Смогут ли самолёты летать на биотопливе?

Это горькая правда и не только для тех, кто регулярно летает: самолет — враг климата. Авиаперелеты являются одним из самых загрязняющих окружающую среду видов деятельности человека. Перелет туда и обратно из Владивостока в Москву или из Нью-Йорка в Лондон это почти 1000 килограммов углекислого газа на пассажира, что больше, чем средний показатель выбросов за год на одного человека в Бурунди, Никарагуа или 47 других странах. Ежегодно самолеты выбрасывают в  атмосферу около 920 миллионов тонн углекислого газа , что составляет примерно 3,5% всех выбросов парниковых газов в мире.

Дерек Вардон надеется, что желтоватая жидкость с неприятным запахом поможет это изменить. Жидкость представляет собой набор коротких цепочечных молекул, называемых летучими жирными кислотами (VFA), из разлагающихся пищевых отходов, таких как курица и греческие салаты.

Те же типы молекул придают навозу зловонный запах. В процессе, разработанном им и его коллегами, жирные кислоты испаряются, а затем просачиваются над слоем белых гранул оксида циркония размером с марбл (мраморный шарик 1,25—2,5 см), которые связывают пары жирных кислот в более длинные цепи, называемые кетонами. После конденсации в сладко пахнущую прозрачную жидкость кетоны перекачиваются в другой реактор, где серые платиновые гранулы связывают их вместе и отделяют атомы кислорода, превращая в керосин, он же топливо для реактивных двигателей.

Airbus А380 совершает перелёт на биотопливе

Airbus А380, показанный на фотоиллюстрации, является самым большим пассажирским самолетом, совершившим 3-х часовой перелёт, работая только на биотопливе, полученном из биологических жиросодержащих отходов.

Вардон, химик, проработавший большую часть последнего десятилетия в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), делает ставку на то, что этот процесс превращения пищи в топливо и другие процессы, которые превращают различные формы отходов «биомассы» в топливо, представляют собой будущее авиаперевозок и надежду на резкое сокращение выбросов парниковых газов.

В марте 2021 года он и его коллеги подробно описали технологию в Proceedings of the National Academy of Sciences вместе с расчетами, показывающими, что полученное реактивное топливо может быть почти таким же дешевым, как версия на нефтяной основе. Поскольку углерод, который он содержит, образовался в растениях, которые извлекали его из атмосферы, чистые выбросы от биотоплива для реактивных двигателей будут лишь частью выбросов от ископаемого топлива.

В октябре 2021 года Вардон сделал ставку на свою технологию, оставив прежнее место работы, чтобы стать главным техническим директором Alder Fuels, стартапа, по производству экологичного авиационного топлива (SAF). Компания Alder подстраховывается, разрабатывая и другой процесс: использование высоких температур для преобразования древесных отходов в топливо для реактивных двигателей. «У нас есть возможность, чтобы повлиять на изменение климата», — говорит Вардон. «Мне пришлось спросить себя: хочу ли я написать больше статей или попытаться взять это решение и вывести его на рынок?»

Осенью 2021 года United Airlines обязалась купить 5,7 миллиарда литров SAF у Alder, что на тот момент стало крупнейшей сделкой в ​​сфере авиации. И Alder Fuels не одинока. За последние годы в США, Китае, Японии, Сингапуре, Индии, Финляндии, Швеции, Австрии и Канаде образовалось более десятка стартапов по производству экологичного авиационного топлива. Интерес глобальный, и он быстро растет.

На данный момент производится всего 100 миллионов литров топлива в год для отрасли, которая потребляла более 360 миллиардов литров в 2019 году, до того как пандемия сократила этот показатель примерно вдвое. По данным аналитических агентств, к 2030 году рынок экологичного авиационного топлива может вырасти в 70 раз.

Биотопливо в бочках

За сегодняшними усилиями по переходу на экологичное топливо стоит неудавшийся опыт нескольких компаний, более десяти лет назад, превратить сельскохозяйственные отходы в автомобильное топливо. Но в этом случае успех может быть более вероятным, отчасти потому, что компании пробуют множество подходов, а отчасти, что авиакомпании, пытающиеся найти способы уменьшить свой углеродный след, имеют мало альтернатив.

Автомобили могут работать от аккумуляторов, но самолетам, скорее всего, потребуется жидкое топливо, которое несет гораздо больше энергии в заданном объеме. «Никто не собирается в ближайшее время летать в Австралию на самолете с батарейным питанием», — говорит Эрик Макафи, генеральный директор Aemetic, стартапа, который превращает древесные отходы и кухонный жир в биотопливо.

