Биокеросин

Эта статья входит в число готовых статей
Материал из «Знание.Вики»

Би́окероси́н — возобновляемый вид авиационного топлива, изготавливаемый из гидрогенизированных растительных масел, таких как рапсовое, пальмовое, масло ятрофы, или из водорослей. Данный вид биотоплива поможет сократить использование обычного керосина, снизить выбросы парниковых газов[1].

Современное состояние топливного вопроса в авиации

Авиация является одним из самых быстрорастущих источников выбросов парниковых газов, ведущих к глобальному изменению климата. Она производит примерно 2 % мировых выбросов CO2 и покрывает 10 % общего потребления топлива. В конце 2021 года в преддверии ежегодной конференции ООН по изменению климата COP26 авиационная отрасль пообещала снизить выбросы до нуля к 2050 году, но при этом признала, что водородные и электрические самолеты не будут массово вводиться в эксплуатацию до 2040-х годов. Таким образом, 65 % сокращения выбросов необходимо будет обеспечить за счет замены используемого сегодня авиакеросина на устойчивое авиационное топливо (sustainable aviation fuel, SAF), что потребует значительного увеличения использования биотоплива, которое в настоящее время в 2-5 раз дороже керосина[2].

Рейсовый самолет Fokker F100 швейцарской авиакомпании Helvetic Airways

Альтернативой авиакеросину является биотопливо, которое производят из растительного или животного сырья, продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов. Испытания этого вида топлива проводятся в авиационной индустрии с 2008 года, а с 2011 года было разрешено его применение в коммерческой авиации в виде смеси (не более 50 %) с традиционным авиакеросином. С тех пор биотопливо начали использовать многие авиакомпании, в том числе Air France, Finnair, KLM, Lufthansa и SAS. Однако относительно высокая стоимость в сравнении с традиционным авиакеросином и небольшие объемы производства пока не позволяют биотопливу занять существенную долю рынка: по данным Международной ассоциации воздушного транспорта, с 2016 по 2020 годы с использованием биотоплива было проведено менее 0,2 % всех полетов.

Проведенные недавно британским производителем двигателей для самолетов Rolls-Royce и британской нефтегазовой компанией Royal Dutch Shell тесты показали, что полеты на чистом биотопливе возможны. Также, при сжигании биотоплива выделяется до 80 % меньше СО2. Производственные мощности по производству биотоплива уже на подходе: в Делфзейле при поддержке правительства Нидерландов строится большой завод по производству авиационного биокеросина. В проекте участвуют компании SkyNRG, KLM, SHV Energy и управляющая компания амстердамского аэропорта Схипхол[3][4].

Виды биотоплива

Согласно современной классификации видов биотоплива, в зависимости от применяемого сырья существует 3 вида биотоплива.

Биотопливо первого поколения

В качестве сырья используется биомасса масличных растений. Это топливо хоть и менее токсично по сравнению с обычным нефтяным топливом, однако вырабатывается из того же сырья, что и продовольствие, а при при производстве используется пресная вода[5].

Биодизельное топливо, полученное лабораторным путем в ходе реакции переэтерификации

Биотопливо второго поколения

В качестве сырья используется биомасса растений, не включенных в пищевую цепочку человека. Эти растения могут расти без влияния на необходимые человеку культурные растения, в том числе и на тех же посевных площадях, где продовольственные культуры временно не высеваются, или на тех землях, где они не растут.

К такого рода растениям относится, например, Ятрофа куркас, или Ятрофа ядовитая (лат. Jatrópha cúrcas), — растение, содержащее от 27 до 40 % масла и растущее на засушливых землях. Или Рыжик (лат. Camelina) — сорняк для традиционных зерновых культур. Кроме того здесь могут быть использованы микроскопические водоросли. Выход масла из водорослей составляет около 50 %,что существенно выше, чем у рапса. Количество производимых растительных масел из водорослей составляет 11400-95000 л/га, то есть на порядок больше, чем из пищевых культур[6].

Биотопливо третьего поколения

В качестве сырья используются водоросли. Это сырье для получения биотоплива одновременно дешевое и нетоксичное. С гектара водорослей можно произвести в 30 раз больше энергии, чем с гектара наземных растений, таких как соя[7].

Процессы, используемые в синтезе биокеросина

С точки зрения уровня коммерциализации синтеза биокеросина, сдерживающих факторов и мер поддержки данного направления ниже проанализированы основные технологические процессы получения синтетического керосина.

HEFA процесс

HEFA-процесс (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) — гидрообработка сложных эфиров и жирных кислот, был впервые применен в 2011 году организацией ASTM International для использования в гражданской авиации в составе 50-процентной смеси с авиакеросином Jet-A.

