Институт Перспективных Исследований при Отделении Общественных Наук РАН Проект «Синтез» по освоению многоцелевой энерго-ресурсосберегающей экоохранной технологии утилизации «парниковых» газов и производства из них углеводородного сырья Москва 2008

Техногенные выбросы диоксида углерода в атмосферу планеты Земля на сегодня достигают 25 млрд.т/год. Перманентное увеличение добычи и потребления миллиардов тонн углеводородов и выбрасывание в таких же объёмах в атмо- сферу диоксида углерода, а также других отходов цивилизации сдвинул стехиометрию биосферы до предельно опасного состояния. Перманентное увеличение добычи и потребления миллиардов тонн углеводородов и выбрасывание в таких же объёмах в атмо- сферу диоксида углерода, а также других отходов цивилизации сдвинул стехиометрию биосферы до предельно опасного состояния. Проблема нарастающего содержания диоксида углерода в земной атмосфере, осязаемость «парникового» эффекта и опасность глобальных климатических изменений, являются предметом серьез-ной озабоченности международного сообщества. Проблема нарастающего содержания диоксида углерода в земной атмосфере, осязаемость «парникового» эффекта и опасность глобальных климатических изменений, являются предметом серьез-ной озабоченности международного сообщества. В соответствии с международными соглашениями по Киотскому протоколу к Рамочной конвенции ООН «Об изменении климата» разрабатывается и внедряется система мер, позволяющих приоста-новить нарастающий техногенный выброс диоксида углерода в земную атмосферу и включающих наряду с развитием нетопливных отраслей энергетики целевые исследования и разработки технологий поглощения и связывания выбросов диоксида углерода. В соответствии с международными соглашениями по Киотскому протоколу к Рамочной конвенции ООН «Об изменении климата» разрабатывается и внедряется система мер, позволяющих приоста-новить нарастающий техногенный выброс диоксида углерода в земную атмосферу и включающих наряду с развитием нетопливных отраслей энергетики целевые исследования и разработки технологий поглощения и связывания выбросов диоксида углерода.

Круговорот углерода в природе и техногенной сфере Солнечная энергия фотосинтеза q c 200 кВт-ч кгСН 2 О Эмитенты СО 2 : СН 2 О + О 2 = СО 2 + Н 2 О СН 4 + 1,5О 2 = СО 2 + Н 2 О 6, тонн СО 2 /год

СО 2 Технологические процессы Лесные пожары Транспорт Уничтожение среды обитания Варварское сжигание углеводородов Грязный бизнес Мировые войны Факторы техногенной эмиссии «парниковых» газов Социальная энтропия Испражнения цивилизации

Дальнейшее накопление диоксида углерода в атмосфере ставит под угрозу существование биосферы планеты Земля. Человечество, как и все живое, ожидают суровые испытания: Разогрев атмосферы Интенсивное таяние ледников Смерчи и тайфуны Засуха плодородных земель Повышение уровня океана до 60 метров Природные катаклизмы Лесные пожары Затопление тысяч городов Социальные катастрофы Мировые войны за ресурсы Утрата флоры и фауны Голод Деградация озонового слоя Затопление низменностей Глобальное изменение климата Грозы и град Разрушительные ураганы

Повышение уровня океана приведет к затоплению захоронений твердых бытовых и промышленных отходов. В океане окажется огромное, не совместимое с жизнью, количество продуктов жизнедеятельности цивилизации. Погибнет планктон и все остальные обитатели подводного мира. Далее - произойдет залповый выброс океаном метана и продуктов распада, что усилит «парниковый» эффект на планете. Атмосфера планеты продолжит разогрев. Человек, возомнивший себя «Царем природы» исчезнет как вид.

1. Цели проекта «Синтез» В ответствии с международными соглашениями по «Киотскому протоколу» к Рамочной конвенции ООН «Об изменении климата» в России разрабатывается и внедряется система мер, позволяющих приостановить нарастающий техногенный выброс диоксида углерода (СО 2 ) в земную атмосферу и включающих наряду с развитием нетопливных отраслей энергетики целевые исследования по утилизации диоксида углерода. Ведущими специалистами ракетно - космического комплекса под руководством Института Перспективных Научных Исследований отделения Общественных Наук РАН совместно с базовыми институтами Российской Академии наук при поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований был создан многоцелевой проект «Синтез» по утилизации техногенных выбросов «парниковых» газов и преобразования их в углеводородное сырье, водород или жидкое моторное топливо повышенной экологической чистоты класса «Евро 4». Стратегическими целями проекта «Синтез» являются создание и освоение промышленной технологии, способствующей решению стоящих современных проблем экологии земной атмосферы и мировой топливной энергетики: проблемы прогнозируемого истощения мировых запасов нефти, как наиболее технологичного источника получения жидкого моторного топлива, основных видов горючего для сегодняшней мировой топливной энергетики и сырья для промышлен-ности химического органического синтеза; проблемы нарастающего загрязнения земной атмосферы «парниковыми» газами, в основном - диоксидом углерода, являющегося продуктом сгорания и переработки топлива отраслями

Проект «Синтез» относится к новым, прорывным технологиям химической промышленности, имеет межотраслевой интегрирующий характер, кооперируя развитие научных и производственных направлений смежных отраслей химической, энергетической, нефтехимической промышленности и экоохранной деятельности, является фактором повышения квалифицированной занятости населения и улучшения экологической обстановки в локальных промышленных зонах и мегаполисах. Технология проекта позволяет решить принципиальные проблемы передачи электроэнергии от возобновляемых источников энергии на транспорт, представляя собой универсальное средство аккумулирования и передачи энергии, как в форме традиционных углеводородных жидких энергоносителей, так и в перспективной форме водородного топлива, обеспечивающих все виды транспортных средств на всех этапах переходного периода. Технология проекта решает общую проблему истощения углеводородных сырьевых источников для мировой промышленности органического синтеза, создавая альтер-нативную, возобновляемую сырьевую базу в виде техногенных выбросов парниковых газов (до 25 млрд.т./год), а также в виде запасов диоксида углерода, избыточно накопленных в земной атмосфере и превышающих по эквиваленту ( 500 млрд.т.) раз-веданные мировые запасы нефти. Промышленное освоение проекта «Синтез» позволяет комплексно решать ряд основных задач экономики России, в области экологии атмосферы, энергетики, ресурсо - сбережения и транспорта на основе технологии поглощения и высоко-рентабельной переработки парниковы х газов в жидкое синтетическое моторное топливо, водород или их производные:

2. Экологическая концепция проекта «Синтез» В земной атмосфере диоксид углерода (СО 2 ) находится в состоянии непрерывного замкнутого экологического круговорота, в котором поток СО 2, поступающий в атмосферу – около 350 млрд. т. СО 2 /год (в основном от разложения и окисления органических веществ биосферы Земли), равен потоку связывания СО 2 в процессах фотосинтеза, который осуществляют зелёные растения суши и океана, используя энергию солнечного излучения и аккумулируя ее в органические вещества – продукты фотосинтеза. Величина концентрации СО 2 в атмосфере определяется вековым динамическим равно- весием этих потоков и непрерывное нарастание её в течение последних 150 лет может свидетельствовать о нарушении данного векового равновесия. Техногенные выбросы диоксида углерода в атмосферу на сегодня достигают 25 млрд.т/год, т.е. около 7% общего природного круговорота СО 2 в атмосфере Земли и являются единственным в земной экосфере источником выбросов СО 2, не компенсирован- ным обратными процессами связывания СО 2, которых на сегодняшний день в мировой технике не существует. Основной концепцией проекта «Синтез» является создание промышленной техно - логии, осуществляющей извлечение диоксида углерода из промышленных выбросов, а также СО 2, избыточно накопленного в атмосфере Земли (не менее 500 млрд. т.), и переработку его в продукты, востребованные в хозяйственно-экономической деятель - ности - органические соединения и полимерные продукты, экологически чистое жидкое синтетическое моторное топливо и водородное топливо. Технология «Синтез» по мере её промышленного внедрения обеспечивает постепенное вовлечение выбросов СО 2 отраслями топливно-энергетической, химической, металлур- гической и пищевой промышленности в круговорот углерода, подобный природному, тем самым позволяя решать стоящую проблему сокращения техногенной эмиссии СО 2 в атмо- сферу на экономически рентабельной основе.

