Сжигание наоборот

Технологии получения горючих веществ из диоксида углерода и воды продолжают развиваться и набирают популярность
27.01.2020
Мария Суханова

Электростанции на основе возобновляемых источников энергии, как известно, дают ток неравномерно. Это справедливо даже для ГЭС, в работе которых наблюдается выраженная сезонность, а тем более для солнечных панелей и ветровых турбин. Скомпенсировать такую неравномерность пытаются, в частности, с помощью различных технологий хранения энергии, к которым относится и получение горючих газов - водорода и метана - из воды и CO2. На вход техпроцесса, идущего с поглощением энергии, поступают продукты сгорания горючих газов (при сжигании водорода образуется только вода, при сжигании метана - вода и CO2), на выходе получаются вещества, которые можно будет сжечь в нужное время в нужном месте или использовать как химическое сырье.

По-английски соответствующие технологии обозначаются общим термином Power-to-Gas (сокращенно P2G) - «электричество в газ». Немецкая терминология в данной области тоже англоязычная, но немцы предпочитают в зависимости от способа использования вещества различать Power-to-Fuel (электричество в топливо) и Power-to-Chemicals (электричество в химикаты); общее название для того и другого - Power-to-X.

Водород

Основная реакция, превращающая электроэнергию в энергию химических связей, - это электролиз воды, в результате которого она разлагается на кислород и водород. Ток для электролиза даёт «зелёная» электростанция, когда её энергия оказывается избыточной. Поскольку водород востребован на рынке в самом разном качестве, его можно просто закачать в баллоны и продать (а покупатели уже используют продукт по своему усмотрению) либо подмешать в небольшом количестве (до 2% по объёму) к природному газу, транспортируемому по газопроводной сети. В Германии, где технологии P2G пользуются государственной поддержкой в рамках национальной программы перехода к «чистой» энергии Energiewende, при ветропарках иногда строят электролизные установки, вырабатывающие водород как конечный продукт. Аналогичные системы есть и в других странах, в частности во Франции и Италии, а в Нидерландах реализован пилотный проект, в котором ток для электролиза дают солнечные панели.

Водород сам по себе удовлетворительно решает задачу утилизации избыточной генерирующей мощности, а спрос на него весьма высок. Если бы электролиз смог потеснить на рынке паровую конверсию метана - самый распространённый в настоящее время способ получения водорода, - это, вероятно, подтолкнуло бы развитие водородного транспорта и энергетики. Сегодня скептики вполне резонно отказываются считать водородное топливо чистым с точки зрения выбросов CO2: действительно, углекислый газ, не образующийся при сжигании водорода, в соответствующем количестве выпускается в атмосферу на этапе его производства из метана. Против водорода, полученного электролизом, возразить будет нечего.

Метан

Можно переработать метан в водород, получив в качестве побочного продукта углекислый газ, а можно, наоборот, переработать водород и CO2 в метан (процесс называется метанированием CO2) химическим или биологическим методом. Химический процесс - реакцию Сабатье (она протекает при высокой температуре и сильном давлении в присутствии металлического катализатора) - ещё недавно обсуждали разве что в связи с замкнутыми системами жизнеобеспечения где-нибудь на космической станции или на Марсе. Теперь ей нашлось применение на земле, и тоже для построения замкнутого цикла, где отходы возвращаются в производство в качестве сырья.

Практическая задача, решаемая с помощью метанирования CO2, - это очистка биогаза. Биогаз, образующийся как продукт жизнедеятельности бактерий, в основном представляет собой смесь метана и CO2 (объём остальных веществ незначителен), и перед использованием газа от CO2 необходимо избавиться. Метанирование позволяет сделать это не путём удаления углекислого газа, а путём его преобразования в синтетическое горючее. Так, биореактор на очистных сооружениях в датском Аведёре неподалеку от Копенгагена в 2014 году был дооборудован мегаваттной установкой для электролиза воды, водород из которой используется в реакции Сабатье для обогащения биогаза метаном. А германская компания Electrochaea разработала биореактор, в котором метанирование CO2 обеспечивают особые микроорганизмы - археи Methanothermobacter thermautotrophicus.

Есть и проекты по получению полностью синтетического метана. Компания ETOGAS наладила такое производство в промышленном масштабе по заказу Audi, которая активно разрабатывает технологии синтеза горючего (e-fuel). Метан, выпускаемый под маркой Audi e-gas, подаётся в местную газовую сеть и может использоваться также в автомобилях, рассчитанных на газомоторное топливо, в том числе Audi A3 g-tron.

Чистый воздух

Для сравнительной оценки многочисленных разработок, существующих в сфере P2G, в 2016 году 27 европейских компаний начали совместный четырёхлетний проект STORE&GO. В ходе этого проекта на трёх площадках, находящихся в Германии, Швейцарии и Италии, демонстрируются различные технологические подходы к «преобразованию электричества в газ», включая химические и биологические процессы получения метана из водорода и CO2, улавливание CO2 из атмосферы, сжижение синтезированного метана, его непосредственный пуск в газовую сеть и т. д. Всё это делается с общей целью выявить технические, экономические и правовые аспекты самих технологий и путей их использования для определения бизнес-кейсов в ближайшей и долгосрочной перспективе.

Из репортажа об экспериментах по получению синтетического жидкого топлива в Технологическом институте Карлсруэ, недавно опубликованного на сайте DW (он доступен и на портале «Энерговектора» ), становится понятно, что главная проблема - именно в бизнес-кейсе. Синтетические углеводороды не в состоянии в лоб конкурировать на рынке с ископаемым топливом: у них слишком высокая себестоимость.

Интересный подход предлагает стартап Soletair Power из финского города Лаппеэнранта, с которым я познакомилась в этом году на инновационном форуме Slush в Хельсинки. Идея заключается в том, чтобы, реализуя процесс, сделать фокус не на конечном продукте (топливе или химическом сырье), а на улавливании углекислого газа. Для этого используются высшие (твёрдые) амины (подробности технологии - ноу-хау компании). Улавливать CO2 следует там, где обычно находятся люди, - в многоэтажных жилых домах, офисных центрах, общественных зданиях. Фильтр ставится на крыше, воздух проходит через него и распространяется по всем этажам.

Польза от предложения Soletair Power очевидна: воздух в помещениях станет чище, электролиз воды дополнительно обогатит его кислородом, и людям легче будет дышать. Повысится качество жизни, а синтезируемые углеводороды послужат бонусом. Стоимость системы зависит от размеров здания и в пересчёте на каждого его «обитателя», по предварительной оценке Soletair, соответствует одной чашке кофе.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы