Уряди хочуть податкових надходжень. Водії бажають дешевих кілометрів. Результат? Панічна гонка за пошуком джерела енергії, яке не є бензином. Протягом багатьох років індустрія вагалася між хайпом та порожніми обіцянками. Водень? Все ще чекаємо на інфраструктуру. Щільність акумуляторів? Поліпшується, але повільно. Однак останній претендент — це не новий елемент і не складна хімічна сполука. Це та сама речовина, якої ми намагаємося позбутися. Діоксид вуглецю.
Чи можемо ми справді перетворити вихлоп на енергію?
Це звучить як наукова фантастика чи алхімія. Візьміть парниковий газ, який нагріває планету, розберіть його на частини і знову зберіть у рідке паливо. Декілька компаній в даний час змагаються, щоб зробити паливо з CO2 комерційною реальністю. Вони більше не просто говорять про це. Вони будують пілотні проекти. Логіка зваблива. Якщо ви можете вловити вуглець, що викидається одним двигуном, і перетворити його на паливо для іншого, ви створюєте замкнутий цикл. Власне, кругову вуглецеву економіку. Не потрібно бурити нові родовища викопного палива. Просто переробляти.
Але біса криється в хімії. І в економіці.
Енергетична вартість перетворення повітря на паливо
Процес зазвичай включає уловлювання CO2 із промислових викидів або навіть безпосередньо з атмосфери. Потім вам потрібний водень. Не просто будь-який водень, а «зелений» водень, що виробляється за допомогою електролізу з використанням відновлюваної електроенергії. Ви з’єднуєте CO2 та H2 під високим тиском та температурою, використовуючи спеціалізовані каталізатори. Результат? Синтетичні палива, які часто називають e-паливом або паливом з електрики (power-to-liquid, PtL).
Підступ? Для цього потрібна величезна кількість енергії. Електроліз неефективний. Стиснення енергоємне. Процес конверсії втрачає значну частину цієї початкової відновлюваної енергії. Таким чином, хоча паливо є вуглецево-нейтральним при спалюванні, виробничий ланцюжок далеко не такий. Якщо у вас немає абсурдної кількості надлишкової вітрової або сонячної енергії, математика швидко стає непривабливою.
Чому невтішний інтерес?
Чому зараз? Тому що двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) не збирається йти тихо. Заборона на нові автомобілі з ДВС у ЄС до 2035 року викликала паніку серед традиційних виробників. Porsche вже активно інвестує у e-паливо. Вони стверджують, що, хоча нові автомобілі мають бути електричними, мільярди існуючих автомобілів із ДВС на дорогах потребують заміни бензину «крапля за краплею». Дизельне паливо, реактивне паливо, суднове паливо – всім потрібні альтернативи. Палива на основі CO2 пропонують міст. Спосіб продовжити роботу двигунів, не додаючи нового вуглецю в атмосферу.
Але чи дешевше це? Поки що ні. Собівартість виробництва висока. Інфраструктура для розподілу цих синтетичних палив не існує у промислових масштабах. І розрив у ефективності залишається найгострішою проблемою. Електричний двигун має ККД приблизно 77-90% від мережі до коліс. Двигун на е-паливі? Можливо, 30–40%. Ви викидаєте половину енергії просто щоб спалити її.
Справжнє питання не в тому, чи це працює, а в тому, чи має це значення
Технологія працює. Ми знаємо про це десятиліттями. Процес Габера-Боша робив щось подібне з аміаком у 20 столітті. Процес Фішера-Тропша перетворює вугілля на рідке паливо, що широко використовується в Південній Африці. Тепер ми просто замінюємо вугілля уловленим CO2 та зеленим воднем.
Вузьким місцем є наука. А масштаб. Чи можемо зробити досить зеленого водню
Економічна реальність вуглецевого палива
Байрон Елтон продає не просто мрію. Він вказує на конкретний спільний проект вартістю 10 мільярдів доларів між штатом Луїзіана та південноафриканською енергетичною корпорацією Sasol, спрямований на будівництво гігантського заводу з виробництва рідкого палива з газу (GTL) неподалік Лейк-Чарльз. Ціль? Довести, що “автомобілі на CO2” – це не просто лабораторний курйоз. Вони вже на підході. Швидко.
