что такое синтетическое топливо
Про бензин и синтетику
Написано для моего блога моим другом Андреем kajur7
В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус запатентовал способ получения топлива из угля. Разработанный им способ предусматривал каталитическую гидрогенизацию угля при воздействии на него водорода под высоким давлением и при высокой температуре. Для производства синтетического топлива Бергиус построил в 1915 году завод, однако завершившаяся поражением для Германии Первая Мировая война, не позволила наладить выпуск топлива ввиду отсутствия на него спроса. Потерпев неудачу с промышленным выпуском синтетического горючего, Фридрих Бергиус, тем не менее, продолжил свои научные изыскания, которые в результате завершились изобретением способа получения водорода посредством конверсии метана. За свои научные изыскания Бергиус в 1931 году стал нобелевским лауреатом. При использовании способа Бергиуса преимущественно получался бензин.
Еще один способ получения синтетического топлива из угля был разработан немцами Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1923 году на основе метода получения газа из дерева, придуманного в 1839 году немцем Густавом Бишофом, уголь нагревался до высокой температуры без доступа кислорода, в результате чего выделялся угарный газ и водород, из которых с использованием катализатора синтезировался бензин, солярка, мазут, пропан. Кстати, в 1930-1950гг. активно использовались автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающими на газе из газогенераторных установок (у таких машин за кабиной была установлена конструкция, похожая на бочку – газогенератор). При использовании метода Фишера-Тропша помимо бензина также получали дизельное топливо и мазут.
Помимо этих были еще по меньшей мере два способа синтеза бензина.
Следует особо отметить, что значение независимости от поставок нефти было понятно руководству Германии и к началу Второй Мировой войны там было построено несколько крупных заводов по производству синтетического топлива, что позволило в 1941 году произвести 4,1 млн. тонн топлива и нефтепродуктов. Хотя производство было сложным, дорогостоящим и неэкологичным (хотя кто обращает внимание на экологию во время войны), но «синтетику» немцы выпускали фактически до конца войны. После войны возобновлять производство синтетического бензина в Германии не стали, нефть стала стоить дешевле, да и боевые действия больше не велись. До 1973 года, первого нефтяного кризиса, не было никаких проблем ни с поставками дешевой нефти, ни с производством из неё дешевого бензина. После первого кризиса была предпринята первая попытка разработки новых способов синтеза топлива, но, когда в 80-ые годы цены на нефть вновь упали, работы были свернуты.
В основном немецкой промышленностью выпускался синтетический авиационный бензин, который имел разное октановое число и предназначался для разных типов самолетов. Существенным недостатком данного топлива было то, что при низких температурах изменялась текучесть бензина, т.е. при температурах ниже 23-26 С бензин превращался в гель. Также в мемуарах советских летчиков и художественной литературе о Великой Отечественной войне упоминается, что при заправке трофейным топливом самолетов зимой, им приходилось периодически делать «бочку» в воздухе для перемешивания топлива (Вадим Кожевников рассказ «Сережа Измайлов»), т.к. без этого двигатель начинал сбоить. Связано это скорее всего с тем, что присадка-тетарэтил свинца, добавляемая для повышения октанового числа, на морозе могла неравномерно смешивалась с бензином. Также во время Второй Мировой войны в Германии выпускались синтетические дизельное топливо (солярка) и смазочные масла.
Синтетические масла изготавливались на основе высокомолекулярных углеводородов — полиалкиленгликолей (PAG), параллельно велись разработки синтетических масел на основе сложных эфиров для использования в реактивных авиационных двигателях новейших немецких самолетов. В Германии синтетические масла использовались в авиации, т.к. позволяли эксплуатировать их в очень высоконагруженном температурном режиме без утраты своих качеств, при условии использования соответствующих присадок. Однако тогда были выявлены существенные минусы синтетических масел – высокая химическая активность (вызывали коррозию металла) и несовместимость с маслами на минеральной основе. Т.е. однажды перейдя на синтетическое масло, лучше было в дальнейшем «синтетику» и использовать, учитывая короткий срок службы техники во время войны, думаю это не было особой проблемой. В США в это же время синтетические масла на основе PAG применялись в военной технике, эксплуатируемой при низких температурах окружающей среды.
