Экономика метанола - это предполагаемая экономика будущего, в которой метанол и диметиловый эфир заменят ископаемое топливо в качестве средства хранения энергии, топлива для наземного транспорта и сырья для синтетических углеводородов и их продуктов. Он предлагает альтернативу предлагаемой экономии водорода или этанола.
В 1990 - х годах, Нобелевский лауреат Джордж А. Олы защищали метанол экономику; В 2006 году он и два соавтора, Г.К. Сурья Пракаш и Ален Гепперт, опубликовали краткое изложение состояния ископаемого топлива и альтернативных источников энергии, включая их доступность и ограничения, прежде чем предложить экономию на метаноле.
Контейнер IBC с 1000 л возобновляемого метанола (энергоемкость такая же, как у 160 единиц 50-литровых газовых баллонов, заполненных водородом под давлением 200 бар)Метанол можно производить из самых разных источников, включая ископаемое топливо ( природный газ, уголь, горючие сланцы, битуминозные пески и т. Д.), А также из сельскохозяйственных продуктов и городских отходов, древесины и разнообразной биомассы. Его также можно получить путем химической переработки углекислого газа.
Метанол - топливо для тепловых двигателей и топливных элементов. Благодаря высокому октановому числу его можно использовать непосредственно в качестве топлива в автомобилях с гибким топливом (включая гибридные и подключаемые гибридные автомобили) с существующими двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Метанол также можно сжигать в некоторых других типах двигателей или для получения тепла при использовании других жидких видов топлива. Топливные элементы могут использовать метанол либо непосредственно в топливных элементах с прямым метанолом (DMFC), либо косвенно (после преобразования в водород путем риформинга) в топливных элементах с реформированным метанолом (RMFC).
Паром с метанольным двигателем (Stena Germanica Kiel) Гоночный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания на метаноле Спортивный автомобиль с реформированным метанольным топливным элементом ( Натали ) Легковой автомобиль с топливным элементом на реформированном метаноле (Necar 5)Метанол уже сегодня широко используется для производства различных химикатов и продуктов. По состоянию на 2015 год мировой спрос на метанол в качестве химического сырья достиг примерно 42 миллионов метрических тонн в год. Благодаря процессу превращения метанола в бензин (MTG) он может быть преобразован в бензин. Используя процесс превращения метанола в олефин (MTO), метанол также можно преобразовать в этилен и пропилен - два химических вещества, производимых в наибольших количествах в нефтехимической промышленности. Это важные строительные блоки для производства основных полимеров (LDPE, HDPE, PP) и, как и другие химические промежуточные продукты, в настоящее время производятся в основном из нефтяного сырья. Таким образом, их производство из метанола может снизить нашу зависимость от нефти. Это также позволило бы продолжить производство этих химикатов, когда запасы ископаемого топлива будут исчерпаны.
Сегодня большая часть метанола производится из метана с помощью синтез-газа. Тринидад и Тобаго в настоящее время является крупнейшим экспортером метанола в мире, экспортируя его в основном в США. Природный газ, который служит сырьем для производства метанола, поступает из тех же источников, что и для других целей. Нетрадиционные ресурсы газа, такие как метан угольных пластов, плотный песчаный газ и, в конечном итоге, очень большие ресурсы гидрата метана, присутствующие под континентальными шельфами морей и сибирской и канадской тундрой, также могут быть использованы для обеспечения необходимого газа.
Обычный путь получения метанола из метана проходит через производство синтез-газа путем парового риформинга в сочетании (или без него) с частичным окислением. Также разрабатываются новые и более эффективные способы превращения метана в метанол. Это включает:
Все эти синтетические пути выделяют углекислый газ CO 2, вызывающий парниковый эффект. Чтобы смягчить это, метанол можно производить способами, минимизирующими выброс CO 2. Одно из решений - производить его из синтез-газа, полученного путем газификации биомассы. Для этой цели можно использовать любую биомассу, включая древесину, древесные отходы, траву, сельскохозяйственные культуры и их побочные продукты, отходы животноводства, водные растения и бытовые отходы. Нет необходимости использовать пищевые культуры, как в случае этанола из кукурузы, сахарного тростника и пшеницы.