3. Существо технологии проекта «Синтез» Технология осуществляет совместную переработку продуктов сгорания и пере - работки углеводородного топлива - диоксида углерода и воды. Экспериментально отработанный вариант технологии, оптимизированный по экономическим и технологическим показателям для первых этапов внедрения, включает в себя четыре основных стадии: Извлечение и концентрирование диоксида углерода из разбавленных газовых промышленных выбросов (от 7% до 97% содержания СО 2 ) абсорбционно- десорбционными методами с использованием регенерируемых поглотителей на основе аминов. Данный процесс технологии в перспективе будет развиваться на извлечение диоксида углерода непосредственно из земной атмосферы с включением в технологию дополни-тельного газоселективного мембранного газоразделения. Восстановление диоксида углерода и воды до получения водорода и оксида углерода, т.е. синтез-газа, в параллельных процессах электролиза воды и химико-каталитического восстановления диоксида. Полученный в электролизе воды кислород утилизируется в параллельном процессе автотермической парокислородной конверсии метана, в котором производится дополнительный синтез-газ и избыточный (товарный) водород. Синтез углеводородов на основе конверсии типа Фишера-Тропша с получе- нием широкого спектра продуктов органического синтеза.

4. Энергетическая концепция технологии проекта «Синтез». На осуществление процесса восстановления углеводородов из окисленных продуктов их сгорания - диоксида углерода и воды - должен затрачиваться термодинамически определенный минимум энергии - электрической, химической, тепловой, в сумме составляющий для обратимого процесса не менее, чем энергосодержание (теплота сгорания) полученных углеводородных продуктов. Существенной особенностью технологии «Синтез» является то, что относительная величина затрат электрической энергии в технологии составляет 35…40% от энерго- содержания полученных углеводородных продуктов, т. е. 0,35…0,4 кВт·ч на 1 кВт·ч теплоты сгорания продуктов. Оставшаяся часть – 65% восполняется химической энергией углеродосодержащего рабочего тела, вовлекаемого в процесс синтеза - природного газа – метана (равно любого другого, например, угля и воды); при этом характерной особенностью данного процесса синтеза является его экологическая чистота – отсутствие образования и обратной эмиссии диоксида углерода в атмосферу и отсутствие затрат внешней тепловой энергии. При использовании технологии «Синтез» для целей энергоаккумулирования в энергосетях с переменной суточной нагрузкой (на основе обратного преобразования химической энергии полученных у глеводородов в электрическую) данные показатели обеспечивают коэффициент возврата энергии в сеть около %. Промышленное внедрение и развитие технологии «Синтез» тесно взаимосвязано с развитием нетопливных, возобновляемых видов электроэнергетики (атомной, гидро - солнечной и ветроэнергетики), обеспечивающих необходимую, экологически чистую электрическую составляющую для процесса переработки парниковых газов в синтез - газ и углеводороды.

Взаимодействуя с возобновляемой энергетикой промышленные объекты технологии «Синтез» будут решать не только экологические задачи сокращения выбросов «парниковых» газов, но комплексные задачи: обеспечение стабильными источниками химически чистого, базового промежуточ- ного сырья (синтез–газ, этилен, пропилен, конденсированные непредельные угле- водороды и т.п.) крупнотоннажных химических производств органических и Полимерных продуктов - полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, конструк - ционных пластмасс, метанола, синтетических моторных масел и т. п.; аккумулирование энергии нестабильных по своему характеру, возобновляемых Источников энергии ( ветро,- солнечных, гидро- и термоядерных), а также атомных источников и обеспечение передачи ее на транспорт в виде жидкого моторного топлива с экологическим качеством стандарта не ниже «Евро-4» и в виде водород- ного топлива. По мере развития технологии «Синтез» доля использования возобновляемых видов энергии будет увеличиваться с учетом территориального размещения промышленных объектов технологии в энергетических сетях с возобновляемыми источниками энергии и прямых поставок от энергопроизводителей АЭС и ГЭС, а также в соответствии с общим ходом развития нетопливных, экологически чистых отраслей мировой электро- энергетики.

5. Стратегия промышленного внедрения технологии «Синтез» Ближайший 10 -летний период государственного планирования предусматривает развитие проекта «Синтез» в рамках использования энергетических резервов н етоплив- ных объектов энергетики (атомных и гидроэлектростанций) в периоды ночных провалов потребления, составляющих 40…45 млрд. кВт·ч/год. Данные мощности позволяют переработать около 7 млн.тонн/год выбросов диоксида углерода и производить не менее 4 млн.т/год высокочистого синтетического сырьевого полупродукта (этилен, пропилен, альфа-олефины, парафины), обеспечивающего базовые потребности крупно- тоннажных российских химических производств полимеров и пластмасс - полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, каучука, синтетических моторных масел и др., а также производить около 7…8 млн. тонн/год жидкого моторного топлива повышенного экологического качества со стандартом не ниже «Евро-4», что покрывает около четверти общих потребностей внутреннего рынка России в автомобильном топливе. Использования объектами технологии «Синтез» энергии ночных провалов позволяет существенным образом улучшать экономические показатели эксплуатации и скорость самоокупаемости энергопроизводящих объектов и энергопередающих сетей на основе сокращения экономических потерь от вынужденного простоя и неполной загрузки оборудования ЕЭС, связанных с практическим отсутствием в системах ЕЭС России энергоаккумулирующих мощностей. Созданные сопряженными проектами «Солнечный ветер», «Базис», «Турбоветер» технологии эффективного преобразования и передачи электрической и тепловой составляющей потока солнечной энергии делает в будущем проект «Синтез» еще более эффективным и энергонезависимым от топливной энергетики..

