Сегодня в России для выработки электроэнергии эксплуатируется более 300 газотурбинных электростанций. Такие станции, например, как ГТЭС-25П, при сжигании ископаемого топлива выделяют колоссальное количество углекислого газа (СО2). Его повышенные концентрации в атмосфере вызывают парниковый эффект и приводят к глобальному потеплению и изменению климата. Ежегодные выбросы одной такой электростанции составляют 1,3 млн тонн, а суммарно по стране — почти 400 млн тонн. Поэтому остро стоит вопрос внедрения новых мероприятий и технологий для решения этой проблемы. Ученые Пермского Политеха предложили перспективный способ снижения углеродного следа при эксплуатации газотурбинных электростанций. Подход позволит на 45% сократить вредные выбросы и в тоже время получить полезный химический продукт — диметиловый эфир. Разработка открывает новые возможности для снижения экологической нагрузки энергетической отрасли в России.
Исследование выполнено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Газотурбинные электростанции ГТЭС-25П мощностью 25 МВт/час широко используются в российской промышленности для выработки электроэнергии. Рабочим телом такой установки является атмосферный воздух. При работе он поступает в камеру сгорания, где смешивается с природным или отбензиненным газом. Продукты горения проходят через турбину высокого давления и свободную силовую турбину, которая приводит в работу генератор, а после выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу.
Подсчеты ученых ПНИПУ показали, что одна такая станция приводит к выбросам углекислого газа в 1309 тысяч тонн в год, а суммарные выбросы электростанций такого типа в стране составляют 396 650 тысяч тонн. Такие объемы усиливают парниковый эффект и как следствие повышают скорость глобального потепления. Это вызывает изменения климатических условий в мире, режима осадков, среднего уровня океанов, а также негативно сказывается на множестве живых организмов и здоровье человека.
— Поспособствовать снижению углеродного следа можно несколькими способами: работать с качеством поступающего сырья, например, использовать низкоуглеродное, углеродно-нейтральное или водородсодержащее топливо; разрабатывать малоэмиссионные камеры сгорания, которые обеспечивают низкое содержание вредных веществ в выхлопных газах; и работать над технологиями улавливания из дымовых газов и практическим применением СО2, в чем наше исследование оказалось полезным, — поделился Никита Кифель, ассистент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ.
Отработанный СО2 может использоваться для закачки в нефтяной пласт для увеличения добычи нефти, а также в качестве сырья для получения различных химических соединений. Одно из перспективных направлений — синтез диметилового эфира.
Это простейший эфир, который обладает особыми свойствами, делающими его полезным в разных отраслях. Например, в России он известен своим использованием в качестве хладагента, который в холодильных установках, кондиционерах и других системах поглощает тепло и передает его внешней среде. В странах Азии диметиловый эфир выступает как экологичная альтернатива дизельному топливу. Также продукт применяется в качестве сырья для получения других химических веществ, необходимых в производстве пластмасс и лекарств.
Ученые Пермского Политеха разработали технологическую схему получения диметилового эфира из отходящего углекислого газа и рассчитали, насколько новый подход снизит углеродный след на газотурбинных электростанциях.
Процесс состоит из нескольких этапов. Сначала происходит улавливание СО2 из дымовых газов, для этого широко используется специальный раствор на основе аминов — абсорбентов, способных поглощать газ. Далее следует его превращение в синтез газ (смесь водорода и оксида углерода) — основу для производства множества химических продуктов. Уже из него получают метанол, а затем диметиловый эфир.
— Последние шаги технологии уже давно освоены в промышленности, тогда как получение синтез-газа из отходящего СО2 до сих пор представляет сложность. Это можно реализовать двумя методами: с использованием метана или водорода. Однако процесс требует нагрева смеси до высоких температур (примерно 700 градусов), для чего нужно большое количество топлива. Это в свою очередь приводит к новым выбросам углекислого газа, что необходимо учитывать при оценке эффективности подхода, — объясняет Юлия Мозжегорова, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Результаты исследований показали, что предлагаемая технология в целом позволяет снизить выбросы СО2 на 45% для одной электростанции, и при этом производить до 1,2 миллиона тонн диметилового эфира в год. С учетом, что получение синтез-газа будет проводиться путем углекислотной конверсии метана.
Подход ученых Пермского Политеха прежде всего полезен промышленным предприятиям, использующие газотурбинные электростанции. Это возможность не только снизить колоссальные выбросы углекислого газа в атмосферу, но еще и получить дополнительный полезный продукт, который в настоящее время становится все более востребованным на современном рынке углеводородов.