Графическая презентация месторасположения выбранных мест, подходящих для замены примерно половины нефтяного топлива в выбранных областях. Эти области окрашены в круги темно – коричневого цвета соответствующего размера. Запасы угля, биомасс, и природного газа в США представлены условными обозначениями согласно определенного цветового значения. (Credit: Josephine A. Elia, Richard C. Baliban, and Christodoulos A. Floudas/Princeton University)
США может отказаться от потребности нефтяного топлива, используя комбинации угля, природного газа и непродовольственных растительных культур, чтобы создать синтетическое топливо, которое удалось разработать команде ученых Принстона.
По словам исследователей, помимо выгоды для экономической и национальной безопасности, подобная программа имеет свои плюсы для защиты окружающей среды. Так как растения поглощают диоксид углерода в процессе роста, США может снизить выбросы от транспорта примерно на 50% в течение нескольких последующих декад, используя непродовольственные растительные культуры для создания жидкого топлива.
Синтетическое топливо с легкостью может быть использовано транспортными средствами, так как его можно напрямую использовать в двигателях автомобилей и оно является практически идентичным топливу, вырабатываемому из сырой нефти. Этот факт выделяет синтетическое топливо от доступного в настоящее время биотоплива, например, этанола, который нужно смешивать с газом или для которого нужны определенного вида двигатели.
В серии научных статей за последние несколько лет, команда ученых под руководством Кристодоулоса Флоудаса, профессора химио- и биоинженерии в Принстоне, смоделировала сценарии, по которым США смогла бы использовать синтетическое топливо в автомобилях вместо нефти. Команда Флоудаса также проанализировала вклад, который будут вносить заводы для производства синтетического топлива в местных областях и определили местности, которые не будут за это облагаться чрезмерным налогом на потребление регионального электричества или водоснабжения.
«Целью данного проекта является производство достаточного количества топлива и сокращение выбросов СО2, или эквивалента, примерно на 50%», - говорит Флоудас, профессор Инженерии и Прикладных наук. «Вопрос заключался не только в том, возможно ли будет создать что-то подобное, но и в том, можно ли создать такое топливо по экономически привлекательной цене. Ответ будет утвердительным для обоих случаев.
Как говорит Флуодас, выполнение такого проекта не будет легким и быстрым. В действительности потребуются годы постепенного внедрения технологий синтетического топлива. Согласно подсчетам Флуодаса, этот процесс может занять от 30 до 40 лет, чтобы США смогла полностью перейти на синтетическое топливо. К тому же это будет недешево. Автор оценил всю систему перехода в 1.1 триллион долларов.
Это исследование составляет важную часть окончательного документа недавно разработанного Институтом инженеров – химиков США, крупнейшей национальной ассоциацией инженеров. В документе инженеры – химики призывают к более основательному внедрению новых источников энергии и просят влиятельные в правительстве лица рассмотреть процесс химической конвертации, как возможный метод производства более чистого и дешевого вида топлива.
«Сегодня мы используем так много видов источников энергии», говорит Джун Уиспелвей, директор института и выпускник Принстона (1981 год). «Существуют способы, которые помогут легче внедрить такую топливную систему и сделать ее более эффективной».
Этот документ был составлен Верном Уикманом, одним из напарников исследователя Флуодаса. Уикман, лектор Принстона, бывший директор Мобильного Центра Исследовательской Лаборатории и в прошлом президент Американского института инженеров – химиков.
Уикман считает главной причиной отказа промышленности от использования синтетического топлива его завышенную стоимость. Хотя он говорит, что экономика «все еще находиться на грани», Уикман заметил, что растущие цены на сырое топливо и улучшение эффективности производства синтетического топлива сделали его более доступным, чем это было раньше.
«Главной причиной, по которой мы решили написать данный документ, стало привлечение внимания плановых органов – национальной академии, Департамента Энергии, Агентства охраны окружающей среды, Военного Ведомства, - а точнее, заставить их подумать об этом», - говорит Уикман. Он также добавил, что очень важно, что эти агентства считают «это ключевой связкой использования химических процессов для производства традиционного вида топлива».
Производство бензина, дизеля и авиатоплива по конкурентной цене
Снижение стоимости за полный переход на синтетическое топливо
В исследовании Принстонского университета, команда ученых Флоудаса выяснила, что на заводах по производству синтетического топлива можно производить бензин, дизель и авиационное топливо по конкурентно способной цене, в зависимости от цены сырого топлива и типа исходного продукта, использованного для создания синтетического топлива. Согласно данным управления по информации в области энергетики (УИОЭ), около двух третей сырой нефти в США используется для транспортных услуг. Как сообщает УИОЭ, США также импортирует около 45% от ежегодного объема добываемой нефти.
«Даже учитывая затрачиваемые средства, синтетическое топливо все еще кажется выгодным предприятием» - говорит Ричард Балибан, выпускник кафедры химической и биологической инженерии 2012 года и ведущий автор нескольких исследований команды университета. По его словам, «пока стоимость сырой нефти колеблется между $60 и $100 за баррель, производство синтетического топлива все еще экономически конкурентно, в зависимости от стоимости источника сырья»
Жар + химия —> топливо
Главная идея этого проекта заключается в технике использования жара и химии для создания бензина и других видов жидкого топлива из высоко углеродных источников сырья, варьирующих от угля до прутьевидного просо, типичного вида травы Северной Америки, распространенного на великих равнинах. Этот метод под названием процесс Фишера – Тропша был открыт в Германии в 1920 году, как способ превращения угля в жидкое топливо.
Химическая сторона этого процесса очень запутанна, но в ее основу входит углерод и водород из источника топлива, которые вновь соединяют в сложные цепочки, которые производят такие виды топлива как бензин и дизельное топливо. В сущности, источник топлива разогревается до 1000-1300 градусов по Цельсию и превращается в «водяной газ», который затем с помощью процесса Фишера – Тропша преобразуется в сложные цепочки углеводородных молекул.
Затем эти углеводородные цепочки проходят процесс катализации, для чего используют никель или железо. На выходе реакции получается топливо, воск и смазочные материалы, которые обычно получаются из сырой нефти.
Команда Принстонского Университета добавила в этот процесс еще один шаг для рециркуляции СО2, чтобы уменьшить количество выпускаемого растениями газа. По словам Балибана возможно экономично переработать только ограниченное количество СО2, хотя растения могут уловить оставшиеся выбросы СО2 для дальнейшего хранения.
С течением времени инженерам удалось усовершенствовать изначальный метод Фишера-Тропша, что помогло улучшить его эффективность. Но высокая стоимость строительства заводов для производства синтетического топлива, даже с учетом низкой стоимости сырой нефти, сделала производство синтетического топлива слишком дорогостоящим для широкого распространения.
Если цена на нефтяное топливо увеличится, то, возможно, использование синтетического топлива станет более практичным. Правительство США рассмотрело несколько проектов, которые помогли заглянуть в глубину вопроса, в частности, военное ведомство рассматривало синтетическое топливо в качестве топлива для транспортных средств, чтобы не зависеть от зарубежных поставщиков.
В ходе работы команда Принстона взглянула более широко на эту проблему. В документе, опубликованным журналом Института Инженеров – Химиков в июле, команда ученых пришла к выводу, что для того, чтобы справиться с нуждами на топливо США для транспортных услуг, необходимо построить по всей стране 130 заводов для производства синтетического топлива. В статье оценка выставлена по использованию трех видов топлива: уголь, природный газ и биомассу. Чтобы не переводить землю пригодную для посевов на выращивание растений для синтетического топлива – что нарушило бы поставку продовольственных товаров – исследователи задействовали только несъедобные растения, такие как многолетние травы, остатки от сельскохозяйственных растений и порубочные остатки.
Заводы, которые они смоделировали в проектах, были расположены в непосредственной близости к источникам топлива и его рынкам. Анализ также учитывал внешние расходы, как например, стоимость воды и электричества для подачи питания механизмам заводов.
В конечном итоге, ученые рекомендовали строительство девяти небольших, 74 средних и 47 крупных заводов, которые будут производить 1%, 28% и 71% топлива соответственно. Большинство заводов будут сосредоточены в центральной части страны и на юго-западе. Самый большой показатель по производству топлива у штата Канзас, где планируется построить 11 крупных заводов синтетического топлива. В Техасе планируется построить наибольшее количество заводов, но из-за разбросанности источников топлива друг от друга, все они будут среднего размера.
По мнению ученых, наибольшее влияние на стоимость синтетического топлива будет оказывать стоимость строительства заводов, а уже за ней следуют стоимость биомасс и только затем электричества. По подсчетам, средняя стоимость производства синтетического топлива эквивалентно стоимости барреля сырой нефти составит $95.11, хотя цены будут варьировать по регионам. Например, в Канзасе, стоимость составит $83.58 эквивалентно баррелю сырой нефти, так как там сосредоточена большая часть производства.
По словам Флоудаса, «стоимость производства существенно снизится, если на заводах не будет использоваться биомасса, а только уголь и природный газ, но таким образом теряется большая часть плюсов для окружающей среды.
Флоудас продолжает «если мы хотим на 50% снизить количество выбросов, необходимо использовать биомассу».
В любом случае, синтетическое топливо чище нефтяного. Тяжелые металлы и сера из нефтяного топлива может быть отделена на заводах по производству синтетического топлива, еще до его отправки. По сравнению с биомассами, синтетическое топливо может быть использовано в бензиновых и дизельных двигателях без всяких предварительных модификаций. К примеру, биотопливо этанол обычно смешивают с бензином, но более высокий уровень содержания этанола требует модификаций в двигателях автомобилей и произведения необходимых настроек для запуска авто при низких температурах.
Флоудас сообщает, что синтетическое топливо также позволит снизить выбросы углеводородов из потока машин на дороге. Даже если вся страна немедленно перейдет на абсолютно чистое электрическое топливо или на автомобили на топливных элементах, миллионы людей все еще будут использовать машины с двигателем внутреннего сгорания. А с переходом на синтетическое топливо, у страны появится возможность уменьшить количество выбросов, даже если их и не удастся полностью избежать.
Как говорит Флоудас, это станет шансом создать новую экономику. Количество импортируемого США топлива очень велико. Какую цену мы за это платим? Какими еще источниками мы можем воспользоваться? И что еще мы можем со всем этим сделать?
http://www.kurzweilai.net/could-synthetic-fuels-eliminate-entire-us-need-for-crude-oil-create-new-economy
США может отказаться от потребности нефтяного топлива, используя комбинации угля, природного газа и непродовольственных растительных культур, чтобы создать синтетическое топливо, которое удалось разработать команде ученых Принстона.
По словам исследователей, помимо выгоды для экономической и национальной безопасности, подобная программа имеет свои плюсы для защиты окружающей среды. Так как растения поглощают диоксид углерода в процессе роста, США может снизить выбросы от транспорта примерно на 50% в течение нескольких последующих декад, используя непродовольственные растительные культуры для создания жидкого топлива.
Синтетическое топливо с легкостью может быть использовано транспортными средствами, так как его можно напрямую использовать в двигателях автомобилей и оно является практически идентичным топливу, вырабатываемому из сырой нефти. Этот факт выделяет синтетическое топливо от доступного в настоящее время биотоплива, например, этанола, который нужно смешивать с газом или для которого нужны определенного вида двигатели.
В серии научных статей за последние несколько лет, команда ученых под руководством Кристодоулоса Флоудаса, профессора химио- и биоинженерии в Принстоне, смоделировала сценарии, по которым США смогла бы использовать синтетическое топливо в автомобилях вместо нефти. Команда Флоудаса также проанализировала вклад, который будут вносить заводы для производства синтетического топлива в местных областях и определили местности, которые не будут за это облагаться чрезмерным налогом на потребление регионального электричества или водоснабжения.
«Целью данного проекта является производство достаточного количества топлива и сокращение выбросов СО2, или эквивалента, примерно на 50%», - говорит Флоудас, профессор Инженерии и Прикладных наук. «Вопрос заключался не только в том, возможно ли будет создать что-то подобное, но и в том, можно ли создать такое топливо по экономически привлекательной цене. Ответ будет утвердительным для обоих случаев.
Как говорит Флуодас, выполнение такого проекта не будет легким и быстрым. В действительности потребуются годы постепенного внедрения технологий синтетического топлива. Согласно подсчетам Флуодаса, этот процесс может занять от 30 до 40 лет, чтобы США смогла полностью перейти на синтетическое топливо. К тому же это будет недешево. Автор оценил всю систему перехода в 1.1 триллион долларов.
Это исследование составляет важную часть окончательного документа недавно разработанного Институтом инженеров – химиков США, крупнейшей национальной ассоциацией инженеров. В документе инженеры – химики призывают к более основательному внедрению новых источников энергии и просят влиятельные в правительстве лица рассмотреть процесс химической конвертации, как возможный метод производства более чистого и дешевого вида топлива.
«Сегодня мы используем так много видов источников энергии», говорит Джун Уиспелвей, директор института и выпускник Принстона (1981 год). «Существуют способы, которые помогут легче внедрить такую топливную систему и сделать ее более эффективной».
Этот документ был составлен Верном Уикманом, одним из напарников исследователя Флуодаса. Уикман, лектор Принстона, бывший директор Мобильного Центра Исследовательской Лаборатории и в прошлом президент Американского института инженеров – химиков.
Уикман считает главной причиной отказа промышленности от использования синтетического топлива его завышенную стоимость. Хотя он говорит, что экономика «все еще находиться на грани», Уикман заметил, что растущие цены на сырое топливо и улучшение эффективности производства синтетического топлива сделали его более доступным, чем это было раньше.
«Главной причиной, по которой мы решили написать данный документ, стало привлечение внимания плановых органов – национальной академии, Департамента Энергии, Агентства охраны окружающей среды, Военного Ведомства, - а точнее, заставить их подумать об этом», - говорит Уикман. Он также добавил, что очень важно, что эти агентства считают «это ключевой связкой использования химических процессов для производства традиционного вида топлива».
Производство бензина, дизеля и авиатоплива по конкурентной цене
Снижение стоимости за полный переход на синтетическое топливо
В исследовании Принстонского университета, команда ученых Флоудаса выяснила, что на заводах по производству синтетического топлива можно производить бензин, дизель и авиационное топливо по конкурентно способной цене, в зависимости от цены сырого топлива и типа исходного продукта, использованного для создания синтетического топлива. Согласно данным управления по информации в области энергетики (УИОЭ), около двух третей сырой нефти в США используется для транспортных услуг. Как сообщает УИОЭ, США также импортирует около 45% от ежегодного объема добываемой нефти.
«Даже учитывая затрачиваемые средства, синтетическое топливо все еще кажется выгодным предприятием» - говорит Ричард Балибан, выпускник кафедры химической и биологической инженерии 2012 года и ведущий автор нескольких исследований команды университета. По его словам, «пока стоимость сырой нефти колеблется между $60 и $100 за баррель, производство синтетического топлива все еще экономически конкурентно, в зависимости от стоимости источника сырья»
Жар + химия —> топливо
Главная идея этого проекта заключается в технике использования жара и химии для создания бензина и других видов жидкого топлива из высоко углеродных источников сырья, варьирующих от угля до прутьевидного просо, типичного вида травы Северной Америки, распространенного на великих равнинах. Этот метод под названием процесс Фишера – Тропша был открыт в Германии в 1920 году, как способ превращения угля в жидкое топливо.
Химическая сторона этого процесса очень запутанна, но в ее основу входит углерод и водород из источника топлива, которые вновь соединяют в сложные цепочки, которые производят такие виды топлива как бензин и дизельное топливо. В сущности, источник топлива разогревается до 1000-1300 градусов по Цельсию и превращается в «водяной газ», который затем с помощью процесса Фишера – Тропша преобразуется в сложные цепочки углеводородных молекул.
Затем эти углеводородные цепочки проходят процесс катализации, для чего используют никель или железо. На выходе реакции получается топливо, воск и смазочные материалы, которые обычно получаются из сырой нефти.
Команда Принстонского Университета добавила в этот процесс еще один шаг для рециркуляции СО2, чтобы уменьшить количество выпускаемого растениями газа. По словам Балибана возможно экономично переработать только ограниченное количество СО2, хотя растения могут уловить оставшиеся выбросы СО2 для дальнейшего хранения.
