Воспоминания о будущем

Безусловно, основные направления и тенденции этого развития хорошо известны. Мы неоднократно писали о них на страницах нашего журнала. Вот что говорит по этому поводу генеральный директор «Шелл Нефть» Вильям Козик:

– Последние тенденции в области двигателестроения – уменьшение рабочего объема двигателей и повышение требований к эффективности их работы – ставят перед производителями смазочных материалов трудные задачи. Именно поэтому разработка новых технологий является для нас приоритетным направлением деятельности.

Но как на эти тренды отвечают инженеры и конструкторы? К чему они готовятся? Какие решения и на базе чего могут предложить? Прежде чем ответить на эти и многие другие вопросы, нужно предельно точно понять, для какой среды, для какого социума предстоит внедрять эти решения.

Многообразие путей

Доктор Вольфганг Варнеке, главный научный сотрудник подразделения мобильности концерна «Шелл», а также старший технический менеджер концерна «Шелл» в области долгосрочных разработок топлив и инноваций, четко обозначает границы рассматриваемой временной перспективы 2050 годом. По его мнению, основанному на экспертных оценках специалистов в различных областях деятельности, к этому времени население Земли вырастет до 9 млрд человек, произойдет двукратный рост спроса на энергоносители, доля городского населения достигнет 75%, а число автомобильной техники составит 2 млрд единиц. Это приведет к увеличению потребления энергии, и, следовательно, возрастет потребность в топливе и смазочных материалах. При этом все создаваемые продукты, конечно же, должны соблюдать постоянно ужесточающиеся требования по охране окружающей среды. Совокупность озвученных факторов представляет собой энергетическую проблему, решение которой невозможно без использования инновационных технологий.

В «Шелл» процесс разработки инноваций поставлен буквально на поток, поскольку данная отрасль развивается фантастическими темпами. Этот механизм можно представить в виде некой турбины, обеспечивающей непрерывное совершенствование. Отправной точкой для старта любого проекта в области НИОКР служат бизнес-факторы – основные, передовые, перспективные. После их оценки и анализа запускаются научно-изыскательные работы, которые подразделяются на четыре этапа: открытие, разработка, демонстрация и внедрение. Данная схема очень эффективна, но требует значительных финансовых вложений. Например, в 2013 г. инвестиции концерна в НИОКР составили 1,3 млрд долларов.

К тому же надо понимать, что даже самые передовые разработки не сразу получают широкое применение и распространение в повседневной жизни. Вольфганг Варнеке приводит такие примеры. В частности, скажем так, «инкубационный период» (отработка технологий, создание первых опытных образцов, оценка полученных результатов, осторожное внедрение первых промышленных объектов и т.д.) атомной энергетики, прежде чем она вышла на поставку энергоресурсов в промышленных объемах, продолжался около 20 лет, с 60-х до 80-х гг. прошлого века. Примерно такие же сроки характерны для СПГ (сжиженного природного газа), солнечной энергетики. У биотоплива первого поколения, ветроэнергетики этот период занял еще больше времени.

То есть внедрение инноваций в современную реальность занимает достаточно много времени. Вольфганг Варнеке:

– Не стоит ждать, что, например, использование биотоплива (имеется в виду биотопливо второго поколения. – Прим. ред.) в промышленных масштабах начнется через 2–3 года. Оно обязательно придет в нашу жизнь, но случится это через 20–30 лет.

Это действительно так, потому что список задач, стоящих перед современным транспортным сектором, достаточно многообразен. В контексте наличия энергоносителей и топлива надо понять, какие энергоносители смогут оптимально обеспечить растущие потребности. С точки зрения владельцев транспортных средств, важность имеет оптимальное сочетание ТС и топлива, обеспечивающее доступную мобильность. В целом рост населения Земли и урбанизация требуют выработки новых концепций мобильности, которые, скорее всего, серьезно изменят транспорт в крупных городах.