Метанол можно синтезировать из углерода и водорода из любого источника, включая ископаемое топливо и биомассу. CO 2, выбрасываемый электростанциями, сжигающими ископаемое топливо, и другими отраслями промышленности, и в конечном итоге даже CO 2, содержащийся в воздухе, может быть источником углерода. Его также можно получить путем химической переработки диоксида углерода, что компания Carbon Recycling International продемонстрировала на своем первом заводе промышленного масштаба. Первоначально основным источником будут дымовые газы с высоким содержанием CO 2 электростанций, работающих на ископаемом топливе, или выхлопные газы цементных и других заводов. Однако в более долгосрочном плане, учитывая уменьшение ресурсов ископаемого топлива и влияние их использования на атмосферу Земли, даже низкая концентрация атмосферного CO 2 может быть уловлена и переработана с помощью метанола, таким образом дополняя собственный фотосинтетический цикл природы. Разрабатываются новые эффективные абсорбенты для улавливания атмосферного CO 2, имитирующие способность растений. Таким образом, химическая переработка CO 2 в новые виды топлива и материалы может стать возможной, что сделает их возобновляемыми в человеческом масштабе времени.
Метанол может быть также получен из СО 2 путем каталитического гидрирования СО 2 с Н 2, где водород был получен от электролиза воды. Это процесс, используемый компанией Carbon Recycling International из Исландии. Метанол можно также производить путем электрохимического восстановления CO 2, если имеется электроэнергия. Энергия, необходимая для этих реакций, чтобы оставаться углеродно нейтральными, будет поступать из возобновляемых источников энергии, таких как ветер, гидроэлектроэнергия и солнечная энергия, а также ядерная энергия. Фактически, все они позволяют хранить свободную энергию в легко транспортируемом метаноле, который немедленно производится из водорода и углекислого газа, вместо того, чтобы пытаться хранить энергию в свободном водороде.
или с помощью электроэнергии
Необходимый CO 2 будет улавливаться из электростанций, работающих на ископаемом топливе, и других промышленных дымовых газов, включая цементные заводы. С уменьшением ресурсов ископаемого топлива и, следовательно, СО 2 выбросов, СО 2 также может быть использовано содержание в воздухе. Учитывая низкую концентрацию CO 2 в воздухе (0,04%), необходимо будет разработать улучшенные и экономически жизнеспособные технологии поглощения CO 2. По этой причине извлечение CO 2 из воды может быть более целесообразным из-за его более высоких концентраций в растворенной форме. Это позволит химически рециркулировать CO 2, имитируя фотосинтез природы.
В крупномасштабных возобновляемых источниках метанол в основном производится из ферментированной биомассы, а также из твердых бытовых отходов (биометанол) и возобновляемой электроэнергии (э-метанол). Затраты на производство возобновляемого метанола в настоящее время составляют примерно от 300 до 1000 долларов США / тонну для биометанола, примерно от 800 до 1600 долларов США за тонну для электронного метанола из двуокиси углерода из возобновляемых источников и примерно от 1100 до 2400 долларов США за тонну для электронного метанола из углерода. диоксид прямого улавливания воздуха.
Метанол, который производится из CO 2 и воды с помощью электричества, называется э-метанолом. Поэтому обычно водород получают электролизом воды, которая затем превращается с помощью CO 2 в метанол. В настоящее время эффективность производства водорода путем водного электролиза электроэнергии составляет от 75 до 85% с потенциалом до 93% до 2030 года. Эффективность синтеза водорода и диоксида углерода метанолом в настоящее время составляет от 79 до 80%. Таким образом, эффективность производства метанола из электроэнергии и углекислого газа составляет от 59 до 78%. Если CO 2 не доступен напрямую, но получается прямым улавливанием воздуха, то эффективность производства метанола с использованием электроэнергии составляет 50-60%. Когда метанол используется в топливном элементе на основе метанола, электрический КПД топливного элемента составляет от 35 до 50% (по состоянию на 2021 год). Таким образом, общий электрический КПД для производства электронного метанола с помощью электричества, включая следующее преобразование энергии электронного метанола в электричество, составляет примерно от 21 до 34% для электронного метанола из непосредственно доступного CO 2 и примерно от 18 до 30% для электронного газа. -Метанол, производимый CO 2, который получают методом прямого улавливания воздуха.
