Заменители нефти: актуальность и перспективы

Не секрет, что нефть является невозобновляемым, конечным ресурсом. На данный момент на планете по-прежнему существуют богатые месторождения нефти, позволяющие вести ее добычу в огромных масштабах, но так будет не всегда. Со временем добыча нефти будет только дорожать, а новые нефтеносные провинции (такие, как Карская) будут открываться во все более и более труднодоступных и дорогих в освоении регионах планеты. Со временем единственной сферой применения остатков нефти на планете станет нефтехимия, и исполнятся пророческие слова Дмитрия Менделеева: «Нефть – не топливо: топить можно и ассигнациями».

Многие аналитики предполагают, что к моменту, когда использование нефти в качестве топлива утратит практичность, человечество ещё не достигнет той ступени развития, на которой станет возможным переход на качественно новую энергетику. Поэтому, хотя в краткосрочной перспективе вопрос об окончании нефти на планете не стоит, разработка технологий получения и использования альтернативных жидких органических топлив и смазочных материалов остается перспективным направлением.

При этом, учитывая, что в настоящее время мир становится всё менее стабильным, технологии получения заменителей нефти могут стать актуальными в зонах чрезвычайных ситуаций и боевых действий, в которых затруднена международная торговля этим ресурсом. Станет снова востребован опыт Второй Мировой войны, когда в СССР строились автомобили с газогенераторными двигателями, а в нацистской Германии производилась синтетическая нефть.

В настоящей статье мы рассмотрим несколько наиболее перспективных технологий получения и использования заменителей нефти, и проведем их сравнительный анализ.

Вариант №1: газообразное топливо

Газ как заменитель нефти обладает большим количеством достоинств. Хотя природный газ и является, как и нефть, невозобновляемым ресурсом, его запасы на планете оцениваются как существенно превосходящие нефтяные. Вдобавок, технологии добычи природного газа постоянно совершенствуются, хотя некоторые из них (в частности, добыча газа из сланцевых пластов) и становятся объектами критики. Природный газ выгодно отличается от нефти более высокой экологической чистотой: при сгорании он не выделяет соединений серы и других вредных неорганических газов. Добыча его значительно менее дорогостояща, чем добыча нефти. Многие аналитики предсказывают, что использование природного газа как заменителя нефти позволит человечеству прожить ещё около 100 лет, используя технологии сжигания углеводородов.

Наиболее эффективен природный газ в качестве моторного топлива. Он отличается высоким октановым числом и при использовании многократно снижает вредные выбросы двигателей внутреннего сгорания. Также существует богатый опыт использования газа (в частности, в Европе) в качестве топлива для тепловых электростанций.

Тем не менее, природный газ (метан) обладает одним существенным недостатком. Речь идет о неудобстве хранения. Метан – лёгкий газ, который трудно поддается сжижению. При нормальной температуре он не сжижается под давлением; для хранения сжиженного метана нужна криогенная температура, составляющая -165 градусов Цельсия. Поэтому любое компактное оборудование для хранения природного газа (например, топливные баки автотранспорта) рассчитано на хранение сжатого, а не сжиженного метана. Это накладывает на них особые требования по прочности и герметичности, так как они должны долгое время выдерживать высокое давление. Добавим к этому еще и более низкую теплотворную способность метана по сравнению с нефтепродуктами, и недостатки начнут перевешивать преимущества.

Этими недостатками не обладают другие газообразные углеводороды, такие, как пропан и бутан, обычно объединяемые под названием «сжиженные углеводородные газы» (СУГ). Эти более тяжелые газы легко поддаются сжижению и остаются жидкими при комнатной температуре под относительно умеренным давлением. Пропан и бутан используются как в качестве моторного топлива, так и в качестве поставляемого в баллонах заменителя бытового природного газа в негазифицированных районах Российской Федерации. Фактически, СУГ предлагают преимущества природного газа без самого существенного его недостатка. Однако и самого существенного преимущества метана сжиженные углеводородные газы лишены: они далеко не так дёшевы. Всё дело в том, что в природном газе пропан и бутан присутствуют лишь в небольших количествах. Они легко отделяются от метана в виде конденсата при добыче природного газа, и также получаются в качестве попутных газов при добыче нефти, но в обоих случаях пропан и бутан составляют лишь малую часть добываемого продукта. Месторождений пропана или бутана в природе не существует, они лишь полезные ископаемые-спутники, получающиеся при добыче нефти и газа в небольших количествах. Поэтому полноценно заменить нефть они не могут.

