Автомобильный двигатель как химический реактор: модульная технология Emvolon

Снижение выбросов метана — одна из ключевых задач климатической политики. На горизонте 20 лет его согревающее воздействие примерно в 84 раза выше, чем у углекислого газа.

При этом метан — основной компонент природного газа и ценное химическое сырье. Проблема заключается в том, что многие антропогенные источники метана, включая свалки, фермы и нефтегазовые скважины, сравнительно невелики и удалены друг от друга. Традиционные химические предприятия, напротив, рассчитаны на крупные централизованные потоки сырья. Сбор и транспортировка газа к таким заводам часто обходятся слишком дорого, поэтому метан нередко сжигают на факелах непосредственно на месте.

Компания Emvolon предлагает перерабатывать его там, где он образуется. В основе технологии — переоборудованные автомобильные двигатели, работающие как модульные химические реакторы. Получаемые продукты, в частности метанол, можно вывозить с площадки в стандартных транспортных контейнерах.

По словам соучредителя и генерального директора Emvolon Эммануэля Кассериса, такой подход одновременно решает две задачи: сокращает распределенные выбросы метана и обеспечивает топливом отрасли, которые сложно электрифицировать. К ним относятся судоходство, авиация, железнодорожный и большегрузный автомобильный транспорт. По приведенной им оценке, на эти отрасли приходится около 15% глобальных выбросов парниковых газов, еще примерно 15% связаны с распределенными источниками метана.

Использование серийных двигателей и размещение оборудования рядом с источником газа позволяют отказаться от строительства трубопроводов и другой дорогостоящей инфраструктуры. Компания также рассматривает возможность производства аммиака из водорода, полученного с помощью ветровой и солнечной энергии. Такой аммиак может использоваться как топливо и как сырье для выпуска удобрений с меньшим углеродным следом.

От двигателя внутреннего сгорания к химическому реактору

Кассерис начал работать в MIT в 2004 году как аспирант по машиностроению. В своей докторской диссертации он занимался повышением топливной эффективности двигателей внутреннего сгорания, а после выпуска продолжил работу в промышленности.

Примерно в 2014 году инженер Лесли Бромберг, много лет работавший в Центре плазменной науки и термоядерного синтеза MIT, предложил использовать двигатель внутреннего сгорания в качестве химического реактора. Бромберг проверил концепцию в проекте, финансируемом Министерством энергетики США: дизельный двигатель применялся для риформинга метана — реакции, в которой метан взаимодействует с паром и кислородом с образованием водорода.

В 2016 году Кассерис вернулся в MIT в качестве научного сотрудника. Позднее разработчики лицензировали технологию университета и создали Emvolon. Компания продолжила сотрудничество с MIT, в том числе через проекты с участием почетного профессора Джона Хейвуда, программу Venture Mentoring Service и Industrial Liaison Program.

Как работает установка

Стандартный автомобильный двигатель переводят в режим богатой топливной смеси, при котором топлива подается больше, чем требуется для полного сгорания. В результате метан не превращается полностью в углекислый газ и воду, а частично окисляется с образованием оксида углерода и водорода.

Эта смесь, известная как синтез-газ, служит промежуточным сырьем для получения различных химических продуктов. Последующие реакции проходят в оборудовании, расположенном рядом с двигателем, который одновременно обеспечивает установку энергией.

Автономная система Emvolon помещается в 40-футовый транспортный контейнер. По данным компании, одна такая установка может перерабатывать 300 000 стандартных кубических футов метана и выпускать около 8 тонн метанола в сутки.

Первым целевым продуктом Emvolon стал метанол. Его можно использовать как топливо в судоходстве и большегрузном транспорте, а также как сырье для производства других химических продуктов, включая компоненты экологически более чистого авиационного топлива. Спрос на такой метанол компания связывает прежде всего с задачами декарбонизации морских перевозок.

Emvolon также получила грант Министерства энергетики США на адаптацию процесса для производства жидкого топлива с использованием солнечной и ветровой энергии. В дальнейшем компания планирует работать с другими видами сырья, включая биомассу и водород из возобновляемых источников, а перечень продуктов расширить за счет аммиака.

От опытной установки к коммерческому проекту

В штаб-квартире Emvolon в Вобурне, штат Массачусетс, построена система производительностью до шести баррелей метанола в сутки. Площадь площадки составляет 5000 квадратных футов.

Компания рассчитывает снижать риски масштабирования за счет модульной конструкции. По словам Кассериса, если процесс стабильно работает в одном цилиндре, его можно перенести на многоцилиндровый двигатель без принципиального изменения технологии.

Следующий этап — демонстрационная установка коммерческого масштаба на свалке в Техасе. Проект реализуется по соглашению с Montauk Renewables. На первом этапе предприятие должно выпускать до 15 000 галлонов метанола в год, в дальнейшем мощность планируется увеличить до 2,5 млн галлонов. Дополнительное масштабирование возможно за счет размещения установок на других площадках Montauk.

По оценке Emvolon, инвестиции в одну модульную систему могут составлять от 1 до 10 млн долларов, а развертывание занимать несколько недель. Для сравнения, строительство крупных химических предприятий требует многолетних проектов и вложений в сотни миллионов долларов. Компания утверждает, что серийные двигатели позволяют приблизить капитальные затраты на единицу продукции к показателям крупных заводов, сохранив возможность работать непосредственно рядом с источниками недорогого сырья.