Вопросы экологии: снижение вредных выбросов и парниковых газов – ставят вопрос о сочетании ТС и топлива, обеспечивающем наименьший уровень выбросов. Развитие новых технологий в автомобилестроении нуждается в удовлетворении его потребностей в русле передовых, инновационных решений, таких как ТС с автоматическим управлением, непрерывное сетевое управление, системы безопасности (ночного видения, активного торможения, автоматического управления дистанцией, системы устойчивости ТС…). Ну и наконец, смена потребительских предпочтений и общество диктуют новый подход к мобильности – «транспорт по требованию». При этом надо понимать, какие факторы влияют на принятие обществом новых видов топлива и ТС.

Но каковы бы ни были запросы, требования, предпочтения и проч., уже сейчас понятно, что на ближайшую обозримую перспективу как минимум единая альтернатива для автотранспортного топлива из нефти отсутствует. То есть универсального решения попросту нет. Технологическое поле представляет собой своего рода мозаику – мозаику возможных решений в отношении видов ТС и топлива. Разные страны и регионы будут выбирать различные варианты. Поэтому предполагается использование разных вариантов ТС и топлива в каждой отдельной стране. И пока в транспортном секторе преобладает топливо, полученное из нефти, есть возможность параллельно опытно-прикладным путем исследовать все варианты двигателей и видов топлива, включая водород и электричество.

Исследователей подстегивают законодательство и прочие рыночные факторы. Как уже было отмечено, ужесточаются нормативы в области топливной экономичности и уровня выбросов CO₂. Происходят соответствующие изменения в технологии двигателей и автомобилей, включая двигатели с турбонаддувом. Обновляются отраслевые требования и стандарты, появляются новые типы топлива и сортов ГСМ. А уж о непрерывном повышении технических и эксплуатационных характеристик автомобилей и говорить не приходится. Причем в России значительное влияние имеет еще и такой фактор, как высокий средний возраст автопарка. По данным «Автостата», средний возраст автомобилей российского производства в России – 14,9 года, средний возраст автомобилей иностранного производства – 9 лет.

Впрочем, Вольфганг Варнеке уверен – в рассматриваемой перспективе доминирование жидкого топлива для ТС сохранится. Да, сектор легковых автомобилей претерпит самые кардинальные изменения, но преобладать по-прежнему будут машины с двигателем внутреннего сгорания, несмотря на то что доля автомобилей с электрическими и водородными двигателями увеличится. Биотопливо и дизтоплива будут занимать где-то по 25% каждое, на бензин придется около 20%, примерно 5% отвоюет себе водород, и оставшуюся четверть в различных долях разделят все остальные виды жидкого топлива с доминированием авиакеросина.

Говоря об особенностях каждого из видов такого топлива, Вольфганг Варнеке указывает:

– Синтетическое жидкое топливо обеспечивает диверсификацию источников поставок дизельного топлива и является альтернативой стандартному дизтопливу. Может использоваться в смеси с обычным дизтопливом и/или биотопливом и в одних и тех же автомобилях и инфраструктуре. Увеличится роль природного газа в диверсификации источников транспортного топлива за счет использования сжиженного природного газа и компримированного природного газа (КПГ). Причем смешивание компонентов жидкого углеводородного топлива с устойчивыми видами биотоплива является наиболее реалистичным решением по снижению выбросов CO₂ в транспортом секторе в ближайшие 20 лет.

Двигатели на водородных топливных элементах могут внести серьезный вклад в снижение уровня вредных выбросов и диверсификацию транспортного сектора после 2025 г. При этом их влияние на общие объемы выбросов CO₂ зависит от технологии производства и поставок водорода. Электромобили не дают выбросов при использовании, но их вклад и вклад а/м с гибридными двигателями в снижение уровня выбросов CO₂ в значительной степени зависят от мер по снижению выбросов CO₂ при производстве электроэнергии.

Более подробно рассматривая различные виды топлива, Вольфганг Варнеке подчеркивает, что СПГ как транспортное топливо имеет не только преимущества, но и ряд определенных сложностей, связанных с его широким распространением. С одной стороны, в месторождениях в Северной Америке имеются значительные запасы. По стоимости СПГ дешевле дизельного топлива. А применение СПГ гарантирует снижение уровня выбросов окислов азота, оксида серы и твердых примесей.

