SAF: Крок до екологічнішої авіації чи просто черговий підхід «зеленого» підходу?

Бюлент Камчі / Shutterstock.com

Навряд чи існує інша тема в дискусіях про мобільність майбутнього та її енергію, яка викликала б стільки здивування, як стійке авіаційне паливо (SAF), яке іноді зазвичай називають «синтетичним паливом на основі електроенергії». . Для деяких це паливо, яке ідеально є нейтральним щодо CO2, є майбутнім, завдяки якому двигуни внутрішнього згоряння можуть продовжувати працювати без будь-яких проблем. Інші вважають їх нішевими продуктами без серйозного майбутнього впливу, які є найбільш підходящими кандидатами для «зеленого відмивання». У таких дискусіях, які часто є емоційними і не обов’язково заснованими на фактах, кожна сторона зазвичай має під рукою один або два приклади на підтримку своєї позиції. Наприклад, перший трансатлантичний політ з SAF, який, будучи унікальною подією, безперечно продемонстрував технічні можливості, але в жодному разі не може розглядатися як поворотний момент до авіації з нейтральним викидом CO2 . 

У цій статті я наведу огляд деяких відповідних фонів, технологій і розробок у цьому контексті.  

Як і в усіх своїх статтях, я зосереджуюсь на науковому контексті, а також на фактах, цифрах і даних, залишаючи осторонь ідеології та емоції. Враховуючи дуже велику кількість існуючих проектів, прототипів, заходів фінансування, планів великих заводів тощо, само собою зрозуміло, що це може бути лише поточний знімок без претензій на повноту. 

 Трохи основ хімії (Органічна хімія 101) 

Щоб зрозуміти дискусії та значення SAF, необхідно ознайомитися з кількома дуже основними хімічними зв’язками. 

Усі палива (бензин, дизель, гас тощо) є вуглеводнями, які лише незначно відрізняються за хімічним складом і складаються з атомів вуглецю та атомів водню, які утворили зв’язки в різних молекулах. Відмінності між вуглеводнями полягають у кількості атомів у кожній молекулі.  

Найпростішою молекулою цього типу є метан (газ), який становить найбільшу частку природного газу. Молекула метану складається з одного атома вуглецю, до якого приєднані чотири атоми водню, отже, хімічна формула CH4. Якщо у вас є два атоми вуглецю, кожен з яких має зв’язок із другим атомом вуглецю, вам все одно потрібно загалом шість атомів водню, щоб утворити стабільну молекулу. C2H6 - етан, також газ. З трьома атомами С, а потім вісьмома атомами Н, у вас є пропан (C3H8), також газ, який міститься під тиском і таким чином зріджується в газових балонах з пропаном, які використовуються для приготування барбекю з газом або для радіаційних обігрівачів у закладах громадського харчування. Ланцюги цих вуглеводнів можуть бути значно довшими; в одній молекулі може бути чотири, вісім, 10, 15 або більше атомів вуглецю, з’єднаних поспіль, кожен з яких має атом Н на всіх вільних зв’язках. Для молекули завжди потрібно «удвічі більше атомів Н плюс два», ніж атомів вуглецю, тому «обчислення формули суми» відповідно просте. Бутан (газ) — це C4H10, пентан — C5H12, гексан — C6H14 тощо. Октан, який ми знаємо як «октанове число» для критерію якості бензину, — це C8H18. 

Перші чотири вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан) є газоподібними за «нормальних умов» (20 градусів C, 1013 гПа), починаючи з пентану і вище, вони є рідкими. Усі вуглеводні є горючими і горять разом з киснем, утворюючи вуглекислий газ (CO2) і воду (H2O), які випаровуються внаслідок температур горіння. Наприклад, якщо ми розглядаємо дві молекули з 12 атомами С і 26 атомами Н кожна, «рівняння реакції» повного згоряння виглядає наступним чином: 

Дві молекули C12H26 спалюються з 37 молекулами кисню (O2), утворюючи 24 молекули вуглекислого газу (CO2) і 26 молекул води (H2O). Ті, хто цікавиться хімією, можуть будь-коли відтворити відповідні стехіометричні розрахунки. Два молі C12H26 важать 340 г і горять з 37 молями O2 (1184 г), утворюючи загалом 1056 г CO2 і 468 г води. Маси речовин, що беруть участь у хімічній реакції, однакові до і після горіння; у такому процесі нічого не втрачається. 

Властивості гасу та інших вуглеводнів 

Усі палива складаються із суміші різних вуглеводнів. Молекули не завжди є вищезгаданими вуглецевими ланцюгами; також майже завжди зустрічаються кільцеподібні структури, а також можливі «розгалуження» в молекулярній структурі і подвійні зв'язки між атомами вуглецю. Крім того, додаються добавки для забезпечення певних властивостей (температурна поведінка, захист від корозії тощо); тому паливо завжди стандартизовано на основі його властивостей, а не на основі їх точного хімічного складу.  