Недостатки данного процесса:

В качестве сырья в данном процессе используются пальмовое масло, отработанное растительное масло и сало. Другое название получаемого топлива — биотопливо из гидроочищенных растительных масел (HVO). Данная технология является зрелой и в настоящее время применяется в коммерческих масштабах. Почти все коммерческие заводы в мире, способные производить биотопливо, в настоящее время производят в основном дизельное топливо HEFA; по состоянию на 2016 год калифорнийская компания AltAir Fuels стала первым специализированным предприятием по производству биоструйных двигателей HEFA[9].

AtJ процесс

В AtJ-процессе (Alcohol-to-Jet Conversion) спирты (например, этанол, бутанол) преобразуются в топливо для реактивных двигателей путем перестройки молекул посредством биологических и/или химических процессов. Данный способ обеспечивает средства для производства экологически чистого альтернативного авиатоплива (SAJF) из широкого спектра ресурсов и предоставляет производителям алкоголя возможность в ближайшей перспективе выйти на рынок SAJF, а авиационному сектору — удовлетворить растущий спрос на SAJF[10].

GtL процесс

GtL-процесс (Gas to liquids technologies) изначально разрабатывался для использования ресурсов природного газа, которые не могли быть использованы достаточно экономически эффективно путем преобразования газа в легко транспортируемые жидкие углеводороды для использования в качестве сырья на «классических» нефтеочистительных заводах. Состав конечных продуктов по технологии GTL зависит от применяемых катализаторов, температуры и давления, соотношения СО и Н2 в рабочей смеси и других факторов. При этом возможны модификации процесса с направленным получением различных полупродуктов (метанола, смеси линейных алканов и алкенов, альдегидов для производства спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др.). На финальной стадии процесса происходит облагораживание полученных полупродуктов с доведением их качества до требуемых параметров. Конечными продуктами технологии GTL являются прямогонные бензины (нафта), дизельное топливо, сжиженные газы и высокомолекулярные парафины. Фракционный состав нафты не содержит ароматических углеводородов и серы, что позволяет использовать её как высококачественное нефтехимическое сырье[11].

В России GTL-технологии используются пока лишь в части получения метанола, примерно половина которого сразу отправляется на экспорт. Оставшееся количество метанола используется в качестве сырья для получения продуктов, часть которых также уходит на экспорт. В связи с этим вряд ли стоит ждать в обозримом будущем широкого коммерческое применение метанола для получения бензина или олефинов. Однако метанол может быть использован в получении диметилового эфира (ДМЭ), который, в частности, согласно программе правительства Москвы, может стать вполне распространенным видом топлива[12].

BtL процесс

BtL-процесс (Biomass-to-Liquid) основывается на конверсии биомассы в жидкое топливо. В рамках данного процесса твердое биотопливо преобразуются в синтез-газ, который впоследствии трансформируется посредством синтеза Фишера-Тропша в углеводороды с различной длиной цепи. Газификация — технически очень сложный процесс, требующий после себя очистки газа[13].

HDCJ процесс

Очистка биотоплива

В ходе HDCJ-процесса (Hydrotreated Depolymerized Cellulosic Jet) топливо получается путем гидроочистки деполимеризованной целлюлозы. Твердая биомасса вначале трансформируется в биомасло путем пиролиза, а затем биомасло совершенствуется до биокеросина. Технически данный процесс похож на BtL, то есть основан на термохимической конверсии лигноцеллюлозной биомассы. Отличие заключается в том, что древесина, солома или другое твердое биотопливо преобразуется вначале в так называемое биомасло путем пиролиза.

Этот шаг деполимеризации может быть выполнен, в частности, в рамках «классического» процесса пиролиза или с помощью флюид-каталитического крекинга биомассы. В обоих случаях биомасса преобразуется, в отсутствии кислорода при относительно высоких температуре и давлении, и, как правило, в присутствии катализатора в бионефть, следовательно, биомасса должна быть раздроблена так, чтобы её можно было вводить в реактор вместе с катализатором.

После процесса пиролиза обычно следует процесс реакционной воды и каталитического материала, который затем регенерируется и утилизируется. Фракции продукта, то есть пиролизной нефти и газа, затем отделяются, пар конденсируется и направляется на дальнейшую гидрообработку. После гидроочистки, то есть превращения алкенов в алканы и реакции обессеривания, продукты разделяются на нужные фракции посредством стандартных технологий дистилляции. Типичные выходы в процессе HDCJ достигают 41 % бензина, 37 % дизельного топлива и 22 % мазута. Этот процесс основывается на перспективной сырьевой базе и обладает огромным потенциалом развития с точки зрения уменьшения затрат[14] .

