Нефть из угля
Уголь - надежный источник энергии, но, к сожалению, не самый удобный. Жидкое топливо наиболее технологично, менее загрязняет окружающую среду, наконец, к нему привыкли и приспособились в самых различных отраслях техники: например, почти все количество топлива, потребляемого сегодня в развитых странах на транспорте, получают из нефти.
Такое сопоставление источников энергии уже давно привело ученых к идее создать способы переработки угля в жидкое топливо, эквивалентное нефти.
Вот один из наиболее усиленно разрабатываемых сегодня способов. В присутствии кислорода и водных паров уголь сжигают. Газ представляет собой смесь водорода и окислов углерода.
Далее в присутствии катализаторов компоненты этой смеси вступают между собой в реакцию гидрогенизации.
В итоге получается метиловый спирт (метанол, как кратко называют его химики; заметим попутно, что он представляет собой четвертый по объему мирового производства и, стало быть, очень важный продукт органической химии). Из метанола же можно получить настоящий заменитель нефтяного топлива - смесь углеводородов, сходную по своим характеристикам с высокосортным нефтяным топливом. Для этого необходимо провести определенную перестройку молекул метанола на катализаторах. По ходу перестройки в качестве побочного продукта получается много воды. Ее нужно отделить от образующегося топлива. Вопрос этот нелегкий, но принципиально уже решен, хотя и таким путем, что получаемый заменитель нефти еще очень дорог. Нужно искать более дешевые способы, а заодно работать над повышением эффективности и долговечности катализаторов, увеличением выхода целевых продуктов и т. д. Проблемы тут не только технологические, но и научные, требующие активного участия химиков. Надо лучше знать структуру угля, природу существующих в нем химических связей, его реакционную способность. Все это позволит подбирать наилучшие катализаторы и направлять реакции по оптимальным путям.
В последние годы больших успехов в области газификации углей и получения жидкого топлива добились ученые из
Московского института горючих исколаемых. Во всем мире получили признание применяемые в подобных процессах селективные цеолитные катализаторы, в разработку которых внес весомый вклад академик X. Миначев, работающий в Институте органической химии АН СССР. Фирма "Мобил Ойл"
получает на цеолитных катализаторах топливо высокого качества, которое невозможно получить иными способами. Из 1000 тонн метанола при этом образуется 438 килограммов углеводородов и 562 килограмма воды. В конечном итоге можно получать и высокооктановый бензин, и керосин, и дизельное топливо.
Известен и прямой способ сжижения углей. Здесь сначала готовится кашица из измельченного угля с добавкой нефти. Затем при высоких температурах и давлениях, в присутствии катализатора (а в некоторых вариантах процесса еще и водорода).
В этом направлении ученые продвинулись вперед настолько, что уже имеются полупромышленные установки, реализующие этот процесс. Они построены в США, ФРГ, а также в Австралии (в сотрудничестве с японскими фирмами). Однако до сих пор еще нет ни одного рентабельного завода по сжижению углей прямым способом.
Показателем рентабельности был бы тот факт, что подобный завод обеспечивал бы себя энергией и водородом, который необходим для доводки углеводородных молекул до нужной величины и структуры. Для этого необходимо, чтобы выход жидкого продукта был не менее 50 процентов. Другая важная и пока не решенная проблема - отделение продуктов реакции от непрореагировавшего угля и золы. Неясно также, как использовать обширные отходы процесса.
Большого внимания заслуживают сланцы и нефтяные пески как будущие источники энергии. Ведь их хватило бы человечеству на добрую тысячу лет.
В освоении сланцев ведущее место в мире занимает наша страна. Фундаментальные принципы получения ценных продуктов из сланцев (не только для энергетики, но также для нефтехимии и органического синтеза) заложены работами эстонских ученых и ученых из Ленинградского технологического института.
Топливные плантации
Для получения жидкого топлива, заменяющего нефть, разумеется, можно использовать не только уголь. Голландский химик С. де Витт доказывает, что вполне успешные результаты достижимы, если брать за основу некоторые виды тропических растений. В практических опытах до сих пор удалось получить за год чуть более кубометра эрзац-нефти с гектара, засеянного такими растениями. Однако ученые полагают, что биотехнология позволит повысить "урожайность" нефтяных плантаций в два-три раза.
Если расценивать подобные эксперименты в плане обобщения, то можно предвидеть, что в будущем многие десятки тысяч гектаров малоценных земель и лесов станут источниками жидкого топлива.
Переработка зеленой биомассы в топливо заключается в газификации древесины и ферментации Сахаров.
В качестве целевого продукта необяза
тельно мыслить лишь углеводороды.
Известны и другие органические вещества, которые по своим энергетическим свойствам близки к нефти: эфиры, кетоны или спирты (метанол, этанол, бутанол). Спирты имеют очень высокое октановое число, что является важнейшей целью при разработке заменителей высококачественного топлива.
Ферментацией отходов сахарного тростника только в 1981 году в Бразилии было получено 4,2 миллиона литров этанола. На этом топливе работают все автобусы крупнейших бразильских городов Сан-Паулу и Рио-де-Жанейро, а также многие автомобили в целом по стране. В США этанол получают из отходов кукурузы. На Филиппинах масло кокосовых орехов смешивают с дизельным топливом. В 1982-1983 годах это позволило сэкономить стране 2,2 процента дизельного топлива.
В ряде стран из сельскохозяйственных отходов получают метан, который затем используют в качестве топлива.
На филиппинском острове Лусон так работает котельная, подающая горячую воду в сто домов круглый год.
В период с 1977 по 1982 год Япония снизила количество нефти, которое идет на топливо, с 74,5 до 62 процентов, а к 1990 году надеется довести этот показатель до 50 процентов. Здесь из рисовой соломы получают этанол, из сельскохозяйственных отходов - ацетон и бутанол. Значительны успехи биотехнологии в США, ФРГ, Англии, Франции. В лабораторных условиях здесь получают из биомассы метанол, этанол, этилен, пропилен, бутадиен, метан, ароматические соединения и другие виды альтернативного по отношению к нефти топлива.