Разработка экологичного авиационного топлива (ЭАТ), произведенного из возобновляемых источников, таких как биомасса и сельскохозяйственные отходы, представляет собой перспективный шаг в борьбе с выбросами парниковых газов в авиационной отрасли. Однако, несмотря на очевидный потенциал, широкого распространения ЭАТ пока не получило.
В настоящее время ЭАТ составляет менее 1% от общего объема топлива, используемого в авиации, тогда как на традиционное авиационное топливо приходится около 3% глобальных выбросов парниковых газов (ПГ). Для того чтобы ЭАТ могло широко применяться в коммерческих авиаперевозках, необходимо сделать его производство более энергоэффективным и экономически выгодным по сравнению с традиционным реактивным топливом.
Недавнее исследование учёных из Аргоннской национальной лаборатории может изменить эту ситуацию. Они разработали инновационную технологию, позволяющую производить ЭАТ, которое не только конкурентоспособно по стоимости, но и способно сократить выбросы ПГ на 70%. Для оценки экологической эффективности и экономической целесообразности нового топлива специалисты Аргоннской лаборатории применили свои передовые модели жизненного цикла и технико-экономического анализа.
Новое исследование, опубликованное в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, показывает, что инновационная технология метано-блокируемого анаэробного сбраживания (MAAD) способна превращать сточные воды с высоким содержанием органики в летучие жирные кислоты. Эти кислоты могут быть переработаны в устойчивое авиационное топливо.
Как отметил Хаоран Ву, постдокторант Аргоннской лаборатории, летучие жирные кислоты играют важную роль в декарбонизации авиации, поскольку являются ключевыми компонентами для производства SAF. "Летучие жирные кислоты, получаемые из сточных вод, могут значительно снизить затраты на производство биотоплива, делая его более устойчивым", — добавил он.
Перспективная технология нашла поддержку у Министерства энергетики США, которое стремится увеличить производство ЭАТ до трёх миллиардов галлонов к 2030 году. Долгосрочная цель — обеспечить к 2050 году полное покрытие спроса на авиационное топливо с помощью SAF.
Для сокращения выбросов углекислого газа в авиации, как в одной из наименее поддающихся электрификации отраслей, требуется инновационное топливо. Процесс преобразования биомассы в биотопливо сложен, он включает в себя множество переменных — от качества исходного органического сырья до сложных технологий очистки и переработки, чтобы соответствовать стандартам для авиационного топлива.
Вместо традиционного сырья, такого как жиры и масла, учёные использовали богатые углеродом сточные воды от пивоварен и молочных ферм. Главным преимуществом новой технологии стало эффективное извлечение органического углерода из этих сточных вод, которые трудно переработать с помощью обычных методов очистки.
"Оба типа сточных вод содержат большое количество органики, и их обработка традиционными методами требует значительных затрат углерода", — пояснил Таэмин Ким, аналитик энергетических систем в Аргоннской лаборатории. "Наша технология не только решает проблему их утилизации, но и превращает их в устойчивое топливо для авиации с низким содержанием углерода".
Инновационная технология Аргоннской лаборатории делает возможным преобразование этих отходов в экологически чистое топливо. Анаэробное разложение — это проверенный метод, который обычно используется для превращения биомассы в метан, а затем в биотопливо. Однако разработанная Ургун Демирташ технология MAAD фокусируется на производстве летучих жирных кислот (например, масляной кислоты) и молочной кислоты.
Проблема заключается в том, что молочная кислота мешает оптимальному производству ЭАТ из летучих жирных кислот. Аргоннская технология MAAD решает эту проблему, увеличивая выход летучих жирных кислот, что повышает эффективность процесса.
"Молочная кислота снижает эффективность преобразования углерода при производстве ЭАТ из летучих жирных кислот", — объяснил Ву. "Смещение акцента с молочной кислоты на производство летучих жирных кислот — ключ к успеху".
Учёные также разработали электрохимический метод разделения, который улучшает процесс мембранной фильтрации в рамках технологии MAAD. "Мы внедрили процесс восстановления продукта на месте, чтобы увеличить время удержания в биореакторах с мембранной поддержкой. Это позволило создать устойчивые микробные сообщества, которые активно производят масляную кислоту, увеличивая продуктивность и концентрацию кислот. В результате снизились как затраты на производство, так и токсичность кислот", — сообщила Ургун Демирташ, главный исследователь проекта.
Используя полученные экспериментальные данные, учёные смоделировали три возможных пути преобразования отходов в ЭАТ и сравнили их с традиционным авиационным топливом на основе ископаемого сырья. С помощью передовых ИИ-моделей они провели технико-экономический анализ, а также анализ жизненного цикла, применив инструмент GREET Аргоннской лаборатории для оценки воздействия на выбросы ПГ на всех этапах производства и использования топлива.
Результаты показали, что путь от сточных вод к авиационному топливу позволяет существенно сократить выбросы углерода по сравнению с традиционным реактивным топливом. Более того, новое исследование подчёркивает важность использования менее распространённых видов отходов в условиях дефицита традиционных биоресурсов для ЭАТ.
В настоящее время исследования продолжаются, и учёные надеются коммерциализировать разработанную технологию и расширить её применение. "Разработка технологии, которая позволяет сократить выбросы на 70% при себестоимости, сравнимой с обычным авиационным топливом, — это важное достижение", — отметил Ву. "Мы продолжим работу над улучшением устойчивости и исследуем другие виды сырья для использования в нашем процессе".