Компанія Елтона, Carbon Sciences, розробила процес, що перетворює CO2, метан та каталізатор на синтез-газ. Цей синтез-газ стає чистим дизельним паливом. Пізніше – реактивним паливом. Потім – бензином. Жодної заміни двигунів. Жодного переобладнання. Просто заправся і їдь.
Процес Фішера-Тропша, що лежить в основі цього, не новий. Він рухав танки під час Другої світової війни. Але він завжди був надто дорогим, щоб конкурувати із сирою нафтою. Елтон стверджує, що це змінилося. Його технологія, за його словами, робить процес рентабельним. І чистим. Він наполягає на тому, що ми не просто робимо паливо. Ми очищуємо атмосферу.
Але не всі вірять у це.
Опоненти не заперечують хімію. Вони заперечують економіку. Виробництво палива з CO2 коштує дорого. Воно неефективне. Енергетичні витрати, необхідні для уловлювання та перетворення вуглецю, часто перевищують енергетичний вихід кінцевої краплі палива.
То що ж ми отримуємо у результаті? Чистіше згоряння. Найменший слід. Але за вищою ціною. І з меншою ефективністю.
Чи ми вирішуємо проблему зміни клімату? Або просто знаходимо дорожчий спосіб їздити автомобілем?
Обмін поганого на менш погане
Дебати ведуться не про фізику. Вони про прагматизм.
Якщо ви політик, який прагне виконати агресивні цілі зі скорочення викидів, автомобілі на CO2 пропонують прямий шлях. Ви уловлюєте відходи. Перетворюєте їх на енергію. Замикаєте цикл. Це циркулярно. Це привабливо.
Але якщо ви інженер або споживач, математика стає неприємною. Оцінка життєвого циклу (LCA) розповідає іншу історію. Інфраструктура для GTL потребує капіталовкладень. Енергоємність хороша, але недостатньо висока, щоб компенсувати витрати на видобуток.
Деякі стверджують, що ми змінюємо забруднене нафтою повітря на погану економіку синтетичного палива. Чистота виграє. Доступність програє.
Елтон каже, що вартість знизиться. Sasol стверджує, що обсяги виправдають ціну. Уряд штату Луїзіана каже, що робочі місця виправдовують ризик.
Але скептики залишаються. Вони бачать рішення, яке шукає проблему. Або проблему, яка вже вирішується батареями та відновлюваними джерелами енергії.
Навіщо інвестувати мільярди у складний хімічний завод, якщо можна просто електрифікувати мережу?
Відповідь залежить від того, що ви цінуєте більше. Негайне скорочення викидів із вихлопної труби? Чи довгострокову системну ефективність?
Простої відповіді немає. Є лише вибір між двома недосконалими майбутніми. Одне спалює бруд. Інше спалює гроші. Обидва спалюють вуглець.
Паливо готове. Питання у тому, хто за нього заплатить.
Термодинаміка переробки вуглецю
Ажіотаж навколо уловлювання CO2 для створення синтетичного палива звучить для Оссі Зенера страшно знайоме. Відвідувачський професор Каліфорнійського університету в Берклі та автор forthcoming книги “Green Illusions” (Bison Books, 2012), Зенер бачить пряму паралель з бумом водневих паливних елементів, який згас лише кілька років тому. У ту епоху обіцяли чисте майбутнє, яке живиться надмірною сонячною енергією, що використовується для розщеплення води на водень. Але каверза була в тому, що енергетичний баланс ніколи не сходився. Ви повинні були вкласти в процес електролізу більше енергії, ніж будь-коли отримували від паливного елемента.
Це схоже на роботу грошового принтера, який коштує 23 долари для друку 20-доларової купюри. Ви буквально витрачаєте цінність, щоб створити цінність, отримуючи чисті збитки.