Но технологии СПГ пока еще в стадии разработки. К тому же требуются вложения в создание надежной инфраструктуры и законодательная база для ускорения процесса создания инфраструктуры и рынка.

Поэтому, по мнению Вольфганга Варнеке,  наиболее перспективная технология ближайших лет – газожидкостная конверсия (Gas-To-Liquids (GTL)),  позволяющая конвертировать природный газ в синтетическое жидкое топливо, превосходящее по своим свойствам продукты нефтепереработки. «Шелл» является мировым лидером в разработке и применении этой  технологии, на разработку которой специалистам концерна потребовалось более 35 лет.

Передовая технология

Первый завод, использующий технологию GTL, был построен концерном  «Шелл» в 1993 г. в Малайзии. Объем производства синтетического жидкого топлива составлял  14,7 тыс. баррелей продукции в сутки. В 2011 г. в Катаре «Шелл» открыл крупнейший в мире завод по производству синтетических жидких продуктов из природного газа. Ежедневно предприятие уже производит около 140 тыс. баррелей синтетического жидкого топлива.

Существует несколько причин, способствующих развитию GTL-технологий. Первой из них, а может быть, и главной, является доставка газа из отдаленных районов добычи. По оценкам специалистов, до 60% разведанных запасов газа расположены на большом расстоянии от конечного потребителя. Прокладка газопроводов к ним зачастую экономически необоснованна, несмотря на то что издержки их строительства неуклонно снижаются. Если бы этот газ можно было с низкими затратами преобразовывать в жидкость, его транспортировка до потребителя приобрела бы большую привлекательность. Помимо этого, в ряде других случаев это поможет решить и экологические вопросы, так как отпадет необходимость сжигать попутный нефтяной газ, как это делается, например, на месторождениях Западной Африки. Тем более это позволит использовать ранее уничтожавшиеся углеводороды.

Вторым из аспектов являются растущие цены на нефть. В середине 1990-х, когда мировая цена на нефть составляла 15 долл./баррель, GTL-технологии казались непривлекательными. Сегодня, когда она колеблется на уровне 100 долл./баррель, применение их кажется насущной необходимостью. Тем более уже идут дискуссии, в каком году мировое производство нефти достигнет своего максимума. Однако специалисты нефтедобывающих компаний сходятся в том, что снижение мирового производства нефти можно будет наблюдать уже через 5–10 лет. Для того чтобы, по крайней мере, возместить это снижение, потребуется увеличение объемов производства продуктов, полученных из других – не «нефтяных» – углеводородных источников.

Третьей причиной является качество продуктов переработки. Общеизвестно, что GTL-синтез лучше, чем очистка. В синтезируемых продуктах намного легче контролировать уровень содержания примесей. Это значит, что они в принципе намного чище, чем нефтепродукты, произведенные традиционным путем. Это может быть актуально для европейских производителей дизельного топлива, которые вынуждены были резко увеличить издержки на его очистку в связи с введением ограничений на содержание серы и ароматических составляющих топлива. При этом доля поставок сырой нефти с низким содержанием серы на европейский рынок снижается из года в год, и эта динамика, по всей видимости, продолжится. К тому же синтетическое дизельное топливо, производимое из сжиженных углеводородов, имеет более высокое цетановое число – около 70, в сравнении с 55 для топлива, полученного обычным путем. Таким образом, экономия на очистке составляет 5–10 долл./баррель.

По большому счету существуют три типа технологий, позволяющих превращать углеводороды из природного газа в синтетические жидкие продукты, это:

– прямая конверсия природного газа;

– непрямая конверсия через синтез-газ;

– синтез метанола из синтез-газа.

