Исследователи из Римского университета Сапиенца совместно с итальянским агентством ENEA подсчитали, насколько эффективным и экономически выгодным может быть производство синтетического авиакеросина из углекислого газа и воды. Речь идет о технологии, в которой вода с помощью возобновляемой электроэнергии сначала превращается в водород, а затем водород вступает в реакцию с CO₂ с образованием углеводородного топлива. Главное отличие предложенной схемы заключается в том, что две основные стадии превращения CO₂ в углеводороды проходят одновременно в одном реакторе, тогда как обычно их проводят последовательно. Это позволяет упростить технологическую цепочку и сократить количество оборудования. По расчетам итальянских ученых, керосин стал крупнейшим отдельным продуктом процесса – на него пришлось 33% общей массы получаемых продуктов. При этом по основным энергетическим характеристикам синтетическое топливо оказалось близко к обычному авиакеросину: его теплота сгорания составила 43,57 МДж/кг против примерно 43,1 МДж/кг у традиционного керосина.
Производство синтетического керосина по предложенной схеме проходит в несколько этапов. Сначала в ходе электролиза воды с использованием возобновляемой электроэнергии получают водород. Далее его смешивают с CO₂ и направляют в трубчатый реактор, заполненный катализатором на основе железа с добавлением калия. При температуре 300 °C и давлении в 25 раз выше атмосферного там одновременно происходят две химические реакции. Сначала CO₂ взаимодействует с водородом с образованием монооксида углерода и воды, а затем монооксид углерода и водород в ходе реакции Фишера-Тропша соединяются в более длинные цепочки углеводородов. На выходе получается своего рода синтетическая нефть – смесь углеводородов, которую затем в дистилляционной колонне разделяют на несколько фракций, в том числе керосиновую и дизельную.
Керосиновая фракция состоит преимущественно из молекул с цепочками примерно от 8 до 15 атомов углерода, причем особенно велика доля соединений с 9-10 атомами. В общей массе продуктов на керосин приходится 33%, на газовую фракцию – 28,3%, дизельную – 13,2%, тяжелую нафту – 12,5%, тяжелый остаток – 9,7%, легкую нафту – 3,8%. За один проход через реактор преобразуется 57,5% поступающего CO₂. Чтобы повысить эффективность использования сырья, непрореагировавшие углекислый газ и водород возвращаются обратно в процесс, а образующаяся вода очищается и снова используется для электролиза.
Ученые предусмотрели использование и побочных продуктов производства. Кислород, который выделяется вместе с водородом при электролизе воды, направляется на сжигание отходящих газов. Полученное тепло вместе с теплом самого химического процесса используется для производства пара высокого давления, который приводит в действие турбину и вырабатывает электричество для предприятия. Тем не менее производство водорода остается главным потребителем энергии: на электролизер приходится 97,7% всей необходимой установке электроэнергии. По расчетам, на производство 1 кг синтетического керосина требуется 173,5 кВт·ч, из которых 25,1 кВт·ч установка может компенсировать за счет собственной генерации. Таким образом, чистое потребление электроэнергии составляет 148,4 кВт·ч на 1 кг топлива, а расчетный КПД всего процесса – 27,3%.
Именно производство водорода во многом определяет и стоимость топлива. На электролизер приходится около 35% капитальных затрат на строительство предприятия и 49% его эксплуатационных расходов. Исследователи рассчитали экономику установок мощностью от 472 тонн до 100 тысяч тонн керосина в год и показали, что увеличение масштаба заметно улучшает показатели. При принятых в работе ценах выручка начинает превышать производственные расходы при выпуске 60 тысяч тонн керосина в год. Для крупнейших рассмотренных вариантов вероятность положительной чистой приведенной стоимости проекта составила около 85-95%. Для оценки неопределенности авторы провели 1000 расчетов с изменением стоимости сырья, капитальных затрат и цен на конечную продукцию. При этом базовый сценарий предполагает электроэнергию по 60 долларов за МВт·ч и синтетический керосин по 6 долларов за кг, поэтому полученные экономические оценки существенно зависят от стоимости электроэнергии и рыночной цены топлива.
Сам синтетический керосин по многим свойствам оказался близок к традиционному авиационному топливу. Помимо сопоставимой теплоты сгорания, он не содержит серы и ароматических соединений, присутствие которых связано, в частности, с образованием оксидов серы и сажи при сгорании. Однако использовать полученный продукт в существующем виде пока нельзя. Его расчетная температура замерзания составляет –37,8 °C, тогда как для авиационного керосина Jet A этот показатель должен составлять не выше –40 °C, а для более распространенного Jet A-1 – не выше –47 °C. Топливо потребуется дополнительно перерабатывать, добавлять в него специальные присадки или смешивать с обычным авиакеросином.
Наиболее благоприятные условия для размещения таких предприятий, по расчетам ученых, сегодня существуют в Норвегии и Швеции: обе страны получили более 0,85 балла по разработанному авторами индексу технологической пригодности. При его расчете учитывалась доступность электроэнергии и воды, а также объемы выбросов CO₂ в каждой стране. Высокие показатели стран Северной Европы связаны прежде всего с большим объемом доступной низкоуглеродной электроэнергии при сравнительно небольших выбросах CO₂. Для производства синтетического керосина это особенно важно, поскольку получение водорода требует почти всей электроэнергии, потребляемой установкой.
