Топливные баки будущего принадлежат метанолу

«За пределами нефти и газа: метаноловая экономия»

Во-первых, Олах показывает, что метанол, он же метиловый спирт, потребует очень незначительных модификаций как для существующих двигателей, так и для заправочной инфраструктуры. Во-вторых, в его производстве может быть использован даже углекислый газ, источник глобального потепления.

Преимущества метанола известны давно — однако новые подвижки в синтезе метанола и устройстве топливных элементов делает этот вид топлива еще привлекательнее.

В настоящий момент 90% мирового производства метанола (CH3OH) использует в качестве сырья метан (CH4), основной компонент природного газа. Технология современного производства метанола включает в себя две стадии: превращение метана в синтетический газ — смесь прежде всего окиси углерода и водорода — с последующей перегонкой его в метанол. Хотя эффективность этого процесса со временем возросла, избавление от промежуточного производства синтетического газа сэкономило бы огромные средства: этот процесс составляет до 70% стоимости производства метанола.

 В попытке избавится от этих расходов Олах и его коллеги исследовали различные способы преобразования метана непосредственно в метанол. «Берешь метан и засовываешь в него хотя бы один атом кислорода, — говорит Олах. —Легко сказать, да трудно сделать». Проблема в химической инертности метана, склонного соединяться с кислородом только при высоких температурах. На помощь приходит катализатор, но катализаторы, применяемые сегодня на практике, сами работают при температуре не меньше, а то и больше 300 градусов по Цельсию. При такихъ температурахъ большая часть полученного метанола оксидирует в двуокись углерода и воду. Выход метанола может падать до 2%.

 Недавно открытые низкотемпературные катализаторы приносят лучшие результаты, утверждает Рой Периана, адъюнкт-профессор в том же университете Южной Калифорнии, где проводит свои исследования Олах. Используя катализатор на основе платины, растворенный в серной кислоте при температуре в 200 градусов по Цельсию, Периана достиг более чем 70-процентного выхода метанола. В данный момент он ищет менее дорогостоящие катализаторы, и уже нашел несколько многообещающих вариантов.

 Но Олах со своим коллегой Сурьей Пракашем, профессором химии в том же университете, разработали альтернативную технологию по преобразованию метана в метанол. В ней используются галогены, такие как бром. В присутствии особых катализаторов и при температуре менее 250 градусов метан вступает в реакцию с бромом, образуя бромистый метил (CH3Br) и бромистый водород (HBr). Затем бромистый метил вступает в реакцию с водой и образует метиловый спирт. Бром из бромистого водорода поддается восстановлению посредством реакции с воздухом и повторному использованию.

 Выработка метанола из природного газа — зависимая от ископаемого топлива и увеличивающая содержание углекислого газа в атмосфере — всего лишь первая ступень, утверждает Олах. Химикам давно известно, что метанол можно получить соединением углекислого газа с водородом. Этот процесс требует значительного расхода энергии, чтобы извлечь тот же водород из воды, однако эту энергию возможно получать из неуглеродных источников, таких как атомная энергия или энергия ветра. Двуокись углерода можно добывать из топочного газа, а потом и прямо из атмосферы, говорит Олах.

 В такой системе углекислый газ, высвобождаемый сжиганием метанола, нейтрализуется добычей его же для нужд производства. Процесс тогда может считаться неуглеродным, и полученный метанол окажется подходящей заменой горючему на основе нефти.

Хотя пробный экзмепляр Necar5 компании DaimlerChrysler успешно работал на метаноле, в Daimler предпочитают разрабатывать тему водорода

Олах подчеркивает, что метанол, произведенной по такой схеме, будет не новым источником энергии, а просто удобным способом хранить энергию. Его преимущество над водородом — в возможности использовать уже существующие двигатели и инфраструктуру, подвергнув их минимальным изменениям.

 А в сочетании с топливными элементами нового типа, — дополняет Пол Эриксон, адъюнкт-профессор в Калифорнийском университете г. Дэвис,— метанол тем более лучше в качестве автомобильного горючего. Топливные элементы, преобразующие химическую энергию непосредственно в электричество, более эффективны, чем двигатели, сжигающие горючее. В качестве экологически чистой и эффективной альтернативы бензиновым двигателям внутреннего сгорания особым вниманием пользуется водородный топливный элемент. В лаборатории Эриксона имеется действующий автобус на водородных топливных элементах с реактором «на борту». Реактор «переделывает» метанол в водород для топливных элементов. «Мы категорически избегаем хранения водорода», — говорит Эриксон.

 Однако передвижной реактор требует места и энергии. В 1993 году Пракаш, Олах и коллектив лаборатории Jet Propulsion в Пасадене, Калифорния, совместно изобрели топливный элемент работающий сразу на смеси метанола с водой. Между положительным и отрицательным электродами элемента располагается мембрана, пропускающая от одного электрода к другому только протоны метанола. Однако поначалу мембраны работали несовершенно, пропуская метанол, и в 2001 году Пракаш с коллегами разработали новую мембрану, более дешевую и более эффективную. С этой мембраной топливные элементы, работающие сразу на метаноле, дают кпд в 35%, в два раза больше кпд двигателя внутреннего сгорания, но еще очень мало в сравнении с теоретическим максимумом в 97%.

 Пока что метаноловые топливные элементы слишком дороги для использования в пассажирских автомобилях. Высокая цена определяется прежде всего стоимостью платины и рутения, используемых в качестве катализаторов. Пракаш со своими коллегами работают над уменьшением необходимого количества катализатора: делают его более активным, увеличивают отношение его поверхности к объему и задействуют нанотехнологии. Достигнув зрелости, эта технология должна вытеснить водородные топливные элементы, по мнению Эриксона. «Недорогие, высокопроизводительные метаноловые топливные элементы — настоящий Грааль», — заявляет он.