Экономия метанола — это предлагаемая будущая экономика, в которой метанол и диметиловый эфир заменяют ископаемое топливо как средство хранения энергии, топлива для наземного транспорта и сырья для синтетических углеводородов и их продуктов. Он предлагает альтернативу предлагаемой экономике водорода или экономике этанола.

В 1990-х годах лауреат Нобелевской премии Джордж А. Олах выступал за экономику метанола; в 2006 году он и два соавтора ГК Сурья Пракаш и Ален Гопперт опубликовали сводку состояния ископаемого топлива и альтернативных источников энергии, включая их доступность и ограничения, прежде чем предложить экономику метанола.

Метанол может быть получен из широкого круга источников, включая все еще богатые ископаемые виды топлива (природный газ, уголь, сланцы, битуминозные пески и т. Д.), А также сельскохозяйственные продукты и коммунальные отходы, древесину и разнообразную биомассу. Он также может быть получен из химической переработки двуокиси углерода.

Вступление
В 2005 году Нобелевский лауреат Джордж А. Олах призвал к созданию экономики в метаноле в эссе «За нефтью и газом: экономика метанола», а в 2006 году вместе с двумя другими соавторами опубликовал книгу на эту тему. В этих книгах, авторы подводят итоги состояния источников ископаемого топлива и других альтернативных источников энергии, их доступности и ограничений, прежде чем предлагать эксперименты по так называемой экономике метанола.

Метанол — это топливо, которое может использоваться как для тепловых двигателей, так и для топливных элементов. Благодаря хорошему октановому номеру он может использоваться непосредственно в качестве топлива в автомобилях (включая гибридные автомобили и вставные модели) с использованием уже существующих типов двигателей внутреннего сгорания. Метанол можно также использовать в топливном элементе, либо непосредственно, в клетках ДМФА, либо косвенно после его превращения в водород путем риформинга.

В нормальных условиях метанол представляет собой жидкость, которая позволяет легко хранить, транспортировать и распределять, подобно тому, как это делается с бензином и дизельным топливом. Химически его также можно быстро преобразовать путем дегидратации в диметиловый эфир, заменитель дизельного топлива, который имеет цетановое число 55.

В 2000 году метанол используется в больших масштабах (около 37 миллионов тонн в год) в качестве элементарного химического кирпича для производства многочисленных сложных химических веществ и полимерных материалов. Кроме того, он может быть легко превращен в процесс «метанол в олефин» (МТО) в этилене и пропилене, ненасыщенные углеводороды, которые могут быть использованы для получения синтетических углеводородов с более высокой молекулярной массой и других его производных, которые обычно получают из нефти и природный газ.

Источники метанола
Метанол может эффективно производиться из самых разных источников, в том числе из очень богатых видов ископаемого топлива (природный газ, уголь, сланцы, битуминозный песок и т. Д.), А также из сельскохозяйственных отходов и общего мусора, дифференцированного по городам, из древесины , и от различных видов биомассы.

Утилизация двуокиси углерода
Гораздо более радикальная гипотеза состоит в том, чтобы получить метанол из химической переработки двуокиси углерода. Первоначально основным источником могли быть выбросы, богатые CO 2, от электростанций, которые сжигают ископаемое топливо или сбросы от цементных заводов и других заводов. В более длительное время, учитывая уменьшение ресурсов ископаемого топлива и влияние их использования на атмосферу Земли, даже низкую концентрацию CO 2natural можно было бы захватывать и рециркулировать для получения метанола: таким образом это будет дополнением к тот же естественный цикл фотосинтеза.Разрабатываются новые, более эффективные поглощающие вещества, способные захватывать атмосферный СО 2, который в некоторых случаях имитирует действие живых растений. Химическая рециркуляция CO 2 для получения новых видов топлива и материалов могла бы стать возможной и устойчивой, что позволило бы возобновить использование этих «не ископаемых углеродных топлив» в масштабе времени, сопоставимом с человеческим сроком службы. В Исландии в 2011/2012 году с этой системой уже началось производство двух миллионов литров метанола в год.

Пользы

топливо
Метанол — это топливо для тепловых двигателей и топливных элементов. Благодаря высокооктановому значению он может использоваться непосредственно в качестве топлива в автомобилях с гибким топливом (включая гибридные и подключаемые гибридные транспортные средства) с использованием существующих двигателей внутреннего сгорания (ICE). Метанол можно также сжечь в некоторых других двигателях или обеспечить тепло при использовании других жидких топлив. Топливные элементы могут использовать метанол либо непосредственно в топливных элементах прямого метанола (DMFC), либо косвенно (после превращения в водород путем риформинга).
В двигателях внутреннего сгорания (ICE)
Метанол имеет высокое октановое число (RON 107 и MON 92), что делает его подходящим заменителем бензина. Он имеет более высокую скорость пламени, чем бензин, что приводит к большей эффективности, а также к более высокой температуре испарения испарения (в 3,7 раза выше, чем к бензину), что означает, что тепло, выделяемое двигателем, может быть удалено более эффективно, что позволяет использовать воздух охлажденные двигатели.Кроме того, ожоги метанолом дают меньше загрязняющих веществ, чем бензин, и являются более безопасными в случае пожара. Однако метанол имеет только половину содержания энергии на объем по сравнению с бензином (8 600 BTU / фунт).

В двигателях с воспламенением от сжатия (дизельный двигатель)
Метанол сам по себе является плохим заменителем дизельного топлива. Но из-за химической дегидратации метанол может быть превращен в диметиловый эфир (DME), который вместо этого является хорошим дизельным топливом с цетановым числом 55-60, лучше, чем цетановое число 45-55 обычного дизельного топлива. По сравнению с дизельным топливом, DME имеет значительно более низкие выбросы твердых частиц, NO x и CO и не выделяет ни одного диоксида серы или диоксида серы (SO x). Метанол также используется для производства биодизеля путем переэтерификации растительных масел.

В современных двигателях или топливных элементах, работающих на метаноле
Использование метанола и эфира-диметила можно комбинировать с гибридными двигателями и электромобилями, чтобы получить больший пробег (километры на литр) и снизить выбросы.Эти топлива могут использоваться как в топливных элементах, так и в катализаторах, которые осуществляют реформирование путем получения водорода для подачи топливного элемента или непосредственно «сжигания» метанола в топливные элементы с прямым метанолом (DMFCs).

Для производства электроэнергии
Метанол и ДМЭ могут использоваться в газовых турбинах для выработки электроэнергии. В настоящее время очень дорогие модели топливных элементов (PAFC, MCFC, SOFC) могут использоваться для производства электроэнергии, особенно в условиях, где требуется низкий уровень шума, в дополнение к низкой тепловой энергии, например, в больницах; или очень малый вес установки, как в воздушных или космических транспортных средствах.

В качестве внутреннего топлива
Метанол и ДМЭ могут использоваться в коммерческих зданиях и домах для производства тепла и / или электричества. DME может использоваться в коммерческих газовых плитах / кухнях без существенных изменений. В развивающихся странах метанол может использоваться в качестве топлива для кухни, поскольку он горит намного чище, чем древесина (меньше наночастиц и СО), и таким образом уменьшает некоторые проблемы, связанные с внутренним загрязнением. Однако должно быть смешанный с бензином, дизельным топливом или с окрашивающими адьюльтерами, чтобы избежать любого возможного мошенничества и смертельного использования в качестве добавки к напиткам, произошедшего в Италии с моным моном из метанола.

Основной элемент для химии и полимерных материалов
В настоящее время метанол широко используется в больших масштабах в качестве основного материала для производства различных химических веществ и других продуктов, таких как пластмассовые полимеры. В процессе, известном как «метанол к бензину» (MTG), метанол может быть превращен в бензин. Используя процесс «метанол в олефин» (МТО), метанол может быть превращен в этилен и пропилен алкены, два химических вещества, производимые в больших количествах нефтехимической промышленностью. Это важные строительные блоки для производства основных полимеров (ПЭНП, ПЭВП, ПП) и других химических промежуточных продуктов, которые в настоящее время производятся из нефтепродуктов.Поэтому их производство, начиная с метанола, может снизить зависимость от нефти. Это также позволит продолжать производство этих основных химических веществ и пластмасс даже после окончания складов ископаемого топлива.

Сырьем
Метанол уже используется сегодня в больших масштабах для производства различных химических веществ и продуктов. Глобальный спрос на метанол в качестве химического сырья достиг приблизительно 42 миллионов метрических тонн в год по состоянию на 2015 год. Через процесс метанол-бензин (MTG) он может быть превращен в бензин. Используя процесс метанол-олефин (МТО), метанол также может быть превращен в этилен и пропилен, причем два химических продукта, произведенных в крупнейших количествах нефтехимической промышленностью. Это важные строительные блоки для производства основных полимеров (ПЭНП, ПЭВП, ПП) и, как и другие химические промежуточные продукты, в настоящее время производятся главным образом из нефтяного сырья. Поэтому их производство из метанола может снизить нашу зависимость от нефти. Это также позволило бы продолжать производить эти химические вещества, когда запасы ископаемых видов топлива истощаются.

производство
Сегодня большинство метанола получают из метана через синтез-газ. Тринидад и Тобаго в настоящее время является крупнейшим в мире экспортером метанола, причем экспорт в основном приходится на Соединенные Штаты. Природный газ, который служит сырьем для производства метанола, поступает из тех же источников, что и другие виды использования.Для обеспечения необходимого газа также можно использовать нетрадиционные газовые ресурсы, такие как угольный метан, жесткий песчаный газ и, в конечном итоге, очень большие ресурсы гидрата метана, находящиеся под континентальными шельфами морей и сибирской и канадской тундрами.

Обычный путь метанола из метана проходит через генерацию синтез-газа путем парового риформинга, объединенного (или не) с частичным окислением. Также разрабатываются новые и более эффективные способы превращения метана в метанол. Они включают:

Окисление метаном с помощью гомогенных катализаторов в сернокислотных средах
Бромирование метана с последующим гидролизом полученного бромметана
Прямое окисление метана кислородом
Микробная или фотохимическая конверсия метана
Частичное окисление метана с улавливанием частично окисленного продукта и последующая экстракция на медь и железо, замещенные цеолитом (например, альфа-кислород)

Все эти синтетические маршруты испускают углекислый газ CO2 парникового газа. Чтобы смягчить это, метанол можно осуществить путём минимизации выбросов CO2. Одним из решений является получение его из синтез-газа, полученного газификацией биомассы. Для этой цели можно использовать любую биомассу, включая древесину, древесные отходы, траву, сельскохозяйственные культуры и их побочные продукты, отходы животных, водные растения и муниципальные отходы. Нет необходимости использовать продовольственные культуры, как в случае этанола из кукурузы, сахарного тростника и пшеницы.

Биомасса → Синтез (CO, CO ₂ , H ₂ ) → CH ₃ OH

Метанол может быть синтезирован из углерода и водорода из любого источника, включая все еще имеющиеся ископаемые виды топлива и биомассу. CO2, испускаемый электростанциями для сжигания ископаемого топлива и другими отраслями промышленности, и в конечном итоге даже CO2, содержащимся в воздухе, может быть источником углерода. Он также может быть сделан из химической переработки двуокиси углерода, которую Carbon Recycling International продемонстрировала на своем первом заводе по производству промышленных установок.Первоначально основным источником будут углекислые дымовые газы электростанций сжигания ископаемого топлива или выхлопных газов из цемента и других заводов. Однако в более широком диапазоне, учитывая уменьшение ресурсов ископаемого топлива и влияние их использования на земную атмосферу, даже низкую концентрацию самого СО2 в атмосфере можно было бы захватывать и рециркулировать с помощью метанола, тем самым дополняя собственный процесс фотосинтеза природы. Разрабатываются эффективные новые абсорбенты для поглощения атмосферного CO2, имитирующие способность растений. Таким образом, химическая переработка СО2 на новые виды топлива и материалов станет возможной, что сделает их возобновляемыми в человеческих масштабах.

Метанол также может быть получен из СО2 путем каталитического гидрирования СО2 с Н2, где водород получен из электролиза воды. Это процесс, используемый Carbon Recycling International в Исландии. Метанол может также производиться посредством электрохимического восстановления CO2, если имеется электрическая мощность. Энергия, необходимая для этих реакций для нейтрализации углерода, исходит из возобновляемых источников энергии, таких как ветер, гидроэлектроэнергия и солнечная энергия, а также ядерная энергия. По сути, все они позволяют хранить свободную энергию в легко транспортируемом метаноле, который производится немедленно из водорода и двуокиси углерода, а не пытается хранить энергию в свободном водороде.

CO ₂ + 3H ₂ → CH ₃ OH + H ₂ O
или с электрической энергией

CO ₂ + 5H ₂ O + 6 e ^-1 → CH ₃ OH + 6 HO ^-1
6 HO ^-1 → 3H ₂ O + 3/2 O ₂ + 6 e ^-1

Всего:
CO ₂ + 2H ₂ O + электрическая энергия → CH ₃ OH + 3/2 O ₂

Необходимый CO2 будет захвачен с электростанций сжигания ископаемого топлива и других промышленных дымовых газов, включая цементные заводы. С уменьшением ресурсов ископаемого топлива и, следовательно, выбросами CO2, можно также использовать содержание CO2 в воздухе. Учитывая низкую концентрацию СО2 в воздухе (0,04%), необходимо будет разработать улучшенные и экономически жизнеспособные технологии для поглощения СО2. По этой причине извлечение СО2 из воды может быть более осуществимым из-за его более высоких концентраций в растворенной форме. Это позволило бы химическую переработку СО2, таким образом имитируя фотосинтез природы.

преимущества
В процессе фотосинтеза зеленые растения используют энергию солнечного света для разделения воды на свободный кислород (который выделяется) и свободный водород. Вместо того, чтобы пытаться хранить водород, растения сразу же захватывают углекислый газ из воздуха, чтобы водород мог уменьшить его на хранящиеся виды топлива, такие как углеводороды (растительные масла и терпены) и полиспирты (глицерин, сахара и крахмалы).В экономике метанола любой процесс, который аналогичным образом вырабатывает свободный водород, предлагает немедленно использовать его «в плену» для уменьшения двуокиси углерода в метаноле, который, подобно растительным продуктам из фотосинтеза, имеет большие преимущества в хранении и транспортировке по самому свободному водороду.

Метанол является жидкостью в нормальных условиях, что позволяет хранить, транспортировать и распределять легко, подобно бензину и дизельному топливу. Его также можно легко трансформировать путем дегидратации в диметиловый эфир, заменитель дизельного топлива с цетановым числом 55.

Сравнение с водородом
Экономические преимущества метанола по сравнению с водородной экономикой:

Эффективное хранение энергии по объему по сравнению со сжатым водородом. Когда учитывается сосуд для ограничения давления водорода, также может быть реализовано преимущество в хранении энергии по весу. Объемная плотность энергии метанола значительно выше, чем жидкий водород, отчасти из-за низкой плотности жидкого водорода 71 г / л. Следовательно, на литр метанола (99 г / л) в литрах жидкого водорода на самом деле больше водорода, а метанолу не требуется криогенный контейнер, поддерживаемый при температуре -253 ° С.
Инфраструктура жидкого водорода будет чрезмерно дорогой. Метанол может использовать существующую инфраструктуру бензина с ограниченными модификациями.
Может смешиваться с бензином (например, в M85, смеси, содержащей 85% метанола и 15% бензина).
Удобный. Водород является летучим, а его ограничители используют высоконапорные или криогенные системы.
Меньшие потери: утечка водорода легче, чем метанол. Тепло будет испарять жидкий водород, давая ожидаемые потери до 0,3% в день в резервуарах для хранения. (см. Хранилища хранения Chart Ferox. Жидкий кислород).

Сравнение с этанолом
Может быть изготовлен из любого органического материала, используя проверенную технологию, проходящую через синтез-газ. Нет необходимости использовать продовольственные культуры и конкурировать с производством продуктов питания.Количество метанола, которое может быть получено из биомассы, намного превышает этанол.
Может конкурировать и дополнять этанол на диверсифицированном энергетическом рынке.Метанол, полученный из ископаемого топлива, имеет более низкую цену, чем этанол.
Может смешиваться в бензине, таком как этанол. В 2007 году Китай объединил более 1 млрд. Галлонов США (3 800 000 м3) метанола в топливо и будет внедрять стандарт метанольного топлива к середине 2008 года. M85, смесь 85% метанола и 15% бензина может использоваться так же, как E85, продаваемая на некоторых бензоколонках сегодня.

Недостатки
Высокие затраты на энергию в настоящее время связаны с созданием и транспортировкой водорода за пределами площадки.
В зависимости от исходного сырья генерация сама по себе может быть не чистой.
В настоящее время производится из природного газа, все еще зависящего от ископаемого топлива (хотя можно использовать любой горючий углеводород).
Плотность энергии (по массе или объему) в два раза превышает плотность бензина и на 24% меньше этанола

