлось бы заменять тоннами батарей. Решением являются биотоплива, производимые из отходов и загрязнений, которые мы производим, чтобы свести к нулю и даже устранить часть выбросов нашей системы жизнедеятельности. Рецепт и технология существуют, но результат получается дорогим, и его трудно масштабировать до уровня, достаточного для снабжения этого огромного флота.
Новое направление исследований Surfcat
Исследовательская группа Surfcat (Химия поверхности и катализ) из Университета Севильи улучшила формулу получения биотоплива из бытовых отходов, мусора и CO₂, которые человечество производит в избытке. Они представили европейский патент и открыли новое направление исследований, которое включает использование водорода.
Технология синтеза передового биотоплива
Технология синтеза передового биотоплива посредством улавливания и утилизации углерода (CCU) позволяет использовать выбросы CO₂ в качестве отправного материала и находится в стадии интенсивных исследований в лабораториях уже десять лет, но ее внедрение затруднено из-за ограничений энергетической эффективности и технических барьеров, таких как отсутствие подходящих катализаторов.
Другие способы синтеза биотоплива
Другие способы синтеза биотоплива из отходов более устоявшиеся. Технология и базовая рецептура существуют уже столетие. В упрощенном виде она заключается в том, что с помощью процессов пиролиза (разложения химического соединения под действием тепла) и газификации генерируется газ или жидкость, из которых после процесса катализа (реакции с другими элементами) получается желаемый продукт. Исследователи Surfcat сосредоточились на улучшении большей части процесса, чтобы сделать его, по словам руководителя группы химика Хосе Антонио Одриозолы, «технически, экономически и социально устойчивым».
Прежде всего, сырье поступает не из ископаемых ресурсов, а со свалок, из загрязнений, которые производит человечество. Группа использует городские отходы, диоксид углерода, остатки биомассы (продукты обрезки или сельскохозяйственные отходы), одежду и даже осадок сточных вод. В некоторых проектах проводятся испытания с водорослями.
Вкратце, эти соединения подвергаются термической обработке, называемой газификацией. «Это как печь или котел с волшебным зельем Панорамикса», — шутит Одриозола. В этой печи или котле тепло разлагает химические соединения и образуется газ (проект, который повторно использует CO₂, называется BioCAs-CCU) или жидкость (биомасло). Это второе направление является предметом двух линий европейского финансирования (FLEXBY и CLEVER-FUEL) и включает оптимальное использование водорода в процессе синтеза биотоплива.
После получения газа или жидкости они подвергаются каталитическому процессу в реакторе, своего рода скороварке, куда добавляются, как выразился Томас Рамирес-Рейна, профессор неорганической химии, присоединившийся к Surfcat после работы в Соединенном Королевстве, «приправы», чтобы сделать это понятным. Они позволяют избирательно получать желаемое химическое соединение и ускорять процесс, тем самым снижая требуемую энергию и, следовательно, затраты.
Основа этого передового катализа («приправы» для более быстрого достижения химической реакции и с меньшими диапазонами температуры и давления), который был представлен в качестве европейского патента, основана на оксидах металлов, и он также может быть использован для улучшения текущих процессов переработки.
«Результат аналогичен топливу для самолетов, кораблей и грузовиков. С помощью катализаторов мы можем модифицировать соединение, чтобы оно соответствовало тому, что нам нужно. Гибкость обеспечивается от начала до конца. Таким образом, мы смогли предложить решение для текстиля, который мы накапливаем, или сельскохозяйственных отходов, и получить то, что мы ищем: устойчивое топливо экономики замкнутого цикла», — подчеркивает Рамирес-Рейна.
Одриозола подчеркивает важность этой гибкости, поскольку она является основой второго направления исследований, которое все еще находится на начальной стадии и которое позволит не только получать биотопливо из жидкости, образующейся при пиролизе, но и использовать водород: «Это можно сделать каталитическим способом, и это было бы фундаментально, потому что это был бы новый источник, который не зависит от электролиза или ископаемого топлива».
Но пока это второе направление приносит результаты, первое уже рассматривается как альтернатива, если производство будет перенесено туда, где генерируется и хранится сырье. Это был бы случай с заводами по производству биотоплива, установленными на свалках городских отходов, где проблема накопления мусора превратится в источник снабжения собственного автопарка; или на очистных сооружениях, где осадок превратится в полезное топливо; или в регионах с высоким производством сельскохозяйственных и лесных отходов. В этом смысле в Линаресе уже планируется строительство пилотной установки, которая будет использовать остатки обрезки оливковых деревьев.
Стоимость конечного продукта по-прежнему выше, чем стоимость продукта, полученного из ископаемых источников, но необходимо учитывать преимущества, которые процесс дает для серьезных и дорогостоящих проблем, таких как загрязнение диоксидом углерода или накопление отходов, а также возможность того, что исследования будут продвигаться вперед до достижения не только желаемой эффективности, но и конкурентоспособных затрат. «Общество должно изменить мышление, если мы действительно хотим двигаться вперед», — резюмирует Рамирес-Рейна.
Новые ингредиенты (передовой катализ) для этого старого рецепта (синтез биотоплива) работают, но оба исследователя признают, что пока только в лабораторных масштабах, где баланс загрязнения и ресурсов равен нулю или отрицателен.
И есть еще один элемент, в котором оба согласны: фон является образовательным. «Это отличительный факт. Мы обучаем людей, мы верим в то, что делаем, и мы делаем это с людьми, которые обучаются, которые станут учеными и технологами будущего», — подчеркивает Одриозола. Surfcat, финансируемый Государственным исследовательским агентством (Министерство науки) и ЕС, базируется в Институте материаловедения Севильи (ICMS) и сотрудничает с университетами Хаэна, Гранады и Сарагосы, а также с промышленными партнерами для разработки технологии биотоплива.
Направление исследований было подтверждено различными анализами. Как описала исследовательница Май Буй в коллективной статье, опубликованной в журнале Energy & Environmental Science: «Этот подход позволяет производить возобновляемые виды топлива, объединяя принципы устойчивости, экономики замкнутого цикла и энергетического перехода».
Но, как описывает Европейская счетная палата в специальном отчете («Поддержка ЕС устойчивому биотопливу в транспорте»), проблема по-прежнему сталкивается с проблемами. По мнению этого органа аудиторов, биотопливо является альтернативой ископаемому топливу, способствует сокращению выбросов парниковых газов в транспортном секторе и имеет поддержку сообщества. Однако выводы анализа показывают «отсутствие долгосрочной перспективы в политике ЕС в отношении биотоплива, что влияет на безопасность инвестиций». И добавляют: «Проблемы устойчивости, а также доступность и стоимость биомассы ограничивают внедрение биотоплива. В целом, несмотря на поддержку, которую ЕС оказывает исследованиям, внедрение биотоплива, полученного из отходов и отходов, происходит медленнее, чем ожидалось».