Таким чином, SAF також розрізняються залежно від того, чи вони схвалені як «завантажувальні», що означає, що їх можна змішувати зі звичайним гасом і використовувати в існуючих парках літаків у будь-який час . Директива ЄС про відновлювані джерела енергії також визначає, серед іншого, яку сировину можна використовувати для SAF . 

Перевагою вуглеводнів для виробництва енергії є велика кількість енергії, присутньої в речовинах, яка виділяється під час згоряння та може бути використана. Широко використовуваний гас «Jet A1» містить енергію 43,1 мегаджоуля (МДж) на кілограм. Оскільки за звичайних умов він також рідкий, для цієї кількості енергії потрібен лише об’єм приблизно 1,2 літра, що відповідає питомій об’ємній щільності енергії приблизно 36 МДж на літр. Чистий водень, який є газоподібним за нормальних умов і повинен зберігатися в резервуарах під дуже високим тиском для використання в якості палива, має щільність енергії лише 4,8 МДж/л навіть за тиску 700 бар. 

Ця перевага високої щільності енергії, принаймні на даний момент, супроводжується недоліком, що гас, бензин, дизельне паливо тощо майже виключно отримують із сирої нафти в процесах нафтопереробки. Хоча вуглець, що міститься в сирій нафті, спочатку був вилучений із вуглецевого циклу Землі десятки мільйонів років тому, з тих пір він був зв’язаним у сирій нафті та викидається в атмосферу у вигляді CO2 лише під час спалювання нафтохімічних продуктів. 

З чого можна виготовляти SAF? 

SAF — це вуглеводні, у яких вуглець не має викопного походження, а походить з інших джерел. В ідеалі він надходить безпосередньо з повітря і, таким чином, зменшує вміст CO2 в атмосфері, або використовується безпосередньо з інших джерел CO2, які тоді викидають менше CO2. CO2 також міг утворюватися в результаті фотосинтезу протягом останніх кількох місяців або років. Під час фотосинтезу, найважливішого хімічного процесу в природі, CO2 з повітря перетворюється на біомасу за допомогою води та світла, тобто сонячної енергії, яка зв’язує вуглець; кисень, зв'язаний в CO2, виділяється в навколишнє середовище. 

Однак вуглець також може мати зовсім інше походження, від відходів жирів харчової промисловості, відходів сільського та лісового господарства до фекалій, в основному все можливо. Деякі процеси, які були розроблені в останні роки, позначаються такими термінами та абревіатурами: HEFA (гідрооброблені ефіри та жирні кислоти) і HVO (гідроочищені/гідрогенізовані рослинні олії). . Тут жири, які також завжди складаються з елементів вуглецю, водню та кисню (хім.: ефіри гліцерину), переробляються через ланцюг хімічних процесів таким чином, що в якості кінцевого продукту утворюються, серед іншого, вуглеводні. З хімічної точки зору неважливо, чи використовуються жири, чи свіжі жири, наприклад, пальмова олія, яку отримують із плодів олійної пальми. В принципі, немає нічого поганого у використанні нового рослинного жиру, якщо відповідним чином враховувати умови, в яких він виробляється. Якщо, в якості першого кроку, незаймані ліси будуть знищені шляхом підсікання та випалювання для посадки плантацій пальмової олії, баланс CO2 не буде позитивним, якщо розглядати його комплексно. 

Біогази, отримані з органічних відходів і власно виробленої біомаси, також можуть бути перероблені в SAF і електронне паливо. Багато з цих методів виробництва засновані на 100-річній техніці: процес Фішера-Тропша (синтез FT) , спочатку розроблений у Німеччині для виробництва рідкого палива з домашнього кам’яного вугілля, щоб бути самодостатнім за рахунок решти. світу. Цей процес також мав велике економічне значення в південноафриканському режимі апартеїду, оскільки в Південній Африці була велика кількість вугілля, але не було сирої нафти. Для SAF вуглець у процесі FT походить не з кам’яного вугілля, а з біомаси. Протягом багатьох років були розроблені різні варіанти синтезу FT, які були оптимізовані з урахуванням наявних первинних ресурсів. Ці процеси також були випробувані в промислових масштабах. 

Для загального балансу CO2 це має вирішальне значення для всіх процесів виробництва синтетичних вуглеводнів: 

• яка первинна сировина використовується,  
• яка енергія використовується в процесі,  
• які транспортні маршрути необхідні для вихідних матеріалів і  
• як можна використовувати інші відходи. 

 

 

 

SAF також можна виробляти зі спиртів, які, з хімічної точки зору, також складаються лише з вуглецю, водню та кисню та іноді називаються AtJ (Alcohol-to-Jet). У цьому процесі біомаса спочатку ферментується в спирт, а потім переробляється в SAF . 