Переход на биотопливо уже начался

Медленно и неуверенно, но процесс по переходу уже начался. Более дюжины авиакомпаний по всему миру взяли на себя обязательство коллективно закупить около 21 миллиарда литров экологичного авиационного топлива в ближайшие годы.

Экологичное авиационное топливо впервые было смешано с авиакеросином, полученным из ископаемого топлива, для полета авиакомпании в 2008 году, и с тех пор тысячи реактивных лайнеров сжигали такие смеси. Но только в декабре 2021 года рейс United Airlines из Чикаго в Вашингтон, стал первым пассажирским рейсом, который выполнялся на 100% экологичном авиационном топливе.

Заправка самолета биотопливом

Впервые United Airlines в 2021 году использовала только биотопливо для коммерческого рейса. Он перевозил пассажиров из Чикаго в Вашингтон.

Первое появление биотоплива не вызвало большого ажиотажа. Почти каждый автомобилист закачивал в свой бак небольшое количество биотоплива. В Соединенных Штатах это был этанол, сделанный из кукурузных зерен. Кукурузный этанол в настоящее время поставляет в количестве около 59 миллиардов литров в год только в Соединенных Штатах, но выращивание и сбор урожая кукурузы требует интенсивного использования удобрений и других энергоемких материалов, что делает его климатические преимущества в лучшем случае незначительными. «Целлюлозный этанол», изготовленный из стеблей кукурузы, лесных отходов и других углеродных отходов, должен был изменить это.

Миллиарды долларов были потрачены на усилия после того, как Конгресс ввел в 2005 году стандарт возобновляемого топлива для создания рынка этанола и другого биотоплива для транспортных средств. Огромный химический завод, открывшийся в 2014 году в Эмметсбурге, посреди кукурузных полей, простирающихся до самого горизонта, является одним из памятников его провала. Завод стоимостью 275 миллионов долларов, получивший название Project Liberty, перерабатывал сельскохозяйственные отходы, включая разлагающиеся стебли кукурузы и початки, в этанол для смешивания с бензином.

Технология сработала, но Project Liberty закрыли в 2020 году, а в 2021 году владельцы завода в Эмметсбурге перешли на производство дезинфицирующего средства для рук. Другие заводы по производству целлюлозы также разорились за несколько лет. По данным Агентства по охране окружающей среды, в прошлом году в США было произведено менее 1 млн литров целлюлозного этанола.

Турбина самолёта

Рецепт целлюлозного этанола казался победителем. Начните с сельскохозяйственных и лесных отходов, которых так много, что они практически бесплатны, используйте микробные ферменты, чтобы преобразовать их в сахара, позвольте дрожжам сбраживать сахар, и вы получите топливо, которое можно продать. Случай с климатом был не менее убедительным. По сравнению с ископаемым топливом этанол, полученный из кукурузы, снижает выбросы угликислого газа на 20-40%; этанол, произведенный из отходов биомассы, сокращает выбросы на 90%.

Для стран, чтобы иметь возможность достичь хороших показателей в своих климатических проектах, такое топливо является «просто абсолютной необходимостью», — говорит Ли Линд, инженер-энергетик из Дартмутского колледжа. «В будущем потребность в энергии из биомассы будет больше, чем во всей энергии ветра и солнца вместе взятых».

Но жизнеспособный способ производства целлюлозного этанола в больших масштабах оказался труднодостижимым. Большая часть биомассы содержит много воды, что делает затратной ее транспортировку на перерабатывающие предприятия. Урожай кукурузы длится всего около 1 месяца в году. Стебли и другой мусор должны храниться до конца года, чтобы обеспечивать сырьем биоперерабатывающий завод, что еще больше увеличивает затраты.

Ферменты, разлагающие биомассу, недешевы. И похожие на копья стебли кукурузы и другая древесная биомасса часто заклинивают механизмы, предназначенные для ее измельчения. «Химическая промышленность построена на работе с жидкостями и газами, — говорит Брюс Дейл, инженер по биотопливу из Мичиганского государственного университета. С твердыми телами гораздо сложнее.

Дейл и другие утверждают, что компании, поддержанные грантами Министерства энергетики, слишком быстро попытались расширить производства. С каждым шагом возникают новые проблемы, например, заставить фермеров согласиться собирать отходы урожая, а не просто урожай. Министерство энергетики слишком рано объявило о победе в попытке коммерциализировать технологию, — говорит Дэниел Сперлинг, руководитель Института транспортных исследований Калифорнийского университета в Дэвисе.