С течением времени инженерам удалось усовершенствовать изначальный метод Фишера-Тропша, что помогло улучшить его эффективность. Но высокая стоимость строительства заводов для производства синтетического топлива, даже с учетом низкой стоимости сырой нефти, сделала производство синтетического топлива слишком дорогостоящим для широкого распространения.
Если цена на нефтяное топливо увеличится, то, возможно, использование синтетического топлива станет более практичным. Правительство США рассмотрело несколько проектов, которые помогли заглянуть в глубину вопроса, в частности, военное ведомство рассматривало синтетическое топливо в качестве топлива для транспортных средств, чтобы не зависеть от зарубежных поставщиков.
В ходе работы команда Принстона взглянула более широко на эту проблему. В документе, опубликованным журналом Института Инженеров – Химиков в июле, команда ученых пришла к выводу, что для того, чтобы справиться с нуждами на топливо США для транспортных услуг, необходимо построить по всей стране 130 заводов для производства синтетического топлива. В статье оценка выставлена по использованию трех видов топлива: уголь, природный газ и биомассу. Чтобы не переводить землю пригодную для посевов на выращивание растений для синтетического топлива – что нарушило бы поставку продовольственных товаров – исследователи задействовали только несъедобные растения, такие как многолетние травы, остатки от сельскохозяйственных растений и порубочные остатки.
Заводы, которые они смоделировали в проектах, были расположены в непосредственной близости к источникам топлива и его рынкам. Анализ также учитывал внешние расходы, как например, стоимость воды и электричества для подачи питания механизмам заводов.
В конечном итоге, ученые рекомендовали строительство девяти небольших, 74 средних и 47 крупных заводов, которые будут производить 1%, 28% и 71% топлива соответственно. Большинство заводов будут сосредоточены в центральной части страны и на юго-западе. Самый большой показатель по производству топлива у штата Канзас, где планируется построить 11 крупных заводов синтетического топлива. В Техасе планируется построить наибольшее количество заводов, но из-за разбросанности источников топлива друг от друга, все они будут среднего размера.
По мнению ученых, наибольшее влияние на стоимость синтетического топлива будет оказывать стоимость строительства заводов, а уже за ней следуют стоимость биомасс и только затем электричества. По подсчетам, средняя стоимость производства синтетического топлива эквивалентно стоимости барреля сырой нефти составит $95.11, хотя цены будут варьировать по регионам. Например, в Канзасе, стоимость составит $83.58 эквивалентно баррелю сырой нефти, так как там сосредоточена большая часть производства.
По словам Флоудаса, «стоимость производства существенно снизится, если на заводах не будет использоваться биомасса, а только уголь и природный газ, но таким образом теряется большая часть плюсов для окружающей среды.
Флоудас продолжает «если мы хотим на 50% снизить количество выбросов, необходимо использовать биомассу».
В любом случае, синтетическое топливо чище нефтяного. Тяжелые металлы и сера из нефтяного топлива может быть отделена на заводах по производству синтетического топлива, еще до его отправки. По сравнению с биомассами, синтетическое топливо может быть использовано в бензиновых и дизельных двигателях без всяких предварительных модификаций. К примеру, биотопливо этанол обычно смешивают с бензином, но более высокий уровень содержания этанола требует модификаций в двигателях автомобилей и произведения необходимых настроек для запуска авто при низких температурах.
Флоудас сообщает, что синтетическое топливо также позволит снизить выбросы углеводородов из потока машин на дороге. Даже если вся страна немедленно перейдет на абсолютно чистое электрическое топливо или на автомобили на топливных элементах, миллионы людей все еще будут использовать машины с двигателем внутреннего сгорания. А с переходом на синтетическое топливо, у страны появится возможность уменьшить количество выбросов, даже если их и не удастся полностью избежать.
Как говорит Флоудас, это станет шансом создать новую экономику. Количество импортируемого США топлива очень велико. Какую цену мы за это платим? Какими еще источниками мы можем воспользоваться? И что еще мы можем со всем этим сделать?
http://www.kurzweilai.net/could-synthetic-fuels-eliminate-entire-us-need-for-crude-oil-create-new-economy
Комментарии (0)