Зенер стверджує, що створення синтетичного палива з вуглекислого газу є настільки ж енергетично витратним. Прихильники стверджують, що ці процеси можуть зберігати тепло або електрику у зручній для відправки рідкій формі для подальшого використання. Це технічно правильно. Але ось сувора правда, яку підкреслює Зенер: CO2 — це паливо. Це побічний продукт. Його необхідно хімічно переробити на щось пальне, таке як метан, який є основним компонентом природного газу.
Бар’єром є термодинаміка. Зокрема, ендотермічна реакція, необхідна для зв’язування вуглецю та водню. Ви повинні впорскувати значну кількість тепла та енергії, щоб привести реакцію в дію. Ви можете отримати деяке паливо, але ви ніколи не повернете всю цю витрачену енергію.
«Поки що вони не вигадають, як змінити закони термодинаміки», — каже Зенер, — «ми застрягли з тим, що маємо».
То навіщо проходити через цю складну, енергоємну процедуру? Зенер зазначає, що набагато простіше та дешевше просто витягти існуючі ресурси природного газу. Ми вже маємо величезні запаси метану в землі. Навіщо платити за вилучення CO2 з атмосфери, змішування його з воднем, застосування інтенсивного тепла, а потім вилучення отриманого метану? Жоден промисловий гравець цим не займається. Економіка не працює, коли у вас є готовий продукт у достатній кількості.
Потім є аргумент про чистоту. Адвокати припускають, що синтетичне паливо чистіше за викопне паливо. За визначенням це не так. Вам потрібна енергія для створення чи реформування палива. Якщо ця енергія надходить від атомних електростанцій, щоб отримати достатній обсяг для процесу конверсії, ви залишаєтеся з політичним питанням: чи є ядерна енергетика насправді чистіша, ніж видобуток викопного палива? Відповідь залежить від того, кого ви запитаєте.
Чому конверсія вуглецю в паливо вимагає багато енергії
Основна проблема синтетичного палива – це енергетичний штраф. Щоб перетворити CO2 на придатне для використання паливо, таке як метан, вам потрібна ендотермічна реакція. Це означає, що ви повинні подавати зовнішнє тепло та енергію для хімічної зміни. Ви отримуєте деяку енергію у вигляді отриманого палива, але ніколи не всю. Як зазначає Зенер, поки хтось не вигадає, як змінити закони термодинаміки, ми застрягли з фізичною реальністю втрати енергії.
Зенер порівнює це з мрією, що провалилася, про водень. Водневі паливні елементи мали використовувати надмірну енергію сонячного вітру для створення водню. Проблема? На створення водню витрачалося більше енергії, ніж ви отримували з нього. Це схоже на наявність машини, яка створює 20-доларові купюри, але коштує 23 долари для створення кожної з них.
Зенер стверджує, що виробництво палив з CO2 так само енергоємне
Хибна еквівалентність у захисті екологічних автомобілів
Висновок Зенера звучить важко та непереконливо. Він стверджує, що ми просто змінюємо одну проблему на іншу. «Лікарям не можна просувати сигарети з низьким вмістом смоли, – зазначає він. – Чому ж екологам слід просувати автомобілі на альтернативному паливі?»
Звучить гостро. Добре працює у дискусії. Але чи це витримує перевірку, якщо подивитися на реальні механізми ситуації? Аналогія з сигаретами з низьким вмістом смоли ігнорує фундаментальну різницю між продуктом, який за своєю природою токсичний, і технологією, яка просто менш шкідлива порівняно зі своїм попередником.
Питання, яке залишається, — не просто риторичне. Він практичний. Чи є «альтернатива з низьким вмістом смоли» життєздатним рішенням для довкілля? Чи ми просто поліруємо хром на кораблі, що тоне? Дебати про те, чи є альтернативні паливами справжнім рішенням або лише маркетинговою маневром, що відволікає, залишаються відкритими.