В октябре 2021 года США поставили перед собой грандиозную задачу по производству 11,4 миллиарда литров экологичного авиационного топлива в год к 2030 году, что достаточно для удовлетворения 100% спроса на авиационное топливо к 2050 году, который, по прогнозам, составит около 160 миллиардов литров. В рамках этих усилий Управления биоэнергетических технологий Министерства энергетики США объявила о выделении почти 65 миллионов долларов на 22 проекта по разработке нового сырья для биомассы и технологий SAF. В отличие от целлюлозного этанола, который опирался на один базовый рецепт, идея состоит в том, чтобы развивать несколько путей, надеясь, что некоторые из них окажутся успешными.

Химик Дерек Вардон

Химик Дерек Вардон надеется коммерциализировать процесс преобразования пищевых отходов в авиационное топливо.

«Я надеюсь, что эта технология преодолеет все препятствия», ​​— говорит Даниэль Санчес, эксперт по биоэнергетике из Калифорнийского университета в Беркли. Но что не ясно, так это то, сколько проектов потерпят неудачу.

Эрик Макафи делает ставку на то, что Aemetic не будет среди них. Он строит большой химический завод посреди миндальных садов Северной Калифорнии. Фермеры, выращивающие миндаль, обычно меняют свои деревья каждые 15–25 лет. Это создает более 2 миллионов тонн сельскохозяйственных отходов в год. Раньше фермеры сжигали его, но эта практика постепенно прекращается, чтобы улучшить качество воздуха в регионе. Теперь Aemetic заключила контракт на покупку большей части этих отходов по цене 20 долларов за тонну и будет использовать высокотемпературный процесс, называемый газификацией, для извлечения из них водорода. По словам Эрик Макафи, выброс углекислого газа из процесса будет улавливаться и изолироваться под землей.

Процесс получения биотоплива для реактивных двигателей

Компания будет использовать водород для химической обработки растительных масел и животных жиров. Эта «гидроочистка» разбивает молекулы масла — обычно углеводороды с тремя или более разветвлениями — на цепочки с одной разветвленной цепью. Вторая реакция, называемая гидроизомеризацией, перестраивает эти цепи в смесь углеводородов, из которых состоит стандартное топливо для реактивных двигателей, также известное как Jet A.

Виды отходов для переработки в авиационное топливо

Компании превращают отходы из источников углерода, таких как пищевые отходы и муниципальный мусор, в топливо для реактивных двигателей. Поскольку это топливо производится из растений, которые удаляют углекислый газ из воздуха, его воздействие на климат будет ниже, чем у обычного топлива. На рисунке изображен процесс на основе ольхового топлива.

Процесс переработки биологических отходов в авиационное топливо

① Ферментация и разделение. Alter Fuels использует микробы для преобразования пищевых отходов в летучие соединения жирных кислот (VFA).

② Реактор кетонизации. Жирные кислоты проходят через гранулы катализатора из оксида циркония, которые связывают VFA в кетоны.

Процесс переработки биологических отходов в авиационное топливо

③ Реактор HDO-ISO. Кетоны проходят через гранулы катализатора, изготовленные из никеля, покрытого платиной, которые связывают кетоны плюс добавленный водород в более крупные углеводороды и удаляют атомы кислорода.

④ Дистилляция. Затем углеводороды разделяются по их длине и весу, причем самая легкая смесь составляет реактивное топливо.

Альтернативные способы получения авиа топлива

Появляются и другие способы создания углеродно-нейтрального топлива. LanzaJet перерабатывает муниципальный мусор, древесные отходы и отработанные промышленные газы в этанол, а затем перерабатывает его в топливо для реактивных двигателей. Первые молекулы воды отделяются от этанола, превращая его в этилен. Затем несколько молекул этилена соединяются вместе, образуя короткие углеводороды, называемые олефинами. Другая реакция с водородом превращает олефины в ряд углеводородов, включая керосин, который на последнем этапе перерабатывается в топливо.

Компания Gevo из Колорадо перерабатывает стебли кукурузы и другие сельскохозяйственные отходы в другой спирт, изобутанол, который затем химическим путем превращается в авиационное топливо. А канадская компания Enerkem сотрудничает с Shell, чтобы использовать тепло и пар для преобразования бытового мусора и другого сырья в синтез-газ — смесь водорода и углекислого газа , которую затем очищают и превращают в авиационное топливо с использованием столетнего процесса, называемого технологией Фишера-Тропша.