обращение
Если ингибиторы не используются, метанол является коррозионным для некоторых обычных металлов, включая алюминий, цинк и марганец. Части систем забора топлива двигателя выполнены из алюминия. Подобно этанолу, необходимо использовать совместимый материал для топливных баков, прокладок и впуска двигателя.
Как и в случае аналогичного коррозионного и гидрофильного этанола, существующие трубопроводы, предназначенные для нефтепродуктов, не могут обрабатывать метанол. Таким образом, метанол требует отгрузки с более высокой стоимостью энергии в грузовых автомобилях и поездах, до тех пор, пока не будет построена новая инфраструктура трубопровода или модернизированы существующие трубопроводы для транспортировки метанола.
Метанол, как спирт, увеличивает проницаемость некоторых пластмасс для испарения паров (например, полиэтилена высокой плотности). Это свойство метанола имеет возможность увеличения выбросов летучих органических соединений (ЛОС) из топлива, что способствует увеличению тропосферного озона и, возможно, воздействия на человека.

Низкая летучесть в холодную погоду: двигатели с чистым метанолом могут быть запущены, и они работают неэффективно до прогрева. Вот почему смесь, содержащая 85% метанола и 15% бензина под названием M85, обычно используется в ICE. Бензин позволяет двигателю запускаться даже при более низких температурах.
За исключением воздействия низкого уровня, метанол является токсичным. Метанол является смертельным при проглатывании в больших количествах (от 30 до 100 мл). Но и большинство моторных топлив, включая бензин (от 120 до 300 мл) и дизельное топливо. Бензин также содержит небольшое количество многих соединений, которые, как известно, являются канцерогенными (например, бензол). Метанол не является канцерогеном и не содержит канцерогенов. Однако метанол может метаболизироваться в организме до формальдегида, который является как токсичным, так и канцерогенным. Метанол встречается естественным образом в небольших количествах в организме человека и в съедобных плодах.
Метанол — жидкость: это создает более высокий риск пожара по сравнению с водородом в открытых пространствах, поскольку утечки метанола не рассеиваются. Метанол горит невидимо в отличие от бензина. Однако, по сравнению с бензином, метанол намного безопаснее. Труднее воспламеняться и выделять меньше тепла, когда он горит. Метанольные пожары можно гасить простой водой, тогда как бензин плавает на воде и продолжает гореть.EPA подсчитало, что переключение топлива с бензина на метанол уменьшит количество пожаров, связанных с топливом, на 90%.
Метанол является водорастворимым: он случайно удаляется, он может подвергаться относительно быстрому переносу грунтовых вод, вызывая загрязнение грунтовых вод, хотя этот риск не был тщательно изучен. Однако случайное выброс метанола в окружающую среду может привести к гораздо меньшему ущербу, чем сопоставимый бензин или разлив нефти. В отличие от этих видов топлива метанол является биодеградируемым и полностью растворим в воде и быстро разводится до концентрации, достаточно низкой для микроорганизма, чтобы начать биодеградации. Этот эффект уже используется на очистных сооружениях, где метанол уже используется для денитрификации и в качестве питательного вещества для бактерий.

заявка
Метанол и его производные, такие как диметиловый эфир, могут затем использоваться для выработки электроэнергии как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в качестве топлива в метанольных топливных элементах.

Хранение, транспортировка и распределение метанола, который является жидким при комнатной температуре, могут использовать существующую инфраструктуру и технологию.Затем могут быть эффективно перекрыты большие расстояния между потребителями и производителями регенеративных энергий. Плотность хранения энергии составляет около 50% от плотности хранения для бензина и дизельного топлива.

Европа
В Исландии Carbon Recycling International управляет производством метанола. Завод был назван в честь Олаха.

В Германии существует проект инициативы Carbon2Chem от ThyssenKrupp и Федерального министерства образования и исследований по производству метанола из плавильных заводов.

Китай
Согласно исследованию консалтинговой фирмы Methanol Market Services Asia (MMSA), по оценкам, мировые мощности увеличится на 55,8 млн. Тонн в 2027 году, из которых 38 млн. Тонн будут использоваться в качестве топлива.

Производство метанола в Китае в основном основано на угле и должно использоваться как в качестве топлива с высоким содержанием метанола, такого как M85 и M100, и в качестве производного, такого как диметиловый эфир. В 2007 году цена метанола в Китае составляла около 40% от цены бензина. Государственные комиссии в Китае работают над национальными стандартами метанольного топлива, китайские автопроизводители работают над улучшенными двигателями метанола.

Ожидается, что китайская мощность по производству диметилового эфира из метанола вырастет с чуть более миллиона тонн в 2007 году до более шести миллионов тонн. Только компания Sinopec хочет расширить свою мощность DME до трех миллионов тонн.