Если отработанное тепло используется для высокотемпературного электролиза или если используется отработанное тепло электролиза, синтеза метанола и / или топливного элемента, то общий КПД может быть значительно увеличен по сравнению с электрическим КПД. Например, общая эффективность 86% может быть достигнута за счет использования отходящего тепла (например, для централизованного теплоснабжения ), которое получается путем производства е-метанола путем электролиза или путем последующего синтеза метанола. Если используется отработанное тепло топливного элемента, можно достичь КПД топливного элемента от 85 до 90%. Отработанное тепло можно, например, использовать для отопления автомобиля или домашнего хозяйства. Холодильная машина также может производить холод за счет отработанного тепла. При широком использовании отходящего тепла можно достичь общей эффективности от 70 до 80% для производства электронного метанола, включая последующее использование электронного метанола в топливном элементе.
КПД электрической системы, включая все потери периферийных устройств (например, катодный компрессор, охлаждение батареи), составляет примерно от 40 до 50% для метанольного топливного элемента типа RMFC и от 40 до 55% для водородного топливного элемента типа LT-PEMFC.
Araya et al. сравнил путь водорода с путем метанола (для метанола непосредственно доступного CO 2). Здесь электрический КПД от подачи электричества до подачи электричества топливным элементом был определен со следующими промежуточными этапами: управление мощностью, кондиционирование, передача, производство водорода электролизом, синтез метанола соответственно. сжатие водорода, транспортировка топлива, топливный элемент. Для метанольного пути эффективность была исследована от 23 до 38%, а для водородного пути - от 24 до 41%. При использовании водородного пути большая часть энергии теряется на сжатие водорода и перенос водорода, тогда как для пути метанола требуется энергия для синтеза метанола.
Helmers et al. сравнил эффективность транспортных средств Well-to-Wheel (WTW). Эффективность WTW была определена от 10 до 20% для автомобилей, работающих на ископаемом бензине, с двигателем внутреннего сгорания, от 15 до 29% для полностью электрических гибридных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, работающих на ископаемом бензине, и от 13 до 25% для автомобилей, работающих на ископаемом дизельном топливе. транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания, от 12 до 21% для транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, работающих на природном СПГ, от 20 до 29% для транспортных средств на топливных элементах (например, на ископаемом водороде или метаноле) и от 59 до 80% для электромобилей на аккумуляторных батареях.
В немецком исследовании «Agora Energiewende» были изучены различные приводные технологии с использованием возобновляемой электроэнергии для производства топлива, и эффективность WTW составила 13% для транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (работающих на синтетическом топливе, таком как OME ), 26% для транспортных средств на топливных элементах (работающих с водород) и 69% для аккумуляторных электромобилей.
Если используется возобновляемый водород, КПД автомобиля на водородных топливных элементах составляет от 14 до 30%.
Если возобновляемый электронный метанол производится из непосредственно доступного CO 2, эффективность от скважины до колеса составляет примерно от 11 до 21% для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, которое работает с этим электронным метанолом, и примерно от 18 до 29% для автомобиль на топливных элементах, который работает с этим электронным метанолом. Если возобновляемая электронной Метанол получают из CO 2 из прямого воздушного захвата эффективность Ну-к-колеса составляет примерно от 9 до 19% для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, который работает с этой электронной Метанол и примерно от 15 до 26% для автомобиля на топливных элементах, который работает с этим электронным метанолом (по состоянию на 2021 год).
