Правительства хотят налоговых поступлений. Водители хотят дешёвых километров. Результат? Паническая гонка за поиском источника энергии, который не является бензином. На протяжении многих лет индустрия колебалась между хайпом и пустыми обещаниями. Водород? Всё ещё ждём инфраструктуры. Плотность аккумуляторов? Улучшается, но медленно. Однако последний претендент — это не новый элемент и не сложный химический соединение. Это то самое вещество, от которого мы пытаемся избавиться. Диоксид углерода.
Можем ли мы действительно превратить выхлоп в энергию?
Это звучит как научная фантастика или алхимия. Возьмите парниковый газ, который нагревает планету, разберите его на части и соберите заново в жидкое топливо. Несколько компаний в настоящее время соревнуются, чтобы сделать топливо из CO2 коммерческой реальностью. Они больше не просто говорят об этом. Они строят пилотные проекты. Логика соблазнительна. Если вы можете уловить углерод, выбрасываемый одним двигателем, и превратить его в топливо для другого, вы создаёте замкнутый цикл. По сути, круговую углеродную экономику. Не нужно бурить новые месторождения ископаемого топлива. Просто перерабатывать.
Но чёрт кроется в химии. И в экономике.
Энергетическая стоимость превращения воздуха в топливо
Процесс обычно включает улавливание CO2 из промышленных выбросов или даже напрямую из атмосферы. Затем вам нужен водород. Не просто любой водород, а «зелёный» водород — производимый посредством электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии. Вы соединяете CO2 и H2 под высоким давлением и температурой, используя специализированные катализаторы. Результат? Синтетические топлива, часто называемые e-топливом или топливом из электричества (power-to-liquid, PtL).
Подвох? Для этого требуется огромное количество энергии. Электролиз неэффективен. Сжатие энергоёмко. Процесс конверсии теряет значительную часть этой первоначальной возобновляемой энергии. Таким образом, хотя топливо является углеродно-нейтральным при сжигании, производственная цепочка далеко не такова. Если у вас нет абсурдного количества избыточной ветровой или солнечной энергии, математика быстро становится неприглядной.
Почему внезастный интерес?
Почему сейчас? Потому что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) не собирается уходить тихо. Запрет на новые автомобили с ДВС в ЕС к 2035 году вызвал панику среди традиционных производителей. Porsche уже активно инвестирует в e-топливо. Они утверждают, что, хотя новые автомобили должны быть электрическими, миллиарды существующих автомобилей с ДВС на дорогах нуждаются в замене бензина «капля за каплей». Дизельное топливо, реактивное топливо, судовое топливо — всем нужны альтернативы. Топлива на основе CO2 предлагают мост. Способ продолжить работу двигателей, не добавляя нового углерода в атмосферу.
Но дешевле ли это? Пока нет. Себестоимость производства высока. Инфраструктура для распределения этих синтетических топлив не существует в промышленных масштабах. И разрыв в эффективности остаётся острейшей проблемой. Электрический двигатель имеет КПД примерно 77–90% от сети до колёс. Двигатель на e-топливе? Может быть, 30–40%. Вы выбрасываете половину своей энергии просто чтобы сжечь её.
Настоящий вопрос не в том, работает ли это, а в том, имеет ли это значение
Технология работает. Мы знаем об этом десятилетиями. Процесс Габера-Боша делал нечто подобное с аммиаком в 20-м веке. Процесс Фишера-Тропша превращает уголь в жидкое топливо, широко используемое в Южной Африке. Теперь мы просто заменяем уголь уловленным CO2 и зелёным водородом.
Узким местом является не наука. А масштаб. Можем ли мы произвести достаточно зелёного водорода
Экономическая реальность углеродного топлива
Байрон Элтон продает не просто мечту. Он указывает на конкретный совместный проект стоимостью 10 миллиардов долларов между штатом Луизиана и южноафриканской энергетической корпорацией Sasol, направленный на строительство гигантского завода по производству жидких топлив из газа (GTL) недалеко от Лейк-Чарльз. Цель? Доказать, что автомобили на CO2 — это не просто лабораторный курьез. Они уже на подходе. Быстро.
Компания Элтона, Carbon Sciences, разработала процесс, превращающий CO2, метан и катализатор в синтез-газ. Этот синтез-газ становится чистым дизельным топливом. Позже — реактивным топливом. Затем — бензином. Никакой замены двигателей. Никакой переоборудования. Просто заправься и поезжай.
Процесс Фишера-Тропша, лежащий в основе этого, не нов. Он приводил в движение танки во время Второй мировой войны. Но он всегда был слишком дорогим, чтобы конкурировать с сырой нефтью. Элтон утверждает, что это изменилось. Его технология, по его словам, делает процесс рентабельным. И чистым. Он настаивает на том, что мы не просто производим топливо. Мы очищаем атмосферу.
Но не все верят в это.
Оппоненты не отрицают химию. Они отрицают экономику. Производство топлива из CO2 обходится дорого. Оно неэффективно. Энергетические затраты, необходимые для улавливания и преобразования углерода, часто превышают энергетический выход конечной капли топлива.
Так что же мы получаем в итоге? Более чистое сгорание. Меньший след. Но по более высокой цене. И с меньшей эффективностью.
Действительно ли мы решаем проблему изменения климата? Или просто находим более дорогой способ ездить на автомобиле?
Обмен плохого на менее плохое
Дебаты ведутся не о физике. Они о прагматизме.
Если вы политик, стремящийся выполнить агрессивные цели по сокращению выбросов, автомобили на CO2 предлагают прямой путь. Вы улавливаете отходы. Превращаете их в энергию. Замыкаете цикл. Это циркулярно. Это привлекательно.
Но если вы инженер или потребитель, математика становится неприятной. Оценка жизненного цикла (LCA) рассказывает другую историю. Инфраструктура для GTL требует капиталовложений. Энергоемкость хорошая, но недостаточно высокая, чтобы компенсировать затраты на добычу.
Некоторые утверждают, что мы меняем загрязненный нефтью воздух на плохую экономику синтетического топлива. Чистота выигрывает. Доступность проигрывает.
Элтон говорит, что стоимость снизится. Sasol утверждает, что объемы оправдают цену. Правительство штата Луизиана говорит, что рабочие места оправдывают риск.
Но скептики остаются. Они видят решение, ищущее проблему. Или проблему, которая уже решается батареями и возобновляемыми источниками энергии.
Зачем инвестировать миллиарды в сложный химический завод, если можно просто электрифицировать сеть?
Ответ зависит от того, что вы цените больше. Немедленное сокращение выбросов из выхлопной трубы? Или долгосрочную системную эффективность?
Простого ответа нет. Есть лишь выбор между двумя несовершенными будущими. Одно сжигает грязь. Другое сжигает деньги. Оба сжигают углерод.
Топливо готово. Вопрос в том, кто за него заплатит.
Термодинамика переработки углерода
Ажиотаж вокруг улавливания CO2 для создания синтетического топлива звучит для Осси Зенера пугающе знакомо. Посетительский профессор Калифорнийского университета в Беркли и автор forthcoming книги Green Illusions (Bison Books, 2012), Зенер видит прямую параллель с бумом водородных топливных элементов, который угас всего несколько лет назад. В ту эпоху обещали чистое будущее, питаемое избыточной солнечной энергией, используемой для расщепления воды на водород. Но подвох был в том, что энергетический баланс никогда не сходился. Вы должны были вложить в процесс электролиза больше энергии, чем когда-либо получали обратно от топливного элемента.
Это похоже на работу денежного принтера, который стоит 23 доллара для печати 20-долларовой купюры. Вы буквально тратите ценность, чтобы создать ценность, получая чистый убыток.
Зенер утверждает, что создание синтетического топлива из углекислого газа столь же энергетически затратным. Сторонники утверждают, что эти процессы могут хранить тепло или электричество в удобной для отправки жидкой форме для последующего использования. Это технически верно. Но вот суровая правда, на которую подчеркивает Зенер: CO2 — это не топливо. Это побочный продукт. Его необходимо химически переработать в что-то горючее, такое как метан, который является основным компонентом природного газа.
Барьером является термодинамика. В частности, эндотермическая реакция, необходимая для связывания углерода и водорода. Вы должны впрыснуть значительное количество тепла и энергии, чтобы привести реакцию в действие. Вы можете получить некоторое топливо, но вы никогда не вернете всю эту затраченную энергию.
«Пока они не придумают, как изменить законы термодинамики», — говорит Зенер, — «мы застряли с тем, что имеем».
Так зачем проходить через эту сложную, энергоемкую процедуру? Зенер отмечает, что гораздо проще и дешевле просто извлечь существующие ресурсы природного газа. У нас уже есть огромные запасы метана в земле. Зачем платить за извлечение CO2 из атмосферы, смешивание его с водородом, применение интенсивного тепла, а затем извлечение полученного метана? Ни один промышленный игрок этим не занимается. Экономика не работает, когда у вас есть готовый продукт в достаточном количестве.
Затем есть аргумент о чистоте. Адвокаты предполагают, что синтетическое топливо чище ископаемого топлива. По определению, это не так. Вам нужна энергия для создания или реформирования топлива. Если эта энергия поступает от атомных электростанций, чтобы получить достаточный объем для процесса конверсии, вы остаетесь с политическим вопросом: является ли ядерная энергетика на самом деле чище, чем добыча ископаемого топлива? Ответ зависит от того, кого вы спросите.
Почему конверсия углерода в топливо требует много энергии
Основная проблема синтетического топлива — это энергетический штраф. Чтобы превратить CO2 в пригодное для использования топливо, такое как метан, вам нужна эндотермическая реакция. Это означает, что вы должны подавать внешнее тепло и энергию для химического изменения. Вы получаете некоторую энергию обратно в виде полученного топлива, но никогда не всю. Как отмечает Зенер, пока кто-то не придумает, как изменить законы термодинамики, мы застряли с физической реальностью потери энергии.
Зенер сравнивает это с провалившейся мечтой о водороде. Водородные топливные элементы должны были использовать избыточную энергию солнечного ветра для создания водорода. Проблема? На создание водорода уходило больше энергии, чем вы получали из него. Это похоже на наличие машины, которая создает 20-долларовые купюры, но стоит 23 доллара для создания каждой из них.
Зенер утверждает, что создание топлив из CO2 столь же энергоемко
Ложная эквивалентность в защите экологичных автомобилей
Вывод Зенера звучит тяжело и неубедительно. Он утверждает, что мы просто меняем одну проблему на другую. «Врачам нельзя продвигать сигареты с низким содержанием смолы, — отмечает он. — Почему же экологам следует продвигать автомобили на альтернативном топливе?»
Звучит остро. Хорошо работает в дискуссии. Но выдерживает ли это проверку, если посмотреть на реальные механизмы ситуации? Аналогия с сигаретами с низким содержанием смолы игнорирует фундаментальное различие между продуктом, который по своей природе токсичен, и технологией, которая просто менее вредна по сравнению со своим предшественником.
Вопрос, который остается, — не просто риторический. Он практический. Является ли «альтернатива с низким содержанием смолы» жизнеспособным решением для окружающей среды? Или мы просто полируем хром на тонущем корабле? Дебаты о том, являются ли альтернативные топливами настоящим решением или лишь маркетинговой отвлекающей маневром, остаются открытыми.
