Введение: почему важно бороться с углеродным следом
На фоне растущей тревоги по поводу изменения климата и международных обязательств по сокращению выбросов парниковых газов, одна из ключевых задач для энергетики — снижение так называемого углеродного следа. Особенно это касается таких энергоустановок, как газотурбинные электростанции (ГТЭС), работающие на природном или отбензиненном газе. Они — локальные источники интенсивных выбросов углекислого газа (CO₂), вносящие весомый вклад в глобальное потепление.
Только в России работает более 300 установок ГТЭС-25П, каждая из которых вырабатывает 25 МВт/час электроэнергии. Их совокупные выбросы CO₂ превышают 396 млн тонн в год. Поэтому поиск технологий, способных улавливать и утилизировать углекислый газ, — не просто научная задача, а вопрос экологической устойчивости всей энергетической системы.
Проблема: как и сколько CO₂ выбрасывает ГТЭС
Типичная установка ГТЭС-25П работает по следующему принципу: атмосферный воздух поступает в компрессор, где сжимается и смешивается с топливом (газом), а затем сжигается в камере. Образующиеся при этом горячие газы вращают турбину и вырабатывают электричество. После этого отработавшие газы выбрасываются в атмосферу — вместе с огромным количеством CO₂.
Из расчёта:
- Топливный расход — 66,6 тыс. тонн газа в год;
- Воздух на горение — 1680 тыс. тонн в год;
- Отработанные дымовые газы — 1745 тыс. тонн в год;
- Выбросы CO₂ — 1309 тыс. тонн в год на одну установку.
Решение: превращение CO₂ в товарный продукт
Одной из наиболее амбициозных и в то же время прагматичных идей является улавливание CO₂ из отработанных газов и превращение его в полезное химическое вещество — диметиловый эфир (ДМЭ).
Что такое диметиловый эфир?
ДМЭ — это простейший эфир, газ при нормальных условиях. Он может использоваться:
- Как хладагент;
- Как топливо — особенно популярен в Китае и Южной Корее;
- В смеси с дизельным топливом, снижая вредные выбросы.
Таким образом, из «вредного» CO₂ можно получить нечто полезное и даже рыночно востребованное.
Как улавливать CO₂?
Наиболее зрелая технология — абсорбция с помощью аминов, таких как моноэтаноламин (МЭА). Эта технология уже широко применяется на электростанциях в Европе и США.
Пример:
- Эффективность улавливания — до 90% CO₂ из дымовых газов.
Как из CO₂ получить ДМЭ: химическая цепочка
Процесс состоит из нескольких этапов:
- Извлечение CO₂ из дымовых газов с помощью аминов.
- Получение синтез-газа (CO + H₂) двумя способами:
Углекислотная конверсия метана:
CO₂ + CH₄ → 2CO + 2H₂
Реакция CO₂ с водородом:
CO₂ + H₂ → CO + H₂O - Синтез метанола из синтез-газа:
CO + 2H₂ → CH₃OH - Превращение метанола в ДМЭ:
2CH₃OH → CH₃OCH₃ + H₂O
Почему важен выбор метода?
С точки зрения термодинамики:
- Конверсия метана требует меньше температуры (≈ 692 °C) и энергии, чем взаимодействие CO₂ с водородом (≈ 705 °C), несмотря на более высокую энтальпию реакции.
- Оба процесса требуют катализаторов, чтобы снизить температуру реакции. Наиболее перспективны оксидные катализаторы с добавками Ca, Sr, Zn, La и др.
Где брать водород?
Для синтеза ДМЭ требуется водород, который в промышленных масштабах чаще всего получают из природного газа:
- CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
- CO + H₂O → CO₂ + H₂
Однако при этом также выделяется CO₂, что важно учитывать при оценке эффективности всего процесса утилизации.
Эффективность: цифры и балансы
Исследование рассматривает два сценария получения ДМЭ:
Вывод: углекислотная конверсия метана почти вдвое эффективнее по снижению выбросов CO₂, чем прямая реакция с водородом.
Где это применимо?
Наилучшие условия для внедрения технологии:
- Промышленные предприятия с собственной ГТЭС;
- Возможность интеграции установки по улавливанию и переработке CO₂;
- Наличие инфраструктуры для транспортировки или использования ДМЭ.
Основные сложности
- Отсутствие массово апробированных катализаторов для реакций с CO₂;
- Высокая энергоёмкость процесса;
- Ограниченность доступа к дешевому водороду;
- Необходимость экспериментальных подтверждений эффективности в промышленных условиях.
Заключение: из отходов — в актив
Исследование показывает, что ГТЭС можно превратить из источника выбросов в производителя химического топлива, если грамотно реализовать систему улавливания и переработки углекислого газа.
Наиболее перспективный путь — углекислотная конверсия метана, позволяющая сократить до 45% выбросов СО₂ и при этом получить более 1,2 млн тонн товарного ДМЭ в год с одной станции. Это не только помогает экологии, но и создаёт новые источники дохода.
В условиях климатических вызовов XXI века — это важный шаг к углеродной нейтральности.
Подписывайтесь на канал чтобы не пропустить новые статьи