Интересный факт, 30% всего продаваемого сегодня в Южной Африке автомобильного бензина местная компания Sasol производит без единой капли нефти, по технологиям, основанным на немецких довоенных разработках. То, что не стали восстанавливать в Германии, оказалось востребованным в Южной Африке.
В настоящее время крупные компании, такие как Shell, ExxonMobil, Rentech, Dow Chemical производят изыскания с синтезом топлива из природного газа. Для чего строят заводы там, где природный газ имеет невысокую стоимость и производимое из него топливо не будет стоить дороже топлива, получаемого обычным способом из нефти. Сейчас ведется активная рекламная кампания с целью преподнести топливо, синтезируемое из природного газа, как «сверхчистое и сверхэффективное». Не стоит только забывать, как именно оно используется в двигателях внутреннего сгорания.
От себя добавлю пару фильмов родом из СССР, где образование было Образованием, для Образования. Которое во всем опередило свое время, ютуб был и тогда, стоит только разглядеть. Каталитический крекинг нефти, 1965
Синтетическое топливо и сланцевая нефть
Не секрет, что в современном мире кровью мировой экономики является нефть, так называемое черное золото. На протяжении XX и XXI века именно нефть остается одним из наиболее важных для человечества полезных ископаемых на планете. На 2010 год нефть занимала ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе, на ее долю приходилось 33,6% в общем потреблении энергоресурсов. При этом нефть — это невозобновляемый ресурс, и разговоры о том, что рано или поздно ее запасы подойдут к концу, ведутся уже не один десяток лет.
По оценкам ученых, разведанных запасов нефти в мире хватит примерно на 40 лет, а неразведанных еще лет на 10-50. К примеру, в России по состоянию на 1 января 2012 года согласно официально обнародованной информации (до этого момента информация по запасам нефти и газа была засекреченной), объем извлекаемых запасов нефти категорий А/B/С1 составлял 17,8 миллиарда тонн, или 129,9 миллиардов бареллей (согласно расчету, при котором одна тонна экспортной нефти Urals составляет 7,3 барреля). Исходя из существующих объемов добычи, этих разведанных природных богатств нашей стране хватит на 35 лет.
При этом в чистом виде нефть практически не используется. Главная ценность заключается в продуктах ее переработки. Нефть — это источник получения жидкого топлива и масел, а также огромного количества важных для современной промышленности продуктов. Без топлива остановится не только мировая экономика, но и любая армия. Без горючего не поедут автомобили и танки, не взлетят в небо самолеты. При этом некоторые страны изначально лишены собственных запасов черного золота. Ярким примером таких стран в XX веке стали Германия и Япония, которые, обладая очень скудной ресурсной базой, развязали Вторую мировую войну, каждый день которой требовал огромного расхода топлива. В годы Второй мировой войны Германия в значительной степени, в отдельные годы до 50%, удовлетворяла свои потребности в топливе за счет производства жидкого топлива из угля. Выходом для нее стало использование синтетического топлива и масел. Аналогичным образом поступили в прошлом веке и в ЮАР, где предприятие Sasol Limited в годы Апартеида помогало южноафриканской экономике успешно работать под давлением международных санкций.
Синтетическое топливо
В 1920-е годы немецкие исследователи Франц Фишер и Ганс Тропшом, которые трудились в Институте кайзера Вильгельма, изобрели процесс, который получил название процесса Фишера — Тропша. Его принципиальным значением стал выпуск синтетических углеводородов для их использования в качестве синтетического топлива и смазочного масла, к примеру, из угля. Неудивительно, что данный процесс был изобретен в достаточно бедной нефтью, но в то же время богатой углем Германии. Он широко использовался для промышленного выпуска жидкого синтетического топлива. Германия и Япония в годы войны широко применяли этот альтернативный вид топлива. В Германии годовое производство синтетического топлива в 1944 году достигло примерно 6,5 миллиона тонн, или 124 000 баррелей в день. После завершения Второй мировой войны взятые в плен немецкие ученые продолжили работу в этой области. В частности, в США они участвовали в операции «Скрепка», работая в Бюро горной промышленности.
