Представьте себе, что самолёты, выполняющие дальние рейсы, и тяжёлые корабли работают на топливе, полученном из воздуха, воды и возобновляемой электроэнергии. Благодаря снижению цен на возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, такой вариант постепенно переходит из разряда научной фантастики в разряд реальности.

В то время как сжигание современных видов топлива приводит к выбросу в атмосферу углерода, который миллионы лет находился в подземных пластах, это «электронное топливо» будет более экологичным, выделяя примерно столько же углерода, сколько оно поглощает.

Мы видим проблеск такого будущего в проекте HIF Global Haru Oni, разворачивающемся на юге Чили, и поддерживаемом Porsche и ExxonMobil. В нем используется энергия ветра для производства синтетического метанола и бензина. Это одно из первых коммерческих предприятий по производству «электронного топлива». Аналогичные проекты разрабатываются в Северной Африке, Исландии и на Аравийском полуострове с целью экспорта электронного метанола и электронного керосина.

Электронное топливо относится к более широкой категории синтетических видов топлива, которые имеют жизненно важное значение для таких секторов, как авиация и судоходство. В ближайшее время последние не смогут перейти на электроэнергию или чистые виды топлива, такие как водород.

Синтетическое топливо химически схоже с высокоэнергетическими жидкими видами топлива, от которых в настоящее время зависят эти виды транспорта, хотя по этой технологи также можно производить и газы. Они по-прежнему составляют лишь небольшую долю топлива в этих секторах — например, в 2024 году около 0,3 % мирового топлива для реактивных двигателей было синтетическим.

Ожидается, что в ближайшие годы ситуация кардинально изменится, и к 2050 году доля синтетического топлива может вырасти до 50%. В то же время каждое синтетическое топливо имеет свои недостатки, которые влияют на его стоимость, масштабируемость и время выхода на рынок.

Альтернативы

Два других основных вида синтетического топлива известны как биохимическое и термохимическое.

Биохимическое топливо получают либо путём переработки отходов жиров и масел, либо с помощью ферментации или ферментов для преобразования таких веществ, как сельскохозяйственные культуры и органические отходы, в спирты. В обоих случаях последний этап включает добавление водорода в процессе, называемом каталитическим гидрированием.

Цепочки поставок для этого вида производства хорошо налажены, но существует большая конкуренция за сырьё. Оно должно выращиваться на землях или в водных пространствах, которые можно было бы использовать для производства продуктов питания. Даже по оптимистичным прогнозам, этот процесс не сможет удовлетворить глобальный спрос на экологически чистое топливо.

Термохимическое производство использует высокие температуры для преобразования древесных отходов, отходов биомассы или даже пластмасс в синтетический газ (смесь оксида углерода и водорода). Затем он преобразуется в жидкое топливо с помощью промышленного процесса, такого как процесс Фишера-Тропша, в котором он нагревается и пропускается через катализатор, например кобальт.

Здесь не требуется сырьё из пищевых продуктов, а промышленные процессы проверены. Однако по-прежнему необходимо собирать и транспортировать большие объёмы сырья, а высокотемпературные установки стоят дорого. В настоящее время подавляющее большинство синтетических видов топлива является биохимическим, в основном полученным из переработанных масел.

Электронное топливо (э-топливо)

Э-топливо — это новейший вариант. Многие лидеры мировой энергетики ожидают, что оно будет играть центральную роль в декарбонизации авиации и судоходства, особенно в связи с тем, что производство топлива из биомассы уже достигает своих теоретических пределов. Проблема заключается в том, что производство э-топлива является энергоёмким и в настоящее время дорогостоящим, особенно там, где возобновляемые источники энергии являются дефицитными или дорогостоящими. Вот как это работает:

1. Улавливание углекислого газа

Для улавливания и концентрирования CO₂ требуется около 1-3 мегаватт-часов (МВтч) энергии на тонну, что является довольно значительным показателем. Использование коммерчески поставляемого CO₂ обходится примерно в треть стоимости его улавливания из воздуха, поэтому гибридные подходы, использующие часть коммерческого CO₂, вероятно, будут внедряться в первую очередь. Коммерческий CO₂ обычно является побочным продуктом сжигания ископаемого топлива, что отрицательно влияет на окружающую среду.

2. Производство водорода

Даже самые эффективные методы извлечения водорода из воды имеют КПД около 70 %. Это означает, что для производства 1 кг водорода, который хранит только 33 кВт•ч химической энергии, требуется 50–55 кВт•ч электроэнергии — другими словами, затрачивается значительно больше энергии, чем получается в результате. Это одна из причин, по которой производство топлива при помощи электроэнергии, вероятно, никогда не будет столь же дешёвым, как использование электроэнергии напрямую.

3. Сжатие, хранение и транспортировка

Водород необходимо сжимать или сжижать, что требует дополнительных затрат энергии (например, около 10–13 кВт•ч на 1 кг водорода для сжижения). Водород также склонён к утечкам и может вызывать хрупкость стальных трубопроводов, что затрудняет транспортировку на большие расстояния.

4. Преобразование углекислого газа в топливо

Пойманный и сконцентрированный CO₂ преобразуется в топливо путём реакции с водородом – или сначала его можно восстановить до оксида углерода в процессе каталитического «синтеза топлива». В обоих случаях конечным продуктом может быть спирт, такой как метанол, или более сложный углеводород, такой как смесь парафинов или восков. В зависимости от желаемого конечного продукта может потребоваться дальнейшая переработка. Эти этапы требуют высоких температур и давлений, что увеличивает потребность в энергии и капитальные затраты.

Таким образом, каждый из этих четырёх процессов усугубляет потери энергии. До тех пор, пока экологически чистая электроэнергия не станет намного дешевле, э-топливо будет оставаться продуктом премиум-класса.

В США и Великобритании цены на электроэнергию в настоящее время примерно в четыре раза выше, чем на природный газ, тогда как в Европе они примерно в 2,5 раза выше. Грубо говоря, э-топливо будет оставаться более дорогими, чем ископаемые виды топлива, до тех пор, пока эти цены не достигнут паритета. Цены на электроэнергию включают в себя затраты на производство и распределение, а также налоги, поэтому нам потребуется их снижение по всем направлениям.

Хорошая новость заключается в том, что стоимость экологически чистой энергии должна продолжать снижаться по мере повышения эффективности технологий. В авиации, согласно недавнему анализу, до 2040 года наиболее экологичным топливом будет биохимическое или термохимическое топливо, но после этого основной рост, вероятно, будет обеспечен за счёт э-топлива. К 2050 году оно может составить более половины всего синтетического топлива.

Э-топливо можно будет производить в регионах, богатых возобновляемыми источниками энергии, таких как Северная Африка, Патагония и Исландия, что приведёт к появлению новых игроков на мировом энергетическом рынке. Для обеспечения жизнеспособности этой отрасли необходимо будет быстро масштабировать всю экосистему, включая все от крупномасштабных возобновляемых источников энергии до логистики топлива.

Короче говоря, химия уже работает, а экономика пока ещё отстаёт. И хотя э-топливо представляет собой многообещающую перспективу, оно не являются панацеей. Правительства и энергетическая отрасль по-прежнему должны уделять приоритетное внимание переходу на электроэнергию и повышению энергоэффективности везде, где это возможно.