Прямая конверсия метана позволяет производить дешевый синтез-газ, но сама реакция конверсии, имея высокую энергию активации, практически не поддается контролю. Был разработан ряд процессов прямой конверсии, но они так и не нашли широкого коммерческого применения. В результате предпочтение отдается двум другим способам, ключевым звеном в которых является получение синтез-газа.

При получении синтез-газа природный газ преобразуют в водород и угарный газ путем частичного окисления, парового риформинга или комбинации обоих процессов. Ключевым критерием использования того или иного процесса является соотношение водорода и угарного газа. При применении наиболее эффективного синтеза – процесса Фишера – Тропша (Fischer-Tropsch synthesis) это соотношение составляет примерно 2:1, при паровом риформинге оно составляет 5:1. Для удаления водорода в этом случае используются мембраны или метод адсорбции, основанный на колебаниях давления (pressure swing adsorption). Ради экономии избыточный водород утилизируется на соседних нефтеперерабатывающих или аммиачных производствах.

В отсутствие такой возможности наиболее предпочтительным процессом является  процесс Фишера – Тропша. Здесь возможны два варианта: использование чистого кислорода и использование кислорода воздуха. Во втором случае полученный синтез-газ  менее насыщен, а в первом требуется строительство воздухоразделительной установки, что увеличивает объемы требуемых инвестиций и издержки.

Технология Фишера – Тропша сама по себе дорогая. Ее разработка и применение оправдывались большей частью стратегическими целями государств, у которых не было доступа к нефтяным запасам, например Германия времен войны. Однако с развитием промышленности и технологий появлялись процессы, основанные на технологии Фишера – Тропша, издержки использования которых были существенно ниже.

Технология Фишера – Тропша основана на реакции восстановительной олигомеризации монооксида углерода, и типы продуктов реакции зависят от температуры самой реакции.

По большому счету существуют три типа конверсионных реакторов для этой технологии. Самый старый из них – реактор с неподвижным слоем типа Arge, где используются трубки с наполненным катализатором; суспензионно-пузырьковый реактор, где используются катализаторы, находящиеся в восковой матрице; и реактор на жидкой основе, где газ продувается через подвижную основу твердых частиц катализаторов.

Синтез продуктов средней фракции Shell является одним из видов процесса Фишера – Тропша и направлен не на получение бензина, а на синтез продуктов средней фракции, таких как керосин и газойль. Данный процесс известен уже 50 лет, но только в 1993 г. он нашел коммерческое применение – на уже упоминавшемся заводе в Малайзии. В сущности, он состоит из трех этапов: производство синтез-газа с соотношением водорода и угарного газа 2:1; конверсия синтез-газа до углеводородов с высокой молекулярной массой посредством использования процесса Фишера – Тропша и применения высокоактивных катализаторов; гидрокрегинг и гидроизомеризация для максимизации содержания продуктов средней фракции.

К основным GTL-продуктам относятся:

 ● синтетическая нефть (обладает очень низким содержанием серы и благоприятным соотношением углеводородных компонентов, превосходит по характеристикам основные марки нефти: арабскую, Brent, WTI);

 ● базовые масла (полупродукт для получения смазочных материалов для двигателей; компания Shell является мировым монопольным производителем масла по технологии GTL);

 ● парафины и церезины (используются для производства синтетических моющих средств, причем ими можно заменить аналогичные парафины, производимые на нефтеперерабатывающих заводах из дефицитных керосиновых фракций переработки нефти);

 ● газойль (используется для выпуска высококачественного дизельного топлива, практически не содержащего серы и имеющего низкое содержание ароматических углеводородов);

 ● керосин (имеет высокие эксплуатационные характеристики, может быть использован в качестве топлива для реактивных самолетов или как добавка к нефтяному реактивному топливу).

В заключение остается сказать, что «Шелл» провел испытания в таких перенасыщенных транспортом  мегаполисах, как Лондон, Берлин и Шанхай, и эксперимент показал, что транспорт, работающий на синтетическом жидком топливе, экологически чище. С целым рядом потребителей в крупных городах уже заключены контракты на поставки синтетического жидкого топлива.