Экономия метанола - Methanol economy

В метанольная экономика предполагаемое будущее экономия в котором метанол и диметиловый эфир заменять ископаемое топливо как средство хранения энергии, топлива для наземного транспорта и сырье для синтетических углеводородов и их продуктов. Предлагает альтернативу предлагаемому водородная экономика или же этанольная экономика.

В 1990-е годы Нобелевская премия лауреат Джордж А. Олах выступал за метанольную экономику;[1][2][3] 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.[4]

Метанол можно производить из самых разных источников, включая все еще широко распространенное ископаемое топливо (натуральный газ, каменный уголь, горючие сланцы, нефтеносные пески и т. д.), а также сельскохозяйственной продукции и бытовых отходов, дерево и разнообразный биомасса. Он также может быть получен путем химической переработки углекислый газ.

Использует

Топливный элемент с прямым метанолом

Топливо

Основная статья: Топливо метанол

Метанол - топливо для тепловых двигателей и топливных элементов. Из-за высокого октановое число его можно использовать непосредственно в качестве топлива в автомобили с гибким топливом (включая гибридный и подключаемый гибрид транспортных средств) с использованием существующих двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Метанол также можно сжигать в некоторых других типах двигателей или для получения тепла, поскольку используются другие жидкие топлива. Топливные элементы, может использовать метанол либо непосредственно в Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC) или косвенно (после преобразования в водород путем реформирования).

Сырье

Метанол уже сегодня широко используется для производства различных химикатов и продуктов. Мировой спрос на метанол как химическое вещество сырье достигла около 42 миллионов метрических тонн в год по состоянию на 2015 год.[5] В процессе превращения метанола в бензин (MTG) он может быть преобразован в бензин. Используя процесс превращения метанола в олефин (МТО), метанол также можно превратить в этилен и пропилен, два химических вещества, производимые в наибольших количествах нефтехимическая промышленность.[6] 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 истощатся.

Производство

Сегодня большинство метанол производится из метан через синтез-газ. Тринидад и Тобаго в настоящее время является крупнейшим в мире экспортером метанола, экспортируя его в основном в Соединенные Штаты.[7] 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 гидрат метана Ресурсы континентальных шельфов морей и тундры Сибири и Канады также могут быть использованы для обеспечения необходимого газа.

Обычный путь получения метанола из метан проходит через производство синтез-газа паровой риформинг комбинированный (или нет) с частичным окислением. Также разрабатываются новые и более эффективные способы превращения метана в метанол. К ним относятся:

  • Окисление метана гомогенными катализаторами в серная кислота средства массовой информации
  • Бромирование метана с последующим гидролизом полученного бромметан
  • Прямое окисление метана кислородом
  • Микробное или фотохимическое преобразование метана
  • Частичное окисление метана с улавливанием частично окисленного продукта и последующей экстракцией при обмене меди и железа Цеолит (например. Альфа-кислород )

Все эти синтетические маршруты испускают парниковый газ углекислый газ CO2. Чтобы смягчить это, метанол можно производить способами, минимизирующими выброс CO.2. Одно из решений - производить его из синтез-газа, полученного путем газификации биомассы. Для этого можно использовать любую биомассу, в том числе дерево, древесные отходы, трава, 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.

Биомасса → Синтез-газ (CO, CO2, H2) → CH3ОЙ

Метанол можно синтезировать из углерода и водорода из любого источника, в том числе доступного. ископаемое топливо и биомасса. CO2 выбрасывается электростанциями, работающими на ископаемом топливе, и в других отраслях промышленности, и в конечном итоге даже CO2 содержащийся в воздухе, может быть источником углерода.[8] Он также может быть получен путем химической переработки углекислый газ, который Carbon Recycling International продемонстрировала свою первую установку промышленного масштаба.[9] Первоначально основным источником будет СО.2 богатые дымовые газы электростанций, работающих на ископаемом топливе, или выхлопные газы цементных и других заводов. Однако в более долгосрочной перспективе, учитывая уменьшение ресурсов ископаемого топлива и влияние их использования на земная атмосфера, даже низкая концентрация атмосферного CO2 сам по себе может быть уловлен и переработан с помощью метанола, таким образом дополняя собственный фотосинтетический цикл природы. Новые эффективные абсорбенты для улавливания атмосферного CO2 развиваются, имитируя способности растений. Химическая переработка CO2 Таким образом, новые виды топлива и материалы могут стать возможными, что сделает их возобновляемыми в человеческом масштабе времени.

Метанол также можно производить из CO.2 к каталитическое гидрирование CO2 с H2 где водород был получен из электролиз воды. Это процесс, используемый Carbon Recycling International из Исландия. Метанол также может производиться через CO.2 электрохимическое восстановление, при наличии электроэнергии. 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.

CO2 + 3H2 → CH3ОН + Н2О

или с помощью электроэнергии

CO2 + 5H2O + 6 e−1 → CH3ОН + 6 НО−1
6 НО−1 → 3H2O + 3/2 O2 + 6 e−1
Общий:
CO2 + 2H2O + электроэнергия → CH3ОН + 3/2 О2

Необходимый СО2 будут захвачены с электростанций, работающих на ископаемом топливе, и других промышленных дымовые газы в том числе цементные заводы. С уменьшением ресурсов ископаемого топлива и, следовательно, CO2 выбросы CO2 содержимое в воздухе также может быть использовано. Учитывая низкую концентрацию CO2 в воздухе (0,04%) улучшенные и экономически выгодные технологии поглощения CO2 придется развиваться. По этой причине извлечение CO2 из воды может быть более целесообразным из-за его более высоких концентраций в растворенной форме.[10] Это позволит химическую переработку CO2, имитируя фотосинтез природы.

Преимущества

В процессе фотосинтез 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 т. терпены ) и многоатомных спиртов (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, подобно растительным продуктам 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 и бензин и дизельное топливо. Он также может быть легко преобразован путем обезвоживания в диметиловый эфир, заменитель дизельного топлива с цетановое число из 55.

Метанол водорастворим: случайный выброс метанола в окружающую среду нанес бы гораздо меньший ущерб, чем сопоставимый бензин или сырая нефть. разлив 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 микроорганизм начать биоразложение. Этот эффект уже используется на водоочистных сооружениях, где метанол уже используется для денитрификация и как питательное вещество для бактерий.[11] Случайное высвобождение, вызывающее загрязнение подземных вод еще не был полностью изучен, хотя считается, что он может пройти относительно быстро.

Сравнение с водородом

Преимущества экономии метанола по сравнению с водородной экономией:

  • Эффективное накопление энергии по объему, по сравнению с сжатый водород.[12] Если принять во внимание резервуар для удержания водорода под давлением, можно также реализовать преимущество в хранении энергии по массе. Объемный плотность энергии метанола значительно выше, чем жидкого водорода, отчасти из-за низкой плотности жидкого водорода 71 грамм / литр. Следовательно, на самом деле в литре метанола (99 грамм / литр) водорода больше, чем в литре жидкого водорода, а метанол не нуждается в криогенном контейнере, поддерживающем температуру -253 ° C.
  • Жидкость водородная инфраструктура было бы непомерно дорого.[13][14][15] Метанол может использовать существующую бензиновую инфраструктуру только с ограниченными модификациями.
  • Можно смешивать с бензином (например, в M85, смесь, содержащая 85% метанола и 15% бензина).
  • Удобный. Водород летуч, и для его удержания используются системы высокого давления или криогенные системы.
  • Меньшие потери: водород утекает легче, чем метанол. Тепло будет испарять жидкий водород, давая ожидаемые потери до 0,3% в день в резервуарах для хранения. (видеть Таблица резервуаров для хранения Ferox Жидкий кислород ).

Сравнение с этанолом

  • Может быть изготовлен из любого органического материала по проверенной технологии с использованием синтез-газа. Нет необходимости использовать продовольственные культуры и конкурировать с производством продуктов питания. Количество метанола, которое может быть произведено из биомассы, намного больше, чем этанола.
  • Может конкурировать с этанолом и дополнять его на диверсифицированном энергетическом рынке. Метанол, полученный из ископаемого топлива, имеет более низкую цену, чем этанол.
  • Может смешиваться с бензином, например, с этанолом. В 2007 году Китай смешал более 1 миллиарда галлонов США (3 800 000 м3).3) метанола в топливо и к середине 2008 года введет стандарт топлива на метанол.[16] M85, смесь 85% метанола и 15% бензина может использоваться во многом как E85 продается на некоторых заправках сегодня.

