Природный газ как топливо

В середине XX века в мире началась ускоренная добыча, переработка (сжижение) и потребление природного газа. К началу XXI века объемы потребления природного газа составили порядка 1 000 млрд куб. м в год. Повышение цен на нефть и бензин, а также забота о чистоте среды обитания все больше и больше привлекают внимание науки, производства и бизнеса к использованию природного газа не только в качестве газового топлива в традиционных способах его сжигания, но и в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Однако непосредственное использование природного газа для этих целей имеет ряд недостатков. Масса баллона, вмещающего 1 кг сжиженного природного газа (СПГ) под высоким давлением, должна составлять порядка 8 кг. При умножении на нужное количество топлива получается солидный вес, занимающий до трети веса всей машины. В этом случае ездить можно, однако такая ноша является слишком обременительной, а в условиях бездорожья, тряски и аварий транспортных средств использование на них СПГ становится взрывоопасным. Кроме того, в процессах производства, транспортировки, распределения и потребления СПГ теряется порядка 10 \% от его массы, которая, испаряясь и попадая в атмосферу, способствует развитию парникового эффекта точно так же, как это происходит с выбросами в атмосферу диоксида углерода. При этом для хранения СПГ требуются дополнительные затраты энергии на охлаждение. Есть у СПГ и другие принципиальные недостатки, которые ограничивают его возможности в качестве альтернативного топлива на транспорте.

ДМЭ в автомобилях

В последнем десятилетии XX века австрийские, датские и американские исследователи предложили использовать в качестве альтернативного дизельного топлива диметиловый эфир. ДМЭ известен достаточно давно, но раньше он применялся лишь в парфюмерии для создания давления в баллонах с лаками и дезодорантами. Там он заменил вредные газы — фреоны, бутан и пропан. Использовался ДМЭ также как хладагент и растворитель. В последнее время на диметиловый эфир стали смотреть как на новое, универсальное, эффективное и экологически чистое топливо. Моторные топлива, получаемые из природного газа, не содержат ароматических углеводородов, серы и характеризуются полнотой сгорания, а ДМЭ помимо преимуществ топлива, синтезированного из природного газа, характеризуется высоким цетановым числом (55−60 против 40−55 для нефтяного дизельного топлива) и отсутствием сажи и оксидов азота в выхлопных газах, что особенно важно для крупных мегаполисов. Таким образом, существует два ДМЭ: высший сорт — содержание диметилового эфира не менее 99,5 \%, используется в парфюмерии, для дизельного топлива применяется низший сорт — содержание диметилового эфира на уровне 95 \%.

История ДМЭ в России

Долгое время ДМЭ в РФ получали только как побочный продукт синтеза метанола. В 1991 году из-за резкого снижения спроса на метанол было принято решение организовать производство ДМЭ из метанола-сырца, ввиду того, что из всех полезных составляющих только диметиловый эфир содержится в количестве, достаточном для выделения. В апреле 2001 года на «Новомосковском Азоте» в цехе «Синтез», где производился аммиак и метанол, была смонтирована ректификационная колонна для получения диметилового эфира из метанола-сырца. Сегодня эта установка выпускает 50 тонн ДМЭ в месяц. Мощности небольшие, но и спрос невелик. Весь объем небольшими партиями покупают несколько компаний, в их числе «Альтек-строй», «НХС», «Аверс», «Интрейд» и «Диметил-Эко». Последняя была создана в 2002 году совместно с правительством Москвы и МХК «Еврохим» для внедрения целевой программы «Диметиловый эфир экологически безопасное дизельное топливо для города Москва». Сейчас «Диметил-Эко» покупает лишь 10−12 тыс. тонн ДМЭ в месяц. С 1966 года аналогичная новомосковской установка по производству диметилового эфира работала на «Щекиноазоте», но в 1986 она была остановлена все по той же причине — отсутствие сбыта.

В 2004 году вышло распоряжение правительства Москвы «Об организации работ по внедрению диметилового эфира на транспорте в качестве экологически безопасного альтернативного топлива». После этого у «Щекиноазот» появился заказчик — столица России. И пока в Москве институтом двигателей разрабатывалась топливная аппаратура на ДМЭ, на «Щекиноазот» началась реконструкция установки по производству диметилового эфира, повторный запуск которой запланирован на III квартал 2007 года. Проектная мощность установки составляет 3 тыс. тонн в год. Перевести на ДМЭ пока планируют только большегрузные автомобили и общественный транспорт, но в перспективе такого объема будет мало, поэтому правительство Москвы ищет возможности расширения производства. Не исключено, что принять участие в обеспечении Москвы альтернативным топливом сможет «Томскнефтехим», и такая возможность стала темой переговоров между администрациями двух городов во время проведения дней Москвы в г. Томске.

Из метанола или синтез-газа?

Существует несколько способов получения диметилового эфира. Первый — при давлении 1−3 МПа и температуре 800−900 °С из синтез-газа получают диметиловый эфир, метанол и метилформиат. Второй способ — получение диметилового эфира из метанола. Именно так поступают в Германии и Японии. В Японии и США построены пилотные установки — мощностью 5 и 4 тонны в сутки. Из синтез-газа ДМЭ получают NKK (Япония) и Haldor Topsoe (Дания). На «Новомосковском Азоте» и ОАО «Щекиноазот» диметиловый эфир производят из метанола, но такой метод с технико-экономической точки зрения не совсем целесообразен, так как цены на природный газ будут неизбежно повышаться. Технология получения диметилового эфира непосредственно из синтез-газа на сегодня является наиболее передовой и многообещающей. Поэтому НИО «Сибур-Томскнефтехим» остановилось на совместной разработке Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева и Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН — получение диметилового эфира из синтез-газа. Взаимодействие протекает по реакции: 2СО + 4Н2 = СН3ОСН3 + Н2О. Однако в условиях процесса H2O вступает во взаимодействие с CO, в результате паровой конверсии оксида углерода образуются водород и диоксид углерода: CO + H2O =CO2 + H2. Поэтому фактически для получения диметилового эфира требуется смесь с соотношением CO: H2 = 1:1.Суммарное уравнение реакции выглядит следующим образом: 3СО + 3Н2 = СН3ОСН3 + СО2. В данном процессе значительно меньше расходные коэффициенты по сырью и больше выход продукта. Катализатором реакции может служить комбинация из катализаторов дегидратации и синтеза метанола.

К сожалению, пока нет промышленных технологий российского происхождения, которые можно было применять на заводе «Метанол» в Томске. Поэтому НИО «Сибур-Томскнефтехим» планирует создать в особой экономической зоне Томска пилотную установку, на которой можно было бы провести мониторинг всех предлагаемых российских катализаторов и импортных аналогов, наработать исходные данные. Затем на основании этих исследований подготовить ТЭО для создания такого производства. По соглашению делегаций Москвы и Томска, правительство столицы будет участвовать в финансировании научных исследований, и в 2006 году, вероятно, подготовит план взаимодействия в рамках проекта. Рабочая комиссия двух городов в плановом порядке начнет прорабатывать все вопросы подготовки к строительству установки, она же займется маркетингом рынка ДМЭ.

Мировой опыт

Технология производства ДМЭ разработана рядом зарубежных технологических фирм: Haldor Topsoe (Дания), Air Products and Chemicals (США), NKK Corp. (Япония), BP (Великобритания). Производство постоянно расширяется. Такие крупные компании, как Mitsui, Japan Oil и Mitsubis Gaz Chemistri, вскоре доведут выпуск диметилового эфира до 10 тыс. тонн в сутки. Рядом японских компаний совместно с Total Fina Elf SA образована компания DME Development Co. Ltd., которая разработала производственную установку с проектной мощностью 825 тыс. тонн в год. Выпуск ДМЭ в мире за последние несколько лет резко возрос и в настоящее время составляет десятки миллионов тонн. В таких странах, как Швеция и Дания, общественный транспорт полностью переведен на ДМЭ. Согласно прогнозам аналитиков, через 15−20 лет весь тяжелый и средний транспорт в мире полностью перейдет на ДМЭ.

Экономическая целесообразность

Итак, диметиловый эфир может стать реальным конкурентом дизельному топливу. Применение ДМЭ для двигателей транспортных средств является в настоящее время особенно актуальным из-за острой необходимости защиты окружающей среды. По сравнению с дизельным топливом при использовании ДМЭ на порядок меньше выбросов в атмосферу оксидов углерода и азота. Перспективно использование диметилового эфира в качестве источника водорода в топливных элементах химических источников электроэнергии и применении их в электромобилях — КПД до 75 \%. Это обстоятельство позволит совершить качественный скачок в энергетике транспорта и перевести в ближайшее время весь средний и тяжелый транспорт на электрическую тягу с собственным автономным химическим источником питания, безвредным для окружающей среды. Средний грузовой электромобиль, заправленный 46 кг СНЗОСНЗ и 54 кг Н2О (всего 100 кг) с расходом Н2 35 г/ кВт•ч может вырабатывать в общей энергии и при мощности электродвигателей порядка 60 кВт и возможностью для рекуперации электроэнергии способен находиться в пути 10−12 часов и, без дозаправки, делать пробег до 1 000 км, при этом стоимость затрат составит всего 10 долларов. Для сравнения, средний грузовой автомобиль с мощностью двигателя порядка 100 кВт сможет без дозаправки находиться такое же время в пути и сделать.

Российские проекты

Россия не может остаться в стороне, ее также ждут перемены. При мэре Москвы действует координационный совет по проблемам организации производства ДМЭ и продуктов его переработки, подготовлена целевая программа. Однако существенных результатов по данной программе пока не получено. До визита москвичей в Томске также не велось масштабных работ в заданном направлении. В частности, за два года разработки программы ни «Сибур-ТНХК», ни представители Москвы не посетили с дружеским визитом страны Евросоюза, в которых городской транспорт полностью переведен на новое топливо. По свидетельству членов правительства Москвы, не велись также переговоры о покупке готовой западной технологии: Москва и «Сибур» сохраняют надежду найти перспективную разработку в России. Однако головной для «Сибура» «Газпром» пошел параллельным курсом и подписал рамочное соглашение о сотрудничестве с Агентством природных ресурсов и энергетики Министерства экономики, торговли и промышленности Японии. Соглашение касается строительства производств диметилового эфира на востоке России. ТНК-ВР ведет переговоры с японской компанией JFE по поводу приобретения технологии производства ДМЭ и строительства завода на базе этой технологии.

В качестве одной из потенциальных площадок для строительства называлась промплощадка ОАО «Саянскхимпласт». Во всех случаях масштабное производство ДМЭ лишено особого смысла, если у компании нет стопроцентной уверенности в долгосрочном сбыте полученной продукции. Очевидно, что главным стимулом для начала производства диметилового эфира в России может стать адресный гарантийный заказ — государственный или со стороны региональных администраций. Разрозненные попытки компаний вступить на рынок альтернативного топлива свидетельствуют о позитивной реакции российского бизнеса на мировые тенденции, а несогласованность попыток и их бессистемность заставляют предположить, что от положительных результатов в массовом применении ДМЭ как альтернативного топлива Россию отделяют годы.