6. Описание пилотного опытно-промышленного проекта комплекса переработки диоксида углерода в продукты органического синтеза и водород мощностью 5000 тонн в год В состав комплекса входят следующие узлы: Узел концентрирования СО 2 (рис.1) На выходе - очищенный диоксид углерода СО 2 Узел систем электролиза воды (рис.2) На выходе - очищенные водород Н 2 (99.99) и кислород О 2 (99.95) Узел конверсии диоксида углерода (рис.3) На выходе - синтез-газ (СО +Н 2 ) с остаточной примесью СО 2 и паров воды Узел конверсии метана.(рис.3) На выходе - синтез-газ (СО +Н 2 ), водород Н 2, газовый конденсат Узел синтеза углеводородов на базе реактора Фишера-Тропша (рис.4) На выходе - продукты органического синтеза (жидкие и газообразные углеводороды, моторное топливо (Евро 4), метанол, диметиловый эфир, уксусная кислота, и т. д.) По своему составу и конфигурации многоцелевая технология «Синтез» имеет большой потенциал совершенствования как по элементной базе исполнения, так и по структуре в зависимости от конечного продукта и источников энергии.

Рис.3 Узлы конверсии природного газа и двуокиси углерода

7. Экономические характеристики проекта «Синтез» и макро- экономические показатели развития экономики России с учетом внедрения проекта Эффективность энергетических и материальных балансов технологии «Синтез» определяет физические основы экономической рентабельности проекта, которая определяется как разность стоимости получаемой конечной углеводородной продукции технологии «Синтез» и себестоимости ее производства. Расчетно-экономическое исследование показателей финансово-экономической эффективности проекта, выполненное в профессиональной системе оценки эффективности и состоятельности инновационных проектов (Прил. 1) показывает, что рентабельность годового оборота производств по технологии «Синтез» после периода самоокупаемости составляет от 150 до 200% в зависимости от видов реализуемой конечной продукции технологии. Скорость самоокупаемости промышленных объектов технологии пропорциональ- на их производственной мощности, поскольку удельные капитальные затраты на единицу мощности нелинейно снижаются с увеличением общей производительности объекта. При проектной мощности пилотного образца опытно – промышленной линии переработки диоксида углерода около 5000 т. углеводородов в год и общей сметной стоимости пилотного этапа проекта 1200 млн.руб. период самоокупаемости полных инвестиционных затрат составляет около 1,8 – 2 года с момента ввода объекта в эксплуатацию. С развитием производственных мощностей проекта до т. углеводородов в год сметная величина капитальных затрат составляет млн.руб., а период самоокупаемости – менее 1 года с момента ввода мощностей в эксплуатацию.

Анализ моделей развития экономики России на период до 2015 года, выполнен- ный Центральным Экономико - Математическим Институтом РАН, показывает, что внедрение проекта «Синтез» может обеспечить дополнительный прирост ВВП России на 6.67% за указанный 8-летний период (см. Диаг.1, Диаг.2). Дополнительный прирост доходов на душу населения в номинальном выражении за 8 лет составляет 2,67% относительно базового варианта развития экономики (см. Диаг.3). Данное воздействие на экономическую систему, как показывает анализ ЦЭМИ РАН, не вызывает роста индекса потребительских цен и можно констатировать, что дополнительные доходы населения в данном воздействии не девальвируются инфляцией. Диаг.1. Сравнительный прирост ВВП России с учетом запуска проекта «Синтез» в ценах базового периода, в процентах (2007 год=100%)

Диаг. 2. Дополнительный прирост ВВП России относительно базового варианта развития экономики, в процентах. Диаг. 3. Прирост показателя «доход на душу населения» в номинальном выражении относительно базового варианта развития экономики, в процентах.

Приложение 1 Институт Перспективных Исследований при Отделении Общественных Наук РАН Диаграммы основных параметров проекта «Синтез» в варианте производства тонн уксусной кислоты в год Москва 2008