У Сполучених Штатах зараз є компанії, які вирощують швидкозростаючу біомасу, таку як кукурудза або просо, на величезних площах, які не вимагали попередньої вирубки лісів для виробництва SAF . Критики люблять стверджувати, що це створює конкуренцію між виробництвом продуктів харчування та SAF у сільському господарстві. Однак ця критика не завжди є фактично обґрунтованою, оскільки вона ігнорує той факт, що, наприклад, при вирощуванні кукурудзи лише крихітна частина рослини, а саме кукурудзяні зерна в качанах, придатні як їжа для людини. Решта величезних рослин є побічними продуктами або харчовими відходами і тому можуть бути доступні для виробництва SAF. Це однаково стосується соломи виробництва зерна та відходів целюлози. Розглядаючи цілісно, ​​це чудовий ланцюжок процесів: сонячна енергія (світло) запускає фотосинтез, який видаляє CO2 з атмосфери та додає кисень. Вуглець в отриманій біомасі перетворюється за допомогою хімічних процесів на вуглеводні, які використовуються в двигунах внутрішнього згоряння для руху і викидають лише ту кількість CO2, яку раніше було видалено з атмосфери. Це CO2-нейтрально, якщо енергія, необхідна для перетворення біомаси в гас, також була вироблена CO2-нейтральним способом.  

Outlook 

На завершення можна сказати, що рідкі вуглеводні добре підходять як рушійна енергія для транспортних систем, які долають великі відстані та забезпечують високі транспортні характеристики завдяки їхній питомій масі та об’ємній щільності енергії. Літак, що перевозить близько 300 пасажирів, досягає транспортних характеристик близько 3 000 000 PKM (пасажирокілометрів) за один 11-12-годинний далекомагістральний політ. Навіть сучасний і ефективний літак на такому маршруті спалює від 60 до 70 тонн гасу і викидає від 190 до 220 тонн CO2. Однак 60 тонн гасу також представляють понад 2,5 мДж енергії, необхідної для цієї транспортної продуктивності, і, враховуючи поточний стан технологій, у середньостроковій перспективі не очікується жодних інших форм енергії або зберігання енергії, які могли б представляти реалістичну та економічну альтернативу . 

Розробка значною мірою або повністю стійких вуглеводнів, які є максимально нейтральними щодо CO2, все ще знаходиться в зародковому стані з точки зору необхідних кількостей. У прес-релізі від грудня 2022 року Міжнародна асоціація повітряного транспорту (IATA) оцінює попит на SAF на 2050 рік у 450 мільярдів літрів на рік. У 2022 році в усьому світі було доступно 300 мільйонів літрів, що на 200% більше, ніж у 2021 році . У 2050 році має бути досягнуто 1500-кратне збільшення виробництва порівняно з 2022 роком. 

Якщо висловити тверезість у 1500 разів по-іншому: якщо ми візьмемо цифри IATA за основу, усього обсягу SAF, доступного у 2022 році, вистачить лише на шість годин у 2050 році, щоб заправити всі літаки SAF всюди та цілий рік. . 

Хіба це можливо? Майбутнє завжди важко передбачити, але у нас є ще 25 років, щоб досягти цього. Дивлячись на те, що сталося в інноваційних сферах за останні 25 років, я не бачу причин, чому це не може бути можливим. Але нам краще поспішити! Ми точно не досягнемо необхідної кількості, з’ївши більше картоплі фрі та сподіваючись на достатню кількість використаної кулінарної олії, це точно!  

Коли теоретичні основи повністю зрозумілі, це головним чином питання великомасштабного проектування та відповідних стимулів, щоб зробити технологію комерційно життєздатною. Вчені, інженери, керівники авіації та політики повинні розробити цілісну та здійсненну концепцію, щоб це сталося. 

Ще одне важливе питання на даний момент – ціна SAF, особливо в порівнянні з викопним гасом. У 2019 році ціна «найдешевшого SAF» із процесу HEFA становила 1200 USD /т, що приблизно вдвічі перевищує ціну звичайного гасу (600 USD /т) . У 2022 році вона становила 1100 USD /т для конвенційних і понад 2400 USD /т для SAF . Через зростання попиту, який також є результатом законодавчих вимог щодо змішування SAF, очікується, що ціни на SAF зростуть, а різниця в ціні між цим і звичайним гасом може збільшитися ще більше. 

Виклики, які необхідно подолати, величезні, але основні основи закладено. У будь-якому випадку для досягнення тих цілей, які вже сьогодні сформульовані, будуть потрібні значні зусилля протягом десятиліть. Хімію зокрема, а також інші природничі науки та їхні можливості, розробку великомасштабних установок для лабораторно перевірених процесів та інновацій загалом слід розглядати як можливість досягти переходу до стійкої авіації протягом наступних двох-трьох десятиліть. Позитивним моментом є те, що зараз існує велика кількість проектів і широкий спектр інструментів фінансування в багатьох країнах, які послідовно йдуть шляхом, яким ми йдемо протягом кількох років.