Расходы на топливо:
Метанол дешевле водорода. При больших количествах (резервуар) цена ископаемого метанола составляет от 0,3 до 0,6 долларов США за литр. Один литр метанола имеет такое же энергосодержание, как 0,13 кг водорода. Цена на 0,13 кг ископаемого водорода в настоящее время составляет от 1,2 до 1,3 доллара США за большие количества (около 9,5 долларов США / кг на водородных заправочных станциях). Для средних объемов (доставка в контейнере IBC с 1000 л метанола) цена на ископаемый метанол обычно составляет от 0,5 до 0,7 долл. США / л, для биометанола от 0,7 до 2,0 долл. США / л и для электронного метанола из CO 2 от 0,8 до 2,0 долл. США за литр. / Л плюс залог за контейнер IBC. Для среднего количества водорода (связка газовых баллонов) цена 0,13 кг ископаемого водорода обычно составляет от 5 до 12 долларов США плюс арендная плата за баллоны. Значительно более высокая цена на водород по сравнению с метанолом, среди прочего, вызвана сложной логистикой и хранением водорода. В то время как биометанол и возобновляемый е-метанол доступны у дистрибьюторов, зеленый водород, как правило, еще не доступен у дистрибьюторов. В будущем ожидается снижение цен на возобновляемый водород, а также на возобновляемый метанол.
Инфраструктура:
В будущем ожидается, что среди легковых автомобилей большой процент транспортных средств будет полностью электрическими аккумуляторами. Ожидается, что для грузовых автомобилей и грузовиков процент автомобилей с полностью электрическим аккумулятором будет значительно ниже, чем для легковых автомобилей. Ожидается, что остальные автомобили будут работать на топливе. В то время как метанольная инфраструктура для 10 000 заправочных станций будет стоить от 0,5 до 2,0 миллиардов долларов США, стоимость водородной инфраструктуры для 10 000 заправочных станций будет примерно от 16 до 1400 миллиардов долларов США с сильной зависимостью от пропускной способности водородной заправочной станции.
Преобразование энергии:
В то время как для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, которые работают на метаноле, нет значительных дополнительных затрат по сравнению с автомобилями, работающими на бензине, дополнительные расходы для легкового автомобиля с топливным элементом на метаноле будут примерно от -600 до 2400 долларов США по сравнению с легковым автомобилем с водородным топливом. ячейка (в первую очередь дополнительные затраты на установку риформинга, баланс компонентов установки и, возможно, дымовая труба за вычетом затрат на резервуар для водорода и приборы высокого давления для водорода).
В процессе фотосинтеза зеленые растения используют энергию солнечного света для расщепления воды на свободный кислород (который выделяется) и свободный водород. Вместо того, чтобы пытаться накапливать водород, растения немедленно улавливают углекислый газ из воздуха, чтобы позволить водороду восстановить его до пригодного для хранения топлива, такого как углеводороды (растительные масла и терпены ) и полиспирты ( глицерин, сахара и крахмалы ). В метанольной экономике любой процесс, который аналогичным образом производит свободный водород, предполагает немедленное использование его «в неволе» для восстановления углекислого газа до метанола, который, как и растительные продукты фотосинтеза, имеет большие преимущества в хранении и транспортировке по сравнению с самим свободным водородом.
Метанол является жидкостью при нормальных условиях, что позволяет легко хранить, транспортировать и распределять его, как бензин и дизельное топливо. Его также можно легко превратить дегидратацией в диметиловый эфир, заменитель дизельного топлива с цетановым числом 55.
Метанол растворим в воде: случайный выброс метанола в окружающую среду нанес бы гораздо меньший ущерб, чем сопоставимый разлив бензина или сырой нефти. В отличие от этих видов топлива, метанол является биоразлагаемым и полностью растворимым в воде, и его можно быстро разбавить до концентрации, достаточно низкой для того, чтобы микроорганизмы начали биоразложение. Этот эффект уже используется на водоочистных сооружениях, где метанол уже используется для денитрификации и в качестве питательного вещества для бактерий. Случайные выбросы, вызывающие загрязнение подземных вод, еще не были полностью изучены, хотя считается, что они могут происходить относительно быстро.
Преимущества экономии метанола по сравнению с водородной экономией: