«Уменьшить углеродный след»: российский учёный — о разработке экологичного топлива для гражданской авиации

В 2024 году команда томских инженеров выпустит первую партию экологичного композиционного топлива для гражданской авиации и начнёт его стендовые испытания на газотурбинных двигателях. Об этом в интервью RT рассказал профессор, директор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ) Дмитрий Глушков. По его словам, композиционное топливо будет представлять собой авиакеросин, синтезированный из нефтяных и растительных компонентов. Доля биосырья в жидком горючем может составить 50%, при этом по качественным параметрам оно не будет отличаться от керосина, который используется сейчас. Как пояснил Глушков, производство композиционного топлива необходимо для снижения вредных выбросов в атмосферу и отвечает государственной политике, направленной на достижение углеродной нейтральности.

— Что такое композиционное топливо и чем оно отличается от традиционного горючего?

— Для изготовления такого топлива используется сырьё разного вида. С одной стороны, мы берём продукт из сырой нефти, с другой — биологического происхождения, который ещё называют SAF (sustainable aviation fuel, или устойчивое авиационное топливо. — RT). Если смешать их, то получится композиционное топливо, то есть жидкое горючее, изготовленное из компонентов совершенно разного происхождения.

Несмотря на то, что нефть по-прежнему остаётся основным сырьём, в мировой авиаотрасли наметилась тенденция соединять керосин нефтяного происхождения с биотопливом, произведенным из рапса, кукурузы, водорослей, пищевых и коммунальных отходов, другого растительного или животного сырья. Это делается для того, чтобы уменьшить углеродный след, который самолёты оставляют в атмосфере.

Разработка композиционного топлива — это действительно очень перспективное направление инженерной мысли. Нефть — невозобновляемый ресурс, её запасы сокращаются, и цены на углеводородные источники энергии будут лишь расти. Поэтому заблаговременная разработка альтернативы — естественный процесс.

Конечно, при нынешних возможностях биологическое топливо будет дороже нефтяного. Но в долгосрочной перспективе обязательно появятся технологии, которые уравняют биотопливо в цене с керосином или бензином.

На сегодняшний день выпускать топливо из биосырья в объёмах, необходимых всей стране, затратно. Потребуется строительство новых мощностей и значительные инвестиции. Поэтому на начальном этапе можно постепенно наращивать растительную долю в том же авиационном керосине и постепенно доводить её до 50%.

Этот компромиссный вариант позволит топливному заводу частично модернизировать своё производство под выпуск биосырья. При этом появление горючего с небольшой долей SAF не провоцирует рост цен на авиабилеты.

— Как необходимо модернизировать заводы для производства композиционного топлива?

— Речь идёт о покупке оборудования, которое производится в РФ. То есть промышленности понадобится дооснастить имеющиеся технологические мощности, которые настроены на производство топлива из нефтяного сырья. Появится отдельный блок для биосырья, который включат в полноценный топливный цикл. Расходы на модернизацию составят 10—15% от суммы, которая бы потребовалась на строительство отдельного предприятия по выпуску биотоплива с нуля.

— Сколько времени понадобится авиации, чтобы полностью перейти на SAF-топливо?

— Несколько десятилетий. Например, Евросоюз обязал поставщиков топлива для европейских аэропортов с 2025 года использовать не менее 2% SAF в авиакеросине, с 2030-го — 6% и только к 2050 году — 70%. 

Необходимость долгосрочного планирования решения подобных задач учитывается и в РФ. Напомню, в октябре 2023 года президент России утвердил новую Климатическую доктрину, согласно которой Россия должна достичь углеродной нейтральности к 2060 году. Этой цели как раз отвечает перевод авиации на композиционное топливо.

Есть и ещё один нюанс. Рано или поздно геополитическая ситуация изменится. Российские лайнеры снова начнут интенсивно летать по всему миру, где уже будут действовать новые экологические стандарты. И очевидно, что нашим перевозчикам неизбежно придётся переходить на композиционное топливо.

Разумеется, будет лучше, если оно будет отечественным и не будет уступать по качеству зарубежным аналогам. Тогда им можно будет заправлять и самолёты зарубежных авиакомпаний в российских аэропортах.

— Получается, композиционный авиакеросин подойдёт для самолёта с любым двигателем?

— Авиакеросин применим абсолютно ко всем двигателям, которые сегодня серийно выпускаются для лайнеров или беспилотников. В авиации жёсткие нормативные требования к горючему, более 50 стандартов, и, по сути, нет разницы, на каком заводе оно выпущено.

Наше композиционное топливо ничем не будет отличаться от существующих аналогов. Сегодня в России основная марка авиакеросина — ТС-1, на нём летает более 90% всей отечественной авиации. У зарубежного авиакеросина вариантов больше, например Jet A, Jet A-1,JP-5 и другие. Разные вариации среди прочего отличаются между собой в том числе долей биосырья в составе.

— Часто учёные говорят об композиционном топливе во множественном числе. Почему?

— Авиационный керосин используется в реактивных двигателях лайнеров. Малая авиация и беспилотники, где применяются поршневые двигатели, чаще летают на авиационном бензине. Мы работаем над обоими видами топлива и в перспективе развиваем направление для двигателей внутреннего сгорания, дизелей, моторов для морских и речных судов.

В наших планах охватить весь спектр. Но в первую очередь мы сосредоточились именно на авиакеросине, потому что хотим помочь избежать ограничений, которые в перспективе массово возникнут у российских авиакомпаний при перелётах в Европу или Северную Америку. Затем в пределах одного года реализуем и композиционный бензин для поршневых авиадвигателей.

— Сколько людей работает над созданием композиционного топлива? С какими промышленными и научными организациями сотрудничаете?

— Наш проект реализуется в Передовой инженерной школе Томского политеха и поддерживается из федерального бюджета. В коллективе 24 человека. Это сотрудники университета, аспиранты и студенты.

Основной научный партнёр проекта — Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова (ЦИАМ. — RT). Без испытаний и выдачи официального заключения этой организации ни одно топливо невозможно использовать в отечественной авиации.

Также к работе подключены и приглашённые специалисты. Так, сотрудники томских IT-компаний участвуют в создании интеллектуальной системы, которая поможет технологу на заводе задать нужные параметры для производства композиционного топлива. Допустим, нужно снизить экологическую нагрузку или повысить экономичность. Интеллектуальная система подскажет, какое сырьё и в каких пропорциях взять на начальном этапе, чтобы получить полноценный продукт для коммерческого применения.

Передовая инженерная школа ТПУ взаимодействует с Центром мониторинга новых технологий (исследовательская компания специализируется в том числе на производстве альтернативных видов топлива. — RT) и компанией «Газпромнефть — Промышленные инновации».

На нашей площадке планируется проводить тестирование новых образцов SAF-топлива на лабораторном стенде с газотурбинными двигателями. В этих работах заинтересованы представители других нефтеперерабатывающих компаний и исследовательских центров, деятельность которых направлена на производство компонентов топлива, присадок, катализаторов. Наша лаборатория выступает в качестве отраслевого центра для тестирования такой продукции в малых объёмах. 

Добавлю, что в томской лаборатории в качестве приглашённого консультанта работает начальник отдела «Двигатели и химмотология» ЦИАМ Леонид Самойлович Яновский — один из ведущих специалистов страны в области авиационного топлива. При его активном участии мы провели цикл исследований. В результате получили весь спектр характеристик по сырью, которое должно стать основой для производства биотоплива в промышленных масштабах.

Мы работали с талловым, рыжиковым, рапсовым маслом и пищевыми отходами. Осенью 2023 года с помощью метода Фишера-Тропша, каталитического крекинга и гидрокрекинга были получены образцы биотоплива. Суть этих методов заключается в переводе твёрдого или жидкого сырья в газообразное состояние, из которого получается нужный жидкий продукт.

В 2024 году нам предстоит синтезировать топливо объёмом в несколько литров и начать стендовые испытания. В нашей лаборатории находятся газотурбинные двигатели, которые обладают всеми характеристиками моторов больших размеров. Мы одновременно попробуем в работе как био-, так и композиционное топливо с различными долями растительной составляющей — от 10 до 50%. Чем больше вариантов испытаем, тем качественнее будет результат.

В планах выйти на полупромышленное производство биотоплива в сотни литров. Такого количества горючего уже будет достаточно, чтобы запустить испытания на испытательных двигательных установках ЦИАМ.

— Почему в качестве основы биотоплива вы не выбрали кукурузное сырьё, которого в России, кажется, в избытке? 

— Выбор сырья для производства компонентов топлива всегда связан с одновременным учётом экономических, логистических, технологических, эксплуатационных и иных индикаторов. В последние годы довольно много аналитических исследований проведено как в мире, так и в России. Основные приоритеты отдаются талловому, рапсовому, рыжиковому маслам, а также отходам кулинарных жиров и масел. Здесь важно учитывать возможные варианты повторного использования отходов и сырья. Поэтому проводится достаточно скрупулёзная аналитическая работа.

Технология выпуска авиационного биотоплива подразумевает, что на начальном этапе мы можем использовать как один тип сырья, так и несколько, смешивая их друг с другом. Важен конечный продукт и его соответствие жёстким нормативным требованиям. Кукурузу же мы не рассматривали, поскольку она слишком вовлечена в пищевую промышленность и вряд ли может рассматриваться как потенциальный энергоресурс.

— Может ли водород стать конкурентным видом топлива?

— Считаю, что идея о водородном топливе для авиации несколько утопична. Для этого понадобится перестроить всю промышленную инфраструктуру. Придётся проектировать и выпускать новые двигатели, новые летательные аппараты, вложив в эти проекты колоссальные средства. Расходы на внедрение водорода в авиаотрасль будут несопоставимы с плавным переходом на биологический аналог авиакеросина.

— Вы уже запланировали первый полёт летательного аппарата на композиционном топливе?

— Ориентируемся на 2025 год. После испытаний на земле с помощью нашего уникального лабораторного стенда с реактивными двигателями мы планируем натурные испытания. Пока мы не говорим о гражданских самолётах — начнём с беспилотников. В Томской области запускается большой проект по инновациям в области БПЛА. Также есть интерес у компаний из Москвы и Санкт-Петербурга, производящих и эксплуатирующих дроны. Нам важно не просто реализовать полёт, а обеспечить мониторинг всех ключевых характеристик в различных режимах.

Так мы сможем продемонстрировать топливным заводам и авиакомпаниям, что российский биокеросин и биобензин — это реальность, что это горючее можно и нужно производить в промышленных масштабах. При этом не потребуется кардинально перестраивать технологические процессы. По нашим оценкам, перевод заводов на производство нового горючего будет постепенным и займёт два—три года.

Не исключаем, что к этому времени появится решение федеральных властей, которое будет регламентировать использование биотоплива в стране. По крайней мере, мы видим стремление Минэнерго и других правительственных структур освоить потенциал использования биотоплива, в том числе в авиационной сфере.