«Зеленое авиатопливо» и швейцарские научные разработки

Сейчас на долю воздушного транспорта приходится 2-3% мировых выбросов CO2, но, по прогнозам, к 2050 году эта цифра утроится. Pzaxe / Alamy

Серия Водород: топливо будущего, Эпизод 8:

Худшее, что можно сделать для сокращения выбросов углекислого газа, - это отправиться в воздушное путешествие, а «зеленое топливо» для реактивных двигателей является залогом экологически безвредной авиации. Исследование производства топлива из возобновляемых источников энергии началось в рамках новой швейцарской инициативы, но ее дальнейшая реализация будет нелегкой задачей.

Сегодня на долю воздушного транспорта приходится 2-3% мировых выбросов двуокиси углерода (CO2), но этот показатель быстро растет и к 2050 году должен утроиться по мере увеличения спроса на пассажирские и грузовые авиаперевозки во всем мире.

Эксперты сходятся во мнении, что для создания экологически устойчивой авиации будущего не существует простого решения, и поэтому в ближайшие десятилетия потребуется принять ряд мер, в число которых входит повышение топливной эффективности воздушных судов и создание электрических, безотходных самолетов.

Но лучшим решением проблемы выбросов CO2 в среднесрочной перспективе может стать экологически безвредное авиатопливо (SAF), которое впервые появилось в 2008 году. Его применение снижает объем выбросов CO2 на 80% по сравнению с традиционным реактивным топливом. Такое топливо производится из переработанных сельскохозяйственных и прочих отходов или переработанного углерода.

Сегодня такое топливо является дорогим в производстве и ограниченно используется рядом авиакомпаний наряду с обычным топливом. Но Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) – головная организация авиационной отрасли — хочет значительно увеличить использование SAF к 2025 году. Для реализации её плана требуется большая поддержка со стороны авиакомпаний, промышленности, правительств и ученых, которым необходимо найти способы снизить стоимость и увеличить объемы производства экологически чистого топлива.

Осознавая эту проблему, в январе Институт им. Пауля Шеррера (PSI) и Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий (Empa) выступили с совместной инициативой  SynfuelsВнешняя ссылка, связанной с проведением научных исследований на сумму 6,2 млн швейцарских франков для определения оптимальных способов производства экологически чистого топлива.

«Жидкое альтернативное топливо [реактивное топливо, которое можно заливать в бак самолета, не внося изменений в его конструкцию] является идеальным промежуточным решением, − заявил SWI swissinfo.ch научный сотрудник PSI Питер Янсон (Peter Jansohn). — Такое топливо внесет существенный вклад в снижение авиационных выбросов CO2».

Его коллега Бьёрн Низен Björn (Niesen) из Empa разделяет эту точку зрения. «Альтернативные авиационные силовые установки, использующие для питания водород и батареи, пока слишком много весят для совершения дальних перелетов. А для их доработки и сертификации требуется много времени. Поэтому нам действительно нужно найти оперативное решение, такое как экологически чистое авиационное топливо. Другой быстрой альтернативы не существует», — говорит он.

Как это осуществить?

В течение следующих трех лет ученые из PSI/Empa проведут изучение и сравнение различных способов производства SAF — как хорошо знакомых, так и нетрадиционных — для создания экспериментальных производственных установок.

Уже разработано несколько процессов производства такого топлива. Они предусматривают получение углекислого газа и водорода из возобновляемых источников, а затем их соединение с образованием длинноцепочечных молекул.

Углекислый газ можно получать из различных источников, например атмосфера или промышленные процессы, такие как производство цемента. Водород получают из воды, используя возобновляемую электроэнергию.

По словам швейцарских ученых, в производстве жидкого реактивного топлива из возобновляемых источников можно использовать различные методы и одну или несколько промежуточных стадий, таких как первичное производство монооксида углерода, метанола, этилена или диметилового эфира.

«Процесс синтеза с использованием метанола и диметилэфира считается более разработанным. Empa занимается изучением менее разработанного производственного процесса с применением этилена», — говорит Низен.

По словам ученых, синтез с использованием этилена менее изучен и является менее определенным с технической точки зрения, но такой синтез позволяет упростить получение конечного продукта.

Биомасса

Реактивное биотопливо, которое в настоящее время одобрено для использования, производится по установленной технологии, которая предусматривает получение углеводорода из биомассы − отходов, растительного масла, водорослей или сахарного тростника — и её дальнейшее расщепление под воздействием температуры на моноксид углерода и водород. В результате процесса Фишера-Тропша — химической реакции, проходящей в присутствии катализатора, — полученные вещества преобразуются в жидкие углеводороды.

«Недостатком метода синтеза, используемого в процессе Фишера-Тропша, является то, что вы не всегда можете полностью контролировать этот процесс», − говорит Янсон. «Вы всегда получаете смесь углеводородов, и требуется провести окончательный процесс очистки для извлечения углеводородов, которые соответствуют авиационному топливу».

Идея производства и применения инновационного «зеленого авиатоплива» не обходится без критики, например со стороны Гринпис. Эта организация по защите окружающей среды утверждает, что реактивное топливо из биомассы является «ложным решением проблемы глобального изменения климата». Сторонники Гринпис утверждают, что использование сельскохозяйственных культур для производства биотоплива может негативно сказаться на хрупкой экосистеме Земли, и нужно просто меньше летать.

Альтернативные пути

Янсон согласен, что ограниченные ресурсы для производства биомассы означают необходимость «задействовать другие ресурсы для синтеза углеводородов», чтобы обеспечить производство достаточного количества «зеленого авиатоплива» в будущем. По его словам, большое значение будет иметь переработка и повторное использование выбросов CO2, собираемых из различных источников, таких как промышленные процессы или атмосфера.

Но получение альтернативных и синтетических видов топлива (известных как топливо, полученное с использованием электричества из возобновляемых источников, или «е-топливо»), а также производство низкоуглеродной электроэнергии едва ли назовешь несложными процессами.

Для производства синтетического топлива тоже требуется много возобновляемой электроэнергии, что делает его очень дорогим. Они оставляют заметный углеродный след, и группа PSI/Empa будет изучать также и это.

Совместная инициатива PSI/Empa – это не единственный проект SAF в Швейцарии, в рамках которого проводят изучение альтернативных методов производства топлива. В прошлом году было объявлено, что холдинг Lufthansa Group подписал соглашение о сотрудничестве со стартапом Synhelione, основанным экспертами Высшей технической школы Цюриха (ETH), который применяет технологию производства углерод-нейтрального топлива из солнечного света и воздуха.

Широкие возможности, грандиозная задача

Авиационная отрасль возлагает большие надежды на экологически чистое авиатопливо. Поскольку ведущие авиакомпании мира взяли на себя обязательствоВнешняя ссылка по достижению нулевых нетто-выбросов к 2050 году, производство SAF «скорее всего является единственной возможностью достичь и выйти за рамки» этой цели, − говорится в аналитическом документе Waypoint 2050 (pdfВнешняя ссылка), опубликованном в сентябре прошлого года межотраслевой Группой действий по вопросам  воздушного транспорта (Air Transport Action Group, ATAG ) —  независимой коалицией  экспертов авиационной  отрасли, занимающейся вопросами устойчивого развития.

Огромную проблему представляет увеличение объемов производства топлива. ATAG заявляет, что к 2050 году отрасли, вероятно, потребуется 450-500 миллионов тонн «зеленого топлива» в год, при этом на данный момент производство составляет лишь 64 000 тонн в год.

Но эта задача «отнюдь не является непреодолимой», − считают в коалиции экспертов. Рост производства можно обеспечить за счет разработки «жестких критериев устойчивости производства альтернативных видов топлива» и диверсификации производства для использования «разнообразного сырья от непродовольственных культур и до отходов, а в конечном итоге и для перехода к производству жидкого альтернативного топлива из переработанного или улавливаемого из воздуха CO2, и к низкоуглеродной электроэнергетике», — делает вывод ATAG.

Решающую роль будут играть правительственная политика, целевые показатели и инвестиции, наряду с давлением и спросом со стороны потребителей, готовых платить больше за перелеты на экологически чистом топливе, а также межотраслевые усилия. В сентябре прошлого года парламент Швейцарии проголосовал за введение «углеродного» налога на авиабилеты. Часть вырученных средств будет направлена на создание «климатического фонда» и на производство экологически чистых видов топлива.

Нужны юридически обязывающие меры

В Европе Брюссель занимается разработкой для авиакомпаний минимальных значений потребления авиационного биотоплива. До сих пор потреблению такого топлива препятствовали высокие затраты и слабый спрос со стороны авиакомпаний, которые традиционно выступали против обязательных квот. SAF более чем в два раза дороже традиционного реактивного топлива, а прибыль авиакомпаний и без того резко упала из-за пандемии COVID-19, что затрудняет процесс инвестиций в альтернативные виды топлива в краткосрочной перспективе.

Между тем ряд авиастроительных компаний, таких как Airbus и Boeing, разработали собственные планы. Boeing заявляет, что к концу десятилетия компания начнет осуществлять поставки коммерческих самолетов, способных работать на 100% биотопливе.

Питер Янсон из Института им. Пауля Шеррера говорит о важном значении принятия участниками авиационной отрасли юридически связывающих обязательств по постоянному расширению использования углерод-нейтрального топлива. «На данный момент обязательства по сокращению выбросов CO2 носят лишь добровольный характер», − говорит он.

Группы PSI/Empa заявляют об интересе к их проекту, который проявляют различные заинтересованные стороны, в том числе Швейцарское федеральное ведомство гражданской авиации и Министерство обороны. Однако коммерческие партнеры и авиационные компании в настоящее время воздерживаются от участия в проекте.

«Наши технологию и развитие вполне можно вывести на новый уровень, который обеспечит производство большого количества авиатоплива, — говорит Низен. — Идея состоит в том, чтобы провести реальную подготовку к этапу, когда мы сможем договариваться с промышленными партнерами о создании опытных установок и систем».

Серия Водород: топливо будущего

• Эпизод 1: 1. Швейцария тоже включилась в охоту за природным водородом
• Эпизод 2: 2. В гонке за «зеленым водородом» Швейцария пока отстаёт
• Эпизод 3: 3. Стартап Destinus намерен построить «Конкорд» на водороде
• Эпизод 4: 4. Как солнечный реактор из Швейцарии производит «зелёный водород»
• Эпизод 5: 5. «Зелёный водород»: шансы, риски и вопрос баланса
• Эпизод 6: 6. «Зеленое авиатопливо» из Швейцарии будет создано к 2030 году?
• Эпизод 7: 7. Швейцария развивает водородные технологии мобильности
• Эпизод 8: 8. «Зеленое авиатопливо» и швейцарские научные разработки
• Эпизод 9: 9. В Швейцарии разработали технологию получения водорода из воздуха