Недостатки

  • В настоящее время высокие затраты на энергию связаны с производством и транспортировкой водорода за пределы площадки.
  • В настоящее время генерируется из натуральный газ все еще зависит от ископаемого топлива (хотя можно использовать любой горючий углеводород).
  • Плотность энергии (по весу или объему) вдвое меньше, чем у бензина, и на 24% меньше, чем у этанола.[17]
  • Умение обращаться
    • Если ингибиторы не используются, метанол разъедающий к некоторым распространенным металлам, включая алюминий, цинк и марганец. Детали системы впуска топлива двигателя изготовлены из алюминия. Как и в случае с этанолом, необходимо использовать совместимые материалы для топливных баков, прокладок и впуска двигателя.
    • Как и с аналогично коррозионный и гидрофильный этанол, существующий трубопроводы разработан для нефтепродуктов, не может работать с метанолом. Таким образом, метанол требует транспортировки с более высокими затратами энергии в грузовиках и поездах, пока не будет построена новая трубопроводная инфраструктура или пока существующие трубопроводы не будут модернизированы для транспортировки метанола.
    • Метанол, как спирт, увеличивает проницаемость некоторых пластиков для паров топлива (например, полиэтилена высокой плотности).[18] Это свойство метанола имеет возможность увеличения выбросов летучие органические соединения (ЛОС) из топлива, что способствует увеличению тропосферного озон и, возможно, воздействие на человека.
  • Низкая летучесть в холодную погоду: двигатели, работающие на чистом метаноле, могут быть трудно запускаемыми, и они работают неэффективно, пока не прогреются. Вот почему смесь, содержащая 85% метанола и 15% бензина, под названием M85 обычно используется в ДВС. Бензин позволяет двигателю запускаться даже при более низких температурах.
  • За исключением небольшого воздействия, метанол токсичен.[19] Метанол смертелен при приеме внутрь в больших количествах (от 30 до 100 мл).[20] Но то же самое и с большинством моторных топлив, включая бензин (от 120 до 300 мл) и дизельное топливо. Бензин также содержит в небольших количествах многие канцерогенные соединения (например, бензол). Метанол не является канцерогеном и не содержит канцерогенов. Однако метанол может метаболизироваться в организме до формальдегида, который является токсичным и канцерогенным.[21] Метанол естественным образом содержится в небольших количествах в организме человека и в съедобных фруктах.
  • Метанол - жидкость: это создает большую опасность возгорания по сравнению с водородом в открытых пространствах, поскольку утечки метанола не рассеиваются. В отличие от бензина, метанол горит незаметно. Однако по сравнению с бензином метанол намного безопаснее. Его труднее воспламенить, и при горении выделяется меньше тепла. Пожары метанола можно потушить простой водой, тогда как бензин плавает на воде и продолжает гореть. По оценкам Агентства по охране окружающей среды, переход с бензина на метанол снизит количество пожаров, связанных с топливом, на 90%.[22]

Смотрите также

Литература

  • Ф. Азингер: Метанол, Chemie- und Energierohstoff. Akademie-Verlag, Берлин, 1987, ISBN  3-05500341-1, ISBN  978-3-05500341-7.
  • Мартин Бертау, Heribert Offermanns, Людольф Пласс, Фридрих Шмидт, Ханс-Юрген Вернике: Метанол: основное химическое и энергетическое сырье будущего: взгляд Азингера сегодня, 750 Seiten, Verlag Springer; 2014, ISBN  978-3642397080
  • †Джордж А. Олах, Ален Гепперт, Г. К. Сурья Пракаш, Помимо нефти и газа: экономика метанола - третье, обновленное и дополненное издание, Вайли-ВЧ, 2018, ISBN  978-3-527-33803-0.

Рекомендации

  1. ^ Джордж А. Олах (2005). «Помимо нефти и газа: экономика метанола». Angewandte Chemie International Edition. 44 (18): 2636–2639. Дои:10.1002 / anie.200462121. PMID  15800867.
  2. ^ Джордж А. Олах (2003). «Метанольная экономика». Новости химии и машиностроения. 81 (38): 5. Дои:10.1021 / cen-v081n038.p005.
  3. ^ Джордж А. Олах; Г. К. Сурья Пракаш; Ален Гепперт (2009). «Химическая переработка диоксида углерода в метанол и диметиловый эфир: от парниковых газов к возобновляемым, экологически нейтральным видам топлива и синтетическим углеводородам». Журнал органической химии. 74 (2): 487–498. CiteSeerX  10.1.1.629.6092. Дои:10.1021 / jo801260f. PMID  19063591.
  4. ^ Помимо нефти и газа: экономика метанола , Джордж А. Олах, Ален Гепперт, Г. К. Сурья Пракаш, Wiley-VCH, 2006, 2-е издание 2009, 3-е издание 2018.
  5. ^ «Метанольная промышленность - МЕТАНОЛОВЫЙ ИНСТИТУТ». methanol.org.
  6. ^ Intratec Solutions (31 мая 2012 г.). «Экономика технологий: пропилен из метанола». slideshare.net.
  7. ^ «Райдер Скотт: Запасы газа Тринидада и Тобаго упали в 2013 году». www.ogj.com.
  8. ^ Котандараман, Джотисвари; Гепперт, Ален; Чаун, Миклош; Olah, George A .; Пракаш, Г. К. Сурья (27 января 2016 г.). «Преобразование CO2 из воздуха в метанол с использованием полиамина и гомогенного рутениевого катализатора». Журнал Американского химического общества. 138 (3): 778–781. Дои:10.1021 / jacs.5b12354. ISSN  0002-7863. PMID  26713663.
  9. ^ «Первый коммерческий завод». Carbon Recycling International. Архивировано из оригинал 3 июля 2013 г.. Получено 11 июля 2012.
  10. ^ Уиллмотт, Дон. "Топливо из морской воды? Что за улов?". Смитсоновский институт. Получено 2017-11-21.
  11. ^ http://www.methanol.org/pdf/evaluation.pdf, Оценка судьбы и переноса метанола в окружающей среде, подготовленный Malcolm Pirnie, Inc. для Института метанола, 1999
  12. ^ «Немногие виды топлива для транспорта превосходят по плотности бензин и дизельное топливо - Сегодня в энергетике - Управление энергетической информации США (EIA)». www.eia.gov.
  13. ^ Зубрин Роберт (2007). Энергетическая победа. Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. стр.117 –118. ISBN  978-1-59102-591-7. Однако ситуация намного хуже, потому что, прежде чем водород можно будет куда-либо транспортировать, его нужно либо сжать, либо сжижать. Чтобы превратить его в жидкость, его нужно охладить до температуры -253 ° C (20 градусов выше абсолютного нуля). При таких температурах фундаментальные законы термодинамики делают холодильники крайне неэффективными. В результате около 40 процентов энергии водорода должно быть потрачено на его сжижение. Это снижает фактическое содержание чистой энергии в нашем топливе до 792 ккал. Кроме того, поскольку это криогенная жидкость, можно ожидать, что будет потеряно еще больше энергии, поскольку водород выкипает, поскольку он нагревается за счет тепла, поступающего из внешней среды во время транспортировки и хранения.
  14. ^ Ромм, Джозеф Дж. (2004). Шумиха вокруг водорода. Вашингтон, округ Колумбия: Island Press. стр.94–95. ISBN  978-1-55963-703-9.
  15. ^ Люфт, Гал; Корин, Анна (2009). Вызовы энергетической безопасности в 21 веке. Санта-Барбара, Калифорния: Praeger Security International. п.329. ISBN  978-0-275-99997-1. Дилемма инфраструктуры кажется непреодолимой. Бортовое хранение водорода в газообразной или жидкой форме делает автомобили невероятно дорогими, а крупномасштабный переход на водород влечет за собой дополнение или замену существующей инфраструктуры доставки жидкого топлива. Это, мягко говоря, непростое предложение.
  16. ^ Очарование метанола, Кемсли, Дж., Новости химии и машиностроения, 3 декабря, 2007, страницы 55-59 [1]
  17. ^ Элерт, Гленн. "Энергетическая плотность метанола (древесного спирта) - Книга фактов по физике". hypertextbook.com.
  18. ^ Weisel, C.P .; Lawryk, N.J .; Huber, A.H .; Крещенти, Г. Х. (1 января 1993 г.). «Воздействие бензина и метанола из автомобилей в жилых домах и в пристроенных гаражах». OSTI  5882923. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  19. ^ Метанол является токсином, связанным с развитием и неврологией, хотя обычные уровни воздействия, связанные с диетой и профессиональной деятельностью, вряд ли окажут значительное воздействие на здоровье. Группа Национальной токсикологической программы недавно пришла к выводу, что концентрация в крови ниже прибл. 10 мг / л вызывает минимальные опасения по поводу неблагоприятного воздействия на здоровье.[2] Также доступны другие обзоры литературы (см., Например, Reproductive Toxicology 18 (2004) 303–390).
  20. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-07-07. Получено 2008-01-07.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь), Метанол в транспортных средствах на топливных элементах Оценка токсичности и рисков для человека (пересмотренная), Статойл, 2001
  21. ^ http://www.antizol.com/mpoisono.htm, «Обзор отравления метанолом», Механизм отравления
  22. ^ http://www.epa.gov/otaq/consumer/08-fire.pdf, Метанольное топливо и пожарная безопасность, EPA 400-F-92-010

внешняя ссылка