SYN-FER-J процесс

Аббревиатура SYN-FER-J-процесса от syngas fermentation to ethanol; upgrading to jet fuel, что переводится как «ферментация синтез-газа до этанола; совершенствование до реактивного топлива». В данном процессе происходит преобразование лигноцеллюлозы в реактивное топливо путем газификации с последующей ферментацией синтез-газа в этанол и, наконец, этанол совершенствуется до реактивного топлива. В процессе SYN-FER-J достигается массовая доля выхода реактивного топлива 54 % этанола, что несколько ниже теоретического достижимого массового выхода 61 %[15].

Особенности международной сертификации технологических процессов получения авиационного биотоплива

К авиационному топливу предъявляются особенно жесткие требования для обеспечения надежности, экономичности и безопасности воздушного судна. Получение разрешения на применение авиационного биотоплива также предусматривает тщательное изучение свойств альтернативного топлива, проведение обязательной сертификации и летных испытаний. К настоящему времени в мировой практике сложилось два вида сертификации авиабиотоплива:

  1. Техническая сертификация, подтверждающая эквивалентность авиабиотоплива по физико-химическим и эксплуатационным характеристикам нефтяному авиатопливу, то есть его соответствие понятию «дроп-ин биотопливо»;
  2. Сертификация экологической устойчивости, гарантирующая, что отдельно взятый вид альтернативного авиатоплива отвечает действующим критериям экологической устойчивости и целям устойчивого развития авиации (sustainability of aviation), то есть соответствует понятию «устойчивое топливо».

Авиационное биотопливо химически сходно с произведенным на основе нефти. В соответствии с определением Международной организации гражданской авиации, любое альтернативное авиатопливо представляет собой смесь жидких углеводородов, которые функционально эквивалентны видам транспортного топлива и топливным смесям, произведенным из нефти, и так же как они, не содержит кислорода, вызывающего коррозию металлов, окисляющего топливные компоненты и снижающего энергетическую плотность топлива. Однако современные технологии пока не позволяют добиться абсолютного совпадения параметров. Так, у авиабиотоплива более низкое содержание ароматических углеводородов, отсутствует сера, наблюдается бóльшая высота некоптящего пламени, иные показатели температурной стабильности (например, в условиях низких температур), вязкости, влияния на износ двигателя, более низкие характеристики энергетической плотности.

Для безопасности полетов любые отклонения от стандарта считаются недопустимыми и подлежат дальнейшим детальным исследованиям. Этим объясняется действующее сегодня требование применять все сертифицированные виды авиабиотоплива только в виде смесей с авиационным керосином в различных установленных пропорциях, при которых достигается полное соответствие характеристикам, предусмотренным стандартом на традиционное авиационное топливо. С позиций экономики, дополнительный этап смешивания повышает стоимость конечного продукта, а с экологической точки зрения, небольшое процентное содержание альтернативного компонента в составе авиатоплива и малые объемы производства не позволяют реализовать потенциал биотоплива по сокращению выбросов парниковых газов. Поэтому задача перехода к широкому использованию авиабиотоплива, вплоть до 100%-ной замены авиакеросина, не теряет своей актуальности и не снимается с повестки дня. По прогнозным оценкам Международной организации гражданской авиации, полную замену на устойчивое «дроп-ин» авиабиотопливо возможно ожидать к 2050 году с результирующим сокращением эмиссии CO2 авиационным транспортом на 63 %[16].

Физические характеристики биотоплива отличаются от характеристик ископаемого топлива, особенно с точки зрения температурной стабильности (в частности, в условиях низких температур), а также различно их влияние на процесс износа авиационных двигателей.

Следовательно, для безопасного использования в авиационных двигателях все виды биотоплива должны пройти сертификационные испытания. В некоторых случаях это может потребовать дорогостоящей модификации типовой конструкции авиационных двигателей. К настоящему времени, при участии компаний, производящих реактивное биотопливо, было выполнено несколько тысяч испытательных полетов по расписанию с пассажирами на борту с использованием биотопливной смеси (как правило, смеси 30 % биотоплива с 70 % авиакеросина A-1). Примечательно то, что подробные технические отчеты о результатах этих испытательных полетов все еще не доступны для общественности. Также следует отметить, что ни один из кроссполярных перелетов еще не выполнялся с использованием реактивного биотоплива, просто потому что это создало бы дополнительные риски для безопасности полетов (особенно в случаях, когда снижается температура топлива на борту). Очевидно, что в настоящее время дорогостоящие процедуры сертификации разнообразных типов смесей биотоплива оказывают значительное отрицательное влияние на цены реактивного биотоплива на фоне весьма ограниченных возможностей его производства[17].