Начиная с середины 1930-х годов в Германии, США, СССР и других промышленно развитых государствах мира начали получать распространение технологии газификации конденсированных топлив в химико-технологических целях, в первую очередь для синтезирования разнообразных химических соединений, в том числе искусственных масел и жидкого топлива. В 1935 году в Германии и Англии из угля, воздуха и воды было изготовлено 835 тысяч тонн и 150 тысяч тонн синтетического бензина соответственно. А в 1936 году лично Адольф Гитлер дал в Германии старт новой госпрограмме, которая предусматривала выпуск синтетического топлива и масел.
Уже в следующем году Франц Фишер совместно с Гельмутом Пихлером (Ганс Тропш в 1931 году уехал из Германии в США, где спустя четыре года ушел из жизни) смогли разработать метод синтеза углеводородов при среднем давлении. В своем процессе немецкие ученые применили катализаторы на основе соединений железа, давление около 10 атмосфер и высокие температуры. Проводимые ими эксперименты имели огромное значение для развертывания в Германии многотоннажного химического выпуска углеводородов. В результате осуществления данного процесса в качестве основных продуктов получались парафины и бензин с высоким октановым числом. 13 августа 1938 года в Каринхалле — охотничьем поместье рейхсминистра авиации Германа Геринга — прошло совещание, на котором была принята программа развития топливного производства, которая получила условное обозначение «Каринхаллеплан». Выбор резиденции Геринга и его кандидатуры, как руководителя программы, был неслучайным, так как возглавляемое им Люфтваффе потребляло минимум треть производимого в Германии топлива. Помимо всего прочего данный план предусматривал существенное развитие выпуска синтетического моторного топлива и смазочных масел.
В 1939 году процесс Фишера — Тропша был запущен в рейхе в коммерческих масштабах применительно к бурому углю, месторождениями которого была особо богата средняя часть страны. Уже к началу 1941 году суммарный выпуск в фашистской Германии синтетического топлива догнал выпуск нефтяного топлива, а далее и превысил его. Помимо синтетического горючего в рейхе из генераторного газа синтезировали жирные кислоты, парафин, искусственные жиры, в том числе и пищевые. Так из одной тонны условного конденсированного топлива по методу Фишера — Тропша можно было получить 0,67 тонны метанола и 0,71 тонны аммиака, или же 1,14 тонны спиртов и альдегидов, в том числе и высших жирных спиртов (ВЖС), или же 0,26 тонны жидких углеводородов.
В конце Второй мировой войны более полугода с осени 1944 года, когда войска Красной Армии заняли нефтяные промыслы Плоешти (Румыния) — крупнейшего природного источника сырья для изготовления топлива, который контролировался Гитлером, и до мая 1945 года функцию моторного топлива в экономике Германии и армии выполняли искусственные жидкие топлива и генераторный газ. Можно сказать, что гитлеровская Германия была империей, которая строилась на твердом углеродсодержащем сырье (в первую очередь угле и в меньшей степени на обычной древесине), воде и воздухе. 100% обогащенной азотной кислоты, которая была необходима для выпуска всех военных взрывчатых веществ, 99% каучука и метанола и 85% моторного топлива синтезировались в Германии из этих сырьевых элементов.
Заводы газификации и гидрогенизации угля были основой немецкой экономики 1940-х годов. Среди всего прочего, синтетическое авиатопливо, которое производилось по методу Фишера — Тропша на 84,5% покрывало все потребности Luftwaffe в военные годы. В годы Второй мировой в фашистской Германии данный метод для синтеза дизельного топлива применялся на восьми заводах, которые давали примерно 600 тысяч тонн дизтоплива в год. При этом данный проект полностью финансировался государством. Аналогичные заводы немцы построили и в оккупированных ими странах, в частности в Польше (Освенцим), который продолжал работу до 1950-х годов включительно. После завершения войны все эти заводы на территории Германии были закрыты и частично вместе с технологиями вывезены из страны в счет репараций СССР и США.