Способы переработки сырья для биотоплива

Все эти пути уже были протестированы и одобрены для производства реактивного топлива, которое может быть смешано с Jet A. Инженеры говорят, что разнообразие исходного сырья, на которое они полагаются, является сильной стороной, позволяющей компаниям извлекать выгоду из самых дешевых местных отходов.

Разнообразие сырья также должно помочь производителям углерод нейтрального топлива для самолетов удовлетворить спрос авиакомпаний. По словам Вардона, жидкие отходы, в том числе остатки пищи, могут стать сырьем для производства до 15 миллиардов литров авиационного топлива в год. Еще 19 миллиардов литров можно получить за счет обработки жиров и масел водородом. И, вероятно, еще миллиарды от преобразования бытового мусора и сельскохозяйственных отходов в топливо.

Рынок авиационного топлива настолько велик, что «потребуются все технически и экономически жизнеспособные способы производства химикатов и топлива из углеродных отходов», — заявила Лорел Хармон, химик, вице-президент LanzaTech по связям с правительством.

Эта деятельность распространяется не только на промышленность, но и на консорциум из девяти национальных лабораторий США, который финансируется для разработки технологий, которые могут помочь во многих различных направлениях касающихся биологического авиационного топлива. Среди проектов: разработка искусственного интеллекта для поиска комбинаций ферментов и катализаторов, которые разлагают отходы при более низких температурах, чем существующие версии, и изучение того, упростит ли преобразование твердых бытовых отходов в крошечные гранулы этапы переработки.

Появляются и другие идеи. Дейл утверждает, что если фермеры и другие сборщики сырья будут преобразовывать свою биомассу на месте в форму «биосырья» — гранулы, жидкости или газы, — это может позволить развивающейся отрасли экологического топлива использовать существующую инфраструктуру. По словам Дейла, грузовики или трубы могут доставлять эту бионефть на региональные биоперерабатывающие заводы или даже на обычные нефтеперерабатывающие заводы, где она будет превращаться в топливо для реактивных двигателей.

Заправка углерод нейтральным топливом

Тем не менее, по данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, существующие варианты экологического авиационного топлива в настоящее время в три раза дороже керосина, полученного из нефти, но более совершенные технологии и масштаб производства могут уровнять расходы. Зия Абдулла, руководитель программы лаборатории биомассы NREL, отмечает, что преобразование твердых веществ в топливо просто требует гораздо больше обработки, чем получение его из жидкой нефти. В результате, говорит он, «на сегодняшний день, я не думаю, что возможно сделать биотопливо полностью конкурентоспособным по стоимости с ископаемым Jet A».

Авиакомпании, возможно, не захотят брать на себя дополнительные расходы на более чистое топливо, несмотря на свои обязательства по защите окружающей среды, учитывая, что сейчас на топливо приходится около 30% стоимости авиаперелетов. Тем не менее, Международная ассоциация воздушного транспорта, в которую входят 290 авиакомпаний по всему миру, взяла на себя обязательство внедрить авиационное топливо на основе биологического сырья в рамках своих обязательств по достижению к 2050 году нулевых выбросов углерода в отрасли.

Некоторые меры, похоже, не за горами. В июле 2021 года Европейская комиссия предложила правило, согласно которому поставщики топлива должны смешивать SAF со своим реактивным топливом, при этом доля вырастет с 2% в 2025 году до 63% к 2050 году. Окончательное голосование по этому предложению может состояться в этом году. Но коалиция из более чем дюжины производителей самолетов, аэропортов и поставщиков топлива утверждает, что одних мандатов будет недостаточно и что для процветания производителей SAF потребуются государственные стимулы.

Успех биологического авиационного топлива зависит от сочетания химии, логистики и государственной политики. На карту поставлены не только деньги инвесторов, но и перспективы примирения авиаперевозок, имеющих решающее значение в нашем взаимосвязанном мире, с необходимостью предотвращения необратимого и катастрофического изменения климата.

Как и многие другие, Спэт остается оптимистом. «Для меня это просто отличается от того, что было 10–15 лет назад с промышленностью по производству целлюлозного этанола», — говорит он. Если он прав, через несколько лет будущие полеты могут принести меньше вреда для планеты.

Версия этой истории опубликована в журнале Science, Vol 376, Issue 6600.

Роберт Ф. Сервис

Боб — репортер журнала Science в Портленде, штат Орегон, освещающий статьи о химии, материаловедении и энергетике.

Читайте также: