Что такое топливо будущего
По словам профессора, заведующего лабораторией тепломассопереноса Томского политехнического университета (ТПУ) Павла Стрижака, под термином «топливо будущего» подразумеваются топливные композиции, то есть смеси, которые решают новые задачи. Они более экономичные, энергоемкие и экологичные.
«Сегодня главный приоритет в гражданской авиации, технике и энергетике — это экология. Поэтому новые виды топлива — это все, что направлено на снижение антропогенных выбросов, сажистых частиц и т.д. Зачастую такое топливо делают из биосырья и биокомпонентов», — рассказывает эксперт.
Разработки новых видов топлива активно идут по всему миру, продолжает Стрижак. Так, развивающиеся страны пытаются использовать отходы для создания топлива, чтобы улучшить экологическую ситуацию. А развитые государства пользуются продвинутыми технологиями преобразования одних компонентов в другие для синтеза устойчивого экологичного топлива.
В России созданием новых видов топлива занимается множество исследовательских центров. Например, ТПУ при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030» развивает стратегический проект «Энергия будущего». Его цель — разработка новых технологий и подготовка кадров для перспективной энергетики.
Среди других центров, разрабатывающих решения в области новой энергетики, — Кузбасский государственный технический университет имени Горбачева, Самарский университет имени Королева, Казанский федеральный университет, Тюменский государственный университет.
Топливо из покрышек: брикеты и морозостойкий мазут
По данным Российского экологического оператора (РЭО), каждый год в РФ около 1 млн т автомобильных покрышек становятся отходами. И лишь 40–50% из них уходят на утилизацию. При этом отходы в виде шин крайне огнеопасны и во время горения выделяют множество вредных веществ, включая канцерогены, предупреждают ученые из Кузбасского государственного технического университета.
«Отработанные шины очень специфичны, не подвержены гниению и саморазрушению, занимают полезные площади, загрязняют почву и грунтовые воды. В то же время изношенные шины представляют огромную значимость как источник ценного вторичного сырья», — отмечают они.
Исследователи предлагают перерабатывать шины методом пиролиза, то есть термического разложения продукта. В ходе пиролиза образуются газ, мазут и углеродосодержащий остаток. Последний можно использовать для создания брикетированного топлива.
Специалисты ТПУ, в свою очередь, предложили новый способ переработки старых покрышек — метод паровой газификации. Разложение резины при таком методе происходит под действием перегретого водяного пара. В результате получается морозостойкий мазут, который не теряет своих свойств при температурах до -50 °С (обычный мазут замерзает в диапазоне от +10 до -10 °С в зависимости от марки).
При этом в нем содержится в два раза меньше серы, производные которой относятся к основным загрязнителям атмосферы, а горит он и дает энергии столько же, сколько и традиционные марки.
Изучение и измельчение капель: экологичное топливо для самолетов
Одно из направлений развития энергетики будущего — создание альтернативного топлива для авиации, которое было бы более экологичным и функциональным по сравнению с авиационным бензином и керосином. Это позволило бы сократить углеродный след отрасли. По последним данным, на нее приходится 2,5% глобальных выбросов CO₂.
В 2023 году ученые Самарского университета имени Королева начали разрабатывать программный комплекс для расчета влияния различных видов биотоплива на характеристики двигателей самолетов.
«Говоря упрощенно, мы берем какой-либо существующий на отечественном рынке самолет и с помощью этой программы смотрим, как при использовании определенного биотоплива изменятся его характеристики, например скорость и продолжительность полета, взлетно-посадочный цикл, вредные выбросы в атмосферу», — рассказывает директор Инжинирингового центра Самарского университета имени Королева, заведующий молодежной научно-исследовательской лабораторией «Энергетические установки» Иван Зубрилин.
Самарские исследователи работают в тесной кооперации с другими научными организациями — с Пермским политехническим университетом, Центральным институтом авиационного моторостроения и ТПУ.
Специалисты Томского политеха сейчас занимаются созданием альтернативного топлива для авиации из жидких углеводородов (дизеля и биодизеля), а также из отходов — растительных масел, биомассы, осадка сточных вод, твердого бытового мусора. На первом этапе в вузе разработали математические модели динамики поведения капель топлива сложной формы в камерах сгорания авиационных двигателей.