Сланцевая нефть
Вторым источником для производства топлива, помимо угля, является сланцевая нефть, тема которой последние несколько лет не сходит со страниц мировой прессы. В современном мире одной из самых важных тенденций, наблюдаемой в нефтедобывающей отрасли, является уменьшение добычи легкой нефти и нефти средней плотности. Сокращение разведанных запасов нефти на планете вынуждает нефтяные компании работать с альтернативными источниками углеводородов и заниматься их поисками. Одним из таких источников, вместе с тяжелой нефтью и природными битумами, выступают горючие сланцы. Имеющиеся на планете запасы горючих сланцев на порядок превосходят запасы нефти. Основные их запасы сосредоточены на территории США — около 450 триллионов тонн (24,7 триллиона тонн сланцевой нефти). Существенные их запасы есть в Китае и Бразилии. Располагает обширными их запасами и Россия, где содержится около 7% мировых запасов. В США добыча сланцевой нефти началась еще в конце 40-х — начале 50-х годов прошлого века шахтным способом. По большей части добыча носила экспериментальный характер и осуществлялась в мизерных размерах.
На сегодняшний день в мире существует два основных способа получения нужного сырья из горючих сланцев. Первый из них подразумевает добычу сланцевой породы открытым или шахтным методом с последующей переработкой в специальных установках-реакторах, в которых сланцы подвержены пиролизу без доступа воздуха. В ходе этих операций из породы получают сланцевую смолу. Данный метод активно старались развивать и в Советском Союзе. Известны также подобные проекты по добыче сланцев на месторождении Ирати в Бразилии и в китайской провинции Фушунь. В целом же и в 40-е годы XX века, и сейчас метод добычи сланцев с последующей их переработкой остается довольно затратным способом, а себестоимость конечной продукции остается высокой. В ценах 2005 года себестоимость барреля такой нефти составляла на выходе 75-90 долларов.
Второй способ добычи сланцевой нефти предполагает ее добычу прямо из пласта. Именно этот метод получил развитие в США в последние несколько лет и позволил вести разговоры о «сланцевой революции» в нефтедобыче. Данный метод предусматривает бурение горизонтальных скважин с последующими множественными гидроразрывами пласта. При этом часто требуется проводить химический или термический разогрев пласта. Очевидно и то, что такой метод добычи значительно сложнее, а значит и дороже традиционного способа добычи вне зависимости от применяемых технологий и прогресса в научной сфере. Пока что себестоимость сланцевой нефти оказывается существенно выше традиционной нефти. По оценкам самих нефтедобывающих компаний, ее добыча остается рентабельной при минимальных ценах на нефть на мировом рынке выше 50-60 долларов за баррель. При этом оба способа имеют те или иные значительные недостатки.
К примеру, первый метод с открытой или шахтной добычей горючих сланцев и их последующей переработкой значительно сдерживается необходимостью утилизации огромных количеств углекислого газа — СО2, который образуется в процессе извлечения из него сланцевой смолы. Окончательно проблема утилизации углекислого газа все еще не решена, а его выбросы в земную атмосферу чреваты серьезными экологическими проблемами. В то же время при добыче сланцевой нефти непосредственно из пластов появляется друга проблема. Это высокие темпы падения дебита введенных в эксплуатацию скважин. На первоначальном этапе эксплуатации скважины, благодаря множественным гидроразрывам и горизонтальному закачиванию, характеризуются очень высоким дебитом. Однако после примерно 400 дней работы объемы добываемой продукции резко снижаются (до 80%). Для того чтобы компенсировать столь резкое падение и как-то выровнять профиль добычи, скважины на таких сланцевых месторождениях необходимо вводить в эксплуатацию поэтапно.
В то же время такие технологии, как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта, позволили США нарастить добычу нефти более чем на 60% с 2010 года, доведя ее до 9 миллионов баррелей в день. В настоящее время одним из наиболее успешных примеров использования технологий добычи сланцевой нефти является месторождение Баккен (Bakken), находящееся на территории штатов Северная и Южная Дакота. Разработка именно этого месторождения сланцевой нефти породила своего рода эйфорию на рынке Северной Америки. Всего 5 лет назад добыча нефти на данном месторождении не превышала 60 тысяч баррелей в сутки, а в настоящее время составляет уже 500 тысяч баррелей. По мере осуществления здесь геологоразведки запасы нефти месторождения выросли со 150 миллионов до 11 миллиардов баррелей. Наряду с этим нефтеносным месторождением добыча сланцевой нефти в США ведется на месторождениях Bone Springs в Нью-Мексико, Eagle Ford в Техасе и Three Forks в Северной Дакоте.
Синтетическое горючее – триумф высоких технологий
Спецпроекты ЛГ / На переднем крае науки и техники
Мы уже рассказывали нашим читателям о технологии GTL (газ в жидкость) по переработке природного и попутного газа в синтетическое топливо. Но это не единственная технология получения синтетической нефти. Сегодня мы расскажем более подробно о подобных технологиях, а также о том, какую роль в них играют высокоэффективные катализаторы.
Без нефтяного моторного топлива – бензина, керосина, дизельного топлива – современную цивилизацию представить себе просто невозможно. На нём работают двигатели автомобилей, самолётов, ракет. Однако запасы нефти в недрах земли ограничены, и ещё не так давно многие эксперты считали, что человечество неизбежно столкнётся со всеобщей нехваткой моторного горючего. Но оказалось, что впадать в отчаяние рано: закат нефтяной эры если и наступит, то очень не скоро. Разрабатываются новейшие технологии, которые позволят добывать не только легкодоступные углеводороды, но и трудноизвлекаемые запасы нефти и газа. Кроме того, есть серьёзная альтернатива: учёные разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья.
Вспомним, что промышленная добыча нефти началась более 150 лет назад. За прошедшие с тех пор полтора века человечество уже израсходовало более половины запасов так называемой лёгкой нефти. Вначале нефть использовалась в качестве источника тепловой энергии, теперь это стало экономически невыгодно. С наступлением автомобильной эры продукты фракционирования нефти в основном применяются в качестве моторного топлива. Чем больше истощаются запасы нефтяных месторождений, тем рентабельней становится производство синтетической нефти.
Что можно получить из нефти
Горючее – из угля и газа
Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени удовлетворяла свои нужды в топливе за счёт создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Южно-Африканская Республика с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать, несмотря на международные санкции.
Технологии производства синтетической нефти из угля активно развиваются компанией Sasol в ЮАР. Метод химического сжижения угля к состоянию пиролизного топлива был использован ещё в Германии во время Великой Отечественной войны. Немецкая установка уже к концу войны производила 100 тыс. баррелей (0,1346 тыс. т) синтетической нефти в день. Использование угля для производства синтетической нефти целесообразно из-за близкого химического состава природного сырья. Содержание водорода в нефти составляет 15%, а в угле – 8%. При определённых температурных режимах и насыщении угля водородом уголь в значительном объёме переходит в жидкое состояние (процесс гидрогенизации). Гидрогенизация угля увеличивается при введении катализаторов: молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и др. Предварительная газификация угля с введением катализатора позволяет выделять различные фракции синтетического топлива и использовать для дальнейшей переработки.
Sasol на своих производствах применяет две технологии: «уголь в жидкость» – CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» – GTL (gas-to-liquid). Sasol развивает производства синтетической нефти во многих странах мира, например, заявлено о строительстве заводов синтетической нефти в Китае, Австралии и США. Первый завод Sasol был построен в промышленном городе ЮАР Сасолбурге, первым заводом по производству синтетической нефти в промышленных масштабах стал Oryx GTL в Катаре в городе Рас-Лаффан, компания запустила в эксплуатацию завод Secunda CTL в ЮАР, участвовала в проектировании завода Escravos GTL в Нигерии совместно с Chevron.
Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области химии переживают своё «второе рождение».
В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии, иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путём смеси угля с биологическими отходами производства. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования и продажи такого топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например, в Калифорнии).
Синтетическое жидкое топливо и газ из твёрдых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведётся поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300–700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.
Весьма интересно, что ряд учёных считают, что у метанола хорошие перспективы заменить ископаемое топливо и биотопливо.
Экономика метанола – это гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом. В 2005 году лауреат Нобелевской премии Джордж Ола опубликовал свою книгу Oil and Gas: The Methanol Economy, в которой обсудил шансы и возможности экономики метанола. В книге он рассказывает о перспективах синтеза метанола из углекислого газа (CO2) или метана.
Биотопливо – бразильский фактор
Питьевой спирт этанол может использоваться как топливо для ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания прямо в чистом виде. Его недостаток – высокая гигроскопичность, потому он используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Этанол получают в странах Латинской Америки из целлюлозосодержащей биомассы – сахарного тростника, например, и называют биотопливом.
Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40% своих потребностей в топливе за счёт спирта благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.
Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур коэффициент EROEI (отношение полученной энергии к потраченной) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5.
Выгоднее всего получать биотопливо из сахарного тростника и пальмового масла. У сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла – 9.
Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд. литров.
В 2007 году японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.
По ориентировочным оценкам, мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья – наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.
По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту количества респираторных заболеваний и астмы.
Синтетическая нефть – перспективы и технологии
Если сопоставить эти тенденции с тем фактом, что качественного природного угля на планете осталось не так уж много, то неудивительно, что первостепенное внимание учёных привлекает природный и попутный газ, огромное количество которого при нефтедобыче просто уходит в атмосферу. Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снизит объём капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.
Существующие технологии позволяют перерабатывать природный газ в высококачественные бензин и дизельное топливо через стадию образования метанола. Производство по такой схеме довольно удобно, поскольку все реакции протекают в одном реакторе. Но эта цепочка химических превращений требует больших затрат энергии. В результате полученный синтетический бензин в 1,8–2,0 раза дороже «нефтяного».
Есть и более рентабельные схемы. Можно получать синтетический бензин не через стадию образования метанола, а из другого промежуточного вещества – диметилового эфира (ДМЭ). Это нетрудно сделать, увеличив долю окиси углерода в синтез-газе. Важно то, что ДМЭ можно использовать как экологически чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он хорош тем, что полностью укладывается в рамки самых жёстких европейских требований по содержанию твёрдых частиц в автомобильных выхлопах. По теплотворной способности ДМЭ уступает традиционному дизельному топливу – пропану и бутану, но его цетановое число (характеристика воспламеняемости) гораздо выше: для обычного дизельного топлива оно 40–55, а для ДМЭ – 55–60. Так что преимущество ДМЭ перед дизельным топливом при запуске холодного двигателя очевидно. Кроме того, для горения ДМЭ необходимо меньше кислорода, чем для горения дизельного топлива.
Чем выше температура реакции превращения метана в синтез-газ, тем выше производительность реактора. Обычные технологии не могут справиться с задачей проведения реакции при высоких температурах. Тут на помощь приходят ракетные технологии. Одной из наиболее перспективных разработок последних лет можно назвать высокотемпературный генератор синтез-газа, созданный при участии Института нефтехимического синтеза РАН в Приморске на опытном полигоне ракетно-космической корпорации «Энергия». Генератор создан по образу и подобию ракетного двигателя, поэтому его оболочка устойчива к воздействию высоких температур. Полученный в реакторе синтез-газ последовательно преобразовывается по новой эффективной схеме, описанной выше, в ДМЭ и бензин.
Катализаторы творят чудеса
Мы уже рассказывали нашим читателям о катализаторах – веществах, которые сами не участвуют в химических реакциях, но ускоряют их. Катализаторы позволяют добиваться совершенно удивительных эффектов. Например – получать синтетическое топливо из углекислого газа. Углекислый газ (CO2) является соединением со стабильной молекулой, которая имеет слабую химическую активность. Для того чтобы сделать углекислый газ сырьём для производства синтетического топлива, нужно расщепить молекулу и получить молекулу угарного газа (CO), достаточно активного химического вещества, которое можно использовать для получения метана, метанола или других видов альтернативного топлива. Исследования, произведённые различными учёными, показали, что для расщепления молекул углекислого газа могут использоваться катализаторы на основе золотой фольги, но они малоэффективны. Помимо этого золотой катализатор воздействует и на молекулы воды, что приводит к появлению нежелательных побочных водородосодержащих соединений. Учёным из американского университета Брауна (Brown University) удалось успешно решить проблему, создав высокоэффективный катализатор на основе золотых наночастиц строго определённых размеров и формы.
Производя исследования работы золотых катализаторов, учёные обнаружили, что ключевую роль в каталитических процессах играют атомы золота, расположенные на краях острых золотых граней. Кроме этого, огромную роль в выборочном действии катализатора играла длина граней. Дальнейшие исследования привели учёных к созданию многогранных золотых наночастиц, размер которых составлял точно восемь нанометров. Катализатор с такими наночастицами показал 90%-ный уровень расщепления молекул углекислого газа на атом кислорода и молекулу угарного газа.
В лабораториях РН-ЦИР учёные ОАО «НК «Роснефть» успешно работают по исследованию эффективных способов получения синтетической нефти с применением современных катализаторов.