Производство авиационного топлива из биомассы

Предыдущее изображение Следующее изображение

В 2021 году почти четверть Мировые выбросы углекислого газа приходятся на транспортный сектор, причем значительную долю вносит авиация. В то время как растущее использование электромобилей помогает очистить наземный транспорт, сегодняшние батареи не могут конкурировать с жидкими углеводородами, полученными из ископаемого топлива, с точки зрения энергии, передаваемой на фунт веса, что является серьезной проблемой, когда речь идет о полетах. Между тем, исходя из прогнозируемого роста спроса на поездки, потребление авиатоплива, по прогнозам, удвоится в период с настоящего момента до 2050 года — года, к которому международная авиационная промышленность взяла на себя обязательство стать углеродно-нейтральной.

Многие группы стремились к созданию 100-процентно экологически чистого углеводородного топлива для самолетов, но без особого успеха. Частично проблема заключается в том, что авиационное топливо очень жестко регулируется. «Это подкласс топлива, к которому предъявляются очень специфические требования с точки зрения химии и физических свойств топлива, потому что вы не можете рисковать, что что-то пойдет не так в двигателе самолета», — говорит Юрий Роман-Лешков, Роберт Т. Хаслам, профессор химической инженерии. «Если вы летите на высоте 30 000 футов, на улице очень холодно, и вы не хотите, чтобы топливо загустело или замерзло. Поэтому формулировка очень конкретна».

Авиационное топливо представляет собой сочетание двух больших классов химических соединений. От 75 до 90 процентов его состоит из «алифатических» молекул, которые состоят из длинных цепочек атомов углерода, связанных вместе. «Это похоже на то, что мы находим в дизельном топливе, так что это классический углеводород», — объясняет Роман-Лешков. Остальные 10–25 процентов составляют «ароматические» молекулы, каждая из которых включает как минимум одно кольцо, состоящее из шести связанных атомов углерода.

В большинстве транспортных видов топлива ароматические углеводороды рассматриваются как источник загрязнения, поэтому их удаляют в максимально возможной степени. Однако в авиационном топливе некоторые ароматические молекулы должны оставаться, поскольку они задают необходимые физические свойства и свойства горения всей смеси. Они также выполняют еще одну важную задачу: обеспечивают герметичность уплотнений между различными компонентами топливной системы самолета. «Ароматические вещества впитываются пластиковыми уплотнителями и заставляют их набухать», — объясняет Роман-Лешков. «Если по какой-то причине топливо изменится, то же самое могут сделать и уплотнители, а это очень опасно».

В результате ароматические соединения являются необходимым компонентом, но они также являются камнем преткновения на пути к созданию экологически чистого авиационного топлива или SAF. Компании знают, как получать алифатическую фракцию из несъедобных частей растений и других возобновляемых источников энергии, но они еще не разработали утвержденный метод получения ароматической фракции из устойчивых источников. В результате возникает «стена смешения», — объясняет Роман-Лешков. «Поскольку нам необходимо это ароматическое содержание — независимо от его источника — всегда будет ограничение на то, сколько экологически чистых алифатических углеводородов мы можем использовать без изменения свойств смеси». Он отмечает аналогичную стену смешивания с бензином. «Этинола у нас много, но мы не можем добавлять больше 10 процентов без изменения свойств бензина. Фактически, современные двигатели не могут работать даже с 15-процентным содержанием этанола без модификаций».

Нет недостатка в возобновляемом исходном материале или попытках его переработки.

В течение последних пяти лет понимание и решение проблемы SAF было целью исследований Романа-Лешкова и его команды из Массачусетского технологического института — Майкла Л. Стоуна, доктора философии '21, Мэтью С. Уэббера и других, — а также их сотрудников в Вашингтоне. Государственный университет, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) и Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Их работа была сосредоточена на лигнине, прочном материале, который обеспечивает структурную поддержку растений и защиту от микробов и грибков. Около 30 процентов углерода биомассы приходится на лигнин, однако, когда этанол производится из биомассы, лигнин остается в виде отходов.