По словам инженера-исследователя лаборатории тепломассопереноса ТПУ Дмитрия Антонова, в дальнейшем планируется внедрить новые эффекты вторичного измельчения капель непосредственно в камерах сгорания за счет микровзрывов. Фрагментация капель осуществляется благодаря вовлечению в состав углеводородного топлива воды. В результате получается сложная и эффективная топливная композиция «капля в капле»: ядро из воды и оболочка из топлива. Антонов отмечает, что благодаря микровзрывам полнота выгорания топлива увеличивается на 5–7%, а вредные выбросы снижаются на 20%.
Горючий лед: топливо из газовых гидратов
Газовые гидраты — соединения из газа в ледяной и водной оболочке. Их добывают с морского и океанического дна и называют горючим льдом.
Ученые ТПУ создали установки для получения искусственных газовых гидратов с разным составом. Аналогов этим устройствам в России пока нет. Например, в одной из установок гидрат формируется в ледяном каркасе два–три дня, а максимальная доля газа в готовом продукте достигает от 13 до 26% в зависимости от типа композиции. Вес одной порции горючего льда составляет около 100 г.
На другой установке гидрат получают за 30–40 минут. Он образуется на внутренних стенках устройства. Содержание газа в одной порции весом 250–300 г составляет 9–10%.
Создание эффективной технологии сжигания газовых гидратов позволит использовать их при выработке энергии и в двигателях с минимальным ущербом для экологии.
Завлабораторией тепломассопереноса ТПУ Павел Стрижак отмечает, что запасы газовых гидратов в мире существенные, особенно в северных странах, расположенных около морей и океанов. На данный момент стоимость горючего льда высока. Но спрос на него рано или поздно вырастет благодаря его свойствам, цена упадет, и новый вид экологичного топлива станет доступнее. «В этом точно поможет эффективная технология зажигания топлива на основе газовых гидратов», — считает Стрижак.
Еще один крупный исследовательский центр, который занимается изучением газовых гидратов, работает на базе Казанского федерального университета (КФУ). Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ решают вопрос повышения эффективности хранения и транспортировки природного газа в форме горючего льда.
По словам завкафедрой разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов КФУ Михаила Варфоломеева, природный газ можно перевести в гидратную форму при высоком давлении и низкой температуре для транспортировки и хранения. После этого газ легко извлекается путем простого нагрева или сброса давления. Преимущества гидратного метода транспортировки и хранения газов — умеренные условия по температуре и давлению, безопасность и экологичность. Перспективные области применения данной технологии — освоение малых и средних месторождений газа и газификация малых населенных пунктов.
Полезный мусор: чистое топливо из отходов
Исследователи ТПУ создали композиционное топливо — замену угля для тепловых электростанций — с высоким содержанием твердых бытовых отходов. Такое топливо состоит из разных компонентов, например горючего мусора, отработанных масел, сточных вод, биомассы. Оно дешевле, чем уголь, и при сжигании выбрасывает гораздо меньше вредных веществ. Так, выбросы оксидов азота и серы снижаются на 60 и 35% соответственно, доказали ученые Томского политеха.
Свой метод производства зеленого топлива предложили и ученые Тюменского государственного университета (ТюмГУ). Он предполагает температурную обработку отходов животноводства, например навоза и пищевой промышленности, с последующим получением биоугля и высококалорийного генераторного газа.
«Биоугольные смеси углеродно-нейтральны, поэтому не только не производят смог при сжигании, но и не вредят окружающей среде. Также некоторые виды получаемой при переработке биомассы можно применять для повышения плодородия сельскохозяйственных угодий», — комментирует заведующий Лабораторией ресурсоэффективных технологий термической переработки биомассы ТюмГУ Иван Шаненков.
При этом генераторный газ, образующийся как побочный продукт, почти полностью перекрывает энергозатраты на процесс обработки отходов.
Когда будут использоваться новые виды топлива
Пока еще рано говорить о широком использовании новых видов топлива, считает профессор Томского политеха Павел Стрижак. По оценке эксперта, потребуется примерно 10–15 лет для устранения «шероховатостей» технологий и отлаживания производства. При этом в Европе, США и Японии уже тестируют новые виды топлива для различных двигателей, например авиационных, говорит Стрижак.
Иван Зубрилин из Самарского университета имени Королева указывает на то, что в 2023 году состоялись наземные испытания самолета Boeing, работающего на биотопливе. Через несколько лет, считает Зубрилин, в воздух поднимутся самолеты, заправленные экологически чистым топливом.