Оценка экономической эффективности внедрения авиационного биотоплива

Стоимость авиационного биотоплива в четыре и более раза превышает стоимость авиационного керосина A-1, и при этом его использование создает дополнительные риски для безопасности полетов. Также только биотопливо, произведенное на основе биологических отходов, обеспечивает реальное сокращение выбросов CO2. Российские авиакомпании начинают готовиться к новым требованиям ICAO, предполагающим плату за выбросы СО2 на международных рейсах с 2027 года. Самолеты в РФ заправляют топливом ТС-1, сертификации по его смешиванию с биотопливом нет.

В то же время частичный переход на биотопливо кажется экспертам неизбежным. В июле власти ЕС представили законопроект, по которому к 2025 году все авиакомпании, чьи воздушные суда приземляются в европейских аэропортах, обязаны добавлять в керосин минимум 2 % биотоплива, а в 2030 году — 5 %. Эти требования обойдутся «Аэрофлоту» в те же 2-3 % от EBITDA в течение всего периода, по оценкам аналитиков инвестиционного банка «ВТБ Капитал»[18].

Примечания

  1. ↑ Buchspies B., Kaltschmitt M. Sustainability Aspects of Biokerosene // Biokerosene. — 2018. — С. 325—373.
  2. ↑ Марина Кочетова. Авиакомпании мира планируют переход на SAF. Ведомости (18 апреля 2022).
  3. ↑ Илья Виноградов. KLM открыла эру использования синтетического авиатоплива. Ведомости (11 февраля 2021).
  4. ↑ Chiaramonti D., Prussi M., Buffi M., Tacconi D. Sustainable bio kerosene: Process routes and industrial demonstration activities in aviation biofuels (англ.) // Applied Energy. — 2014.
  5. ↑ Марабян И.А., Мерзликин И.Н. УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА В ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ // ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ (БЕЗОПАСНОСТЬ-2021). материалы III Международной научно-практической конференции : в 2 томах. — 2021. — С. 150—153.
  6. ↑ Муртазина Э. И. Получение биотоплива из водорослей с использованием нанотехнологий в университете штата Аризона (США) // Вестник Казанского технологического университета. — 2012. — № 18.
  7. ↑ Макарова Е.И., Отурина И.П., Сидякин А.И. Прикладные аспекты применения микроводорослей -обитателей водных экосистем // Экосистемы. — 2009.
  8. ↑ Starck L. , Jeuland N., Chapus T., Bogers P.F., Bauldreay J., Pidol L. Production of Hydroprocessed Esters and Fatty Acids (HEFA)—Optimisation of Process Yield (англ.) // Oil & Gas Science and Technology - Revue de l IFP. — 2014.
  9. ↑ BIOFUELS FOR AVIATION TECHNOLOGY BRIEF // IRENA. — 2017.
  10. ↑ Geleynse S., Brandt K., Garcia-Perez M., Wolcott M., Zhang X. The Alcohol-to-Jet Conversion Pathway for Drop-In Biofuels: Techno-Economic Evaluation // ChemSusChem. — 2018.
  11. ↑ Zhang C., Hui X., Lin Y., Sung C-J. Recent development in studies of alternative jet fuel combustion: Progress, challenges, and opportunities (англ.) // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2016. — P. 120—138.
  12. ↑ GTL-технологии по переводу газа в жидкое состояние. Neftegaz.ru (2010).
  13. ↑ Achinas S., Margry S., Euverink G-J. A technological outlook of biokerosene production (англ.) // Sustainable Biofuels. — 2021. — P. 225—246.
  14. ↑ Evaluation of KiOR Hydrotreated Depolymerized Cellulosic Jet (HDCJ) Fuel (англ.) // Pratt & Whitney. A United Technologies Company. — 2014.
  15. ↑ Diederichs G.W. Techno-Economic Assessment of Processes that Produce Jet Fuel from Plant-Derived Sources (англ.) // Stellenbosch University https://scholar.sun.ac.za. — 2015.
  16. ↑ ГАЕВА Т.Н., ВАРАКИН А.Н., ГУЛЯЕВА Л.А., ИШУТЕНКО Д.И., КУЛИНИЧ А.Л., НИКУЛЬШИН П.А., ПИМЕРЗИН А.А., ВАСИЛОВ Р.Г. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ АВИАЦИОННОГО БИОТОПЛИВА // БИОТЕХНОЛОГИЯ. — 2020. — ISSN 0234-2758.
  17. ↑ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВИАЦИОННОГО БИОТОПЛИВА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ СОКРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО2 // Международная организация гражданской авиации. РАБОЧИЙ ДОКУМЕНТ.
  18. ↑ Абдуллина Айгуль. С чистого хвоста. «Аэрофлот» готовится к введению платы за выбросы СО2. https://www.kommersant.ru/. Коммерсант (издательский дом) (2021).
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Биокеросин&oldid=998399