Вариант №2: биотопливо

Интересной, но, увы, бесперспективной технологией является получение заменителей нефтепродуктов из растительных материалов. Речь идет о двух видах топлива: биобензине (смесях на основе этилового спирта) и биодизеле (смесях на основе сложных эфиров жирных кислот). Эти вещества могут с успехом заменить нефтепродукты, но их фатальным недостатком, перечеркивающим все перспективы биотопливных технологий, является низкая производительность. Чтобы получать объёмы биотоплив, сравнимые с объёмами ныне производимых нефтепродуктов, надо отдавать под выращивание соответствующих растений (не дающих никакого пищевого продукта) огромные сельхозплощади, или строить огромные чаны с искусственно выращиваемыми водорослями. Поэтому чистые биотоплива редко используются сейчас, а применяются только различные биодобавки к традиционным нефтепродуктам.

Вариант №3: каменный уголь

В качестве альтернативы газу некоторыми странами рассматривается и возвращение к каменному углю как основному добываемому топливу. В первую очередь речь идет о Китайской Народной Республике – стране, первой в мире по добыче угля, при этом не обладающей никакими значительными запасами нефти. Китай еще в 2004 году принял государственную программу по строительству заводов, преобразующих уголь в жидкое топливо. Это не чисто китайское ноу-хау: подобные технологии внедряла также гитлеровская Германия на позднем этапе Второй мировой войны, когда оказалась отрезана ото всех нефтедобывающих регионов. Основой для технологии послужила разработка, начавшаяся еще в кайзеровские времена и законченная в 1934 году немецкими химиками Фишером и Тропшем. Процесс Фишера-Тропша происходит в два этапа: на первом этапе в результате реакции каменного угля с водяным паром получалась смесь водорода и угарного газа – так называемый водяной газ, или синтез-газ. На втором этапе происходил синтез легких углеводородов из водяного газа. В результате каменный уголь перерабатывался в синтетический бензин.

Недостатком этого метода является высокая стоимость синтетического бензина по сравнению с получаемым из натуральной нефти. Однако, по всей видимости, КНР располагает технологиями, достаточными для того, чтобы удешевить процесс и сделать синтетическое моторное топливо дешевле, чем получаемое из импортируемой нефти. Однако китайцам придется решить еще одну проблему, связанную с процессом Фишера-Тропша, а именно крайнюю сложность получения из водяного газа тяжелых углеводородных фракций (газойля и моторных масел): катализатор быстро отравляется и расходуется, в результате стоимость получения тяжелых углеводородов этим методом получается запредельной.

Другой вариант использования каменного угля в качестве моторного топлива не предусматривает его химического преобразования, а использует тонкодисперсный порошок углерода (угольную пыль). Эксперименты с этим способом начались в США в 1970-е годы, но не получили особого развития; однако, достаточно большое распространение этот способ получил в такой стране, как Украина. На Украине разработан автомобиль «Таврия-130», использующий в качестве топлива угольную пыль; предпринимаются попытки его серийного производства.

Вариант №4: торф и продукты его переработки

Такое органическое полезное ископаемое, как торф, многими воспринимается как «уголь для бедных». Но, хотя торф и уступает каменному углю по многим показателям, он уникален среди природных топлив в одном аспекте: он образуется из растительной биомассы за историческое время и способен возобновляться. Так, за один год на территории Западной Сибири образуется от 10 до 20 миллионов тонн нового торфа. Но насколько это реально – переработать торф в синтетический заменитель нефти?

Свойства торфа более разнообразны, чем свойства каменного угля, что связано с его более сложным химическим составом. С одной стороны, торф также является годным сырьём для уже описанного процесса Фишера-Тропша: его также можно газифицировать и синтезировать из получаемого газа бензин. Точнее, для получения водяного газа используется так называемый торфовый полукокс – углеродный остаток, получаемый в результате пиролиза торфа. Однако тот же процесс пиролиза торфа дает и другие, более интересные продукты. В числе их и жидкие продукты – торфяной дёготь, смола. Эти продукты по своему составу напоминают тяжелые фракции нефти или мазут, но отличаются от них более высоким содержанием ароматических углеводородов. Помимо того, что из жидких продуктов пиролиза торфа можно получать бензол, фенол, толуол, нафталин и другие ароматические углеводороды, их также можно подвергать перегонке и крекингу, как нефть.

Что замечательно, так это то, что две технологии дополняют друг друга. Из так называемых фракций лёгкого масла и поглотительного масла, выделяемых из торфяных смол, можно получать вещества, аналогичные керосину, газойлю, минеральным маслам и другим тяжелым нефтепродуктам, которые затратны и затруднительно получать по способу Фишера-Тропша. А путем переработки торфяного полукокса по способу Фишера-Тропша можно получать бензин, пропан, бутан и другие легкие углеводороды. Из этого можно сделать вывод, что переработка торфа позволяет сочетать достоинства переработки каменного угля и биотопливных технологий: этот способ отличается и возобновляемостью ресурсов, и общей нефтеподобностью получаемых веществ (в отличие от биотопливных технологий, результатом которых является спирт, эфиры и другие кислородсодержащие вещества), и, в отличие от биотопливных технологий, не требует для успешного внедрения огромных сельскохозяйственных площадей или чанов с водорослями; в их роли выступают существующие в природе торфяные болота.