Российские учёные разработали технологию получения авиационного биокеросина из сосновых опилок и лузги подсолнечника. Полученное устойчивое авиационное топливо SAF испытали в малогабаритной газотурбинной установке и сравнили с традиционным нефтяным керосином ТС-1. Биотопливо обеспечило устойчивую работу двигателя и показало более низкие выбросы ряда загрязняющих веществ и меньший уровень шума, хотя максимальная тяга оказалась примерно на 10% ниже.
В работе участвовали специалисты Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, Томского политехнического университета, Южно-Российского государственного политехнического университета, Института нефтехимии и катализа Уфимского ФИЦ РАН и НИИ «Нанотехнологии и новые материалы».
В качестве сырья использовали непищевую биомассу второго поколения — древесные опилки и отходы переработки подсолнечника. В отличие от биотоплива из пищевых культур, такое сырьё не конкурирует с производством продуктов питания и одновременно позволяет использовать отходы лесной и сельскохозяйственной промышленности.
Получение топлива состояло из трёх основных этапов. Сначала биомассу газифицировали и превращали в смесь водорода и монооксида углерода — синтез-газ. Затем из него методом Фишера — Тропша получали жидкие углеводороды, после чего керосиновую фракцию подвергали гидроизомеризации, изменяя структуру молекул и улучшая свойства топлива при низких температурах.
Одной из ключевых частей технологии стали новые каталитические системы. Для синтеза Фишера — Тропша исследователи использовали гибридный катализатор с кобальтом и цеолитом ZSM-5, который увеличивал долю углеводородов керосинового диапазона. Для завершающей обработки применили катализатор на основе платины и пористого материала SAPO-11. В испытаниях он сохранял стабильность в течение 500 часов.
В результате исследователи получили топливо, примерно на 90% состоящее из разветвлённых углеводородов — изоалканов. Они обеспечивают низкую температуру застывания, что особенно важно для авиации, где топливо во время полёта длительное время находится при отрицательных температурах. В синтетическом керосине также практически отсутствовали ароматические углеводороды и было очень мало серы.
После анализа состава топливо испытали на малогабаритном газотурбинном двигателе. Стенд позволял воспроизводить разные режимы работы — от холостого хода до высокой нагрузки — и одновременно измерять тягу, расход топлива, температуру, давление, состав выхлопных газов и шум.
По данным исследователей, по сравнению с нефтяным керосином при сжигании SAF выбросы оксидов азота снизились примерно на 70%, диоксида серы — на 90%, а оксида углерода — на 50%. Уровень звукового давления уменьшился примерно на 10 дБ.
При этом обнаружился и недостаток: максимальная тяга двигателя на синтетическом топливе была примерно на 10% ниже. Авторы связывают это прежде всего с меньшей плотностью биокеросина — при одинаковом объёмном расходе в двигатель поступала меньшая масса топлива. Первичная научная публикация также отмечает более низкие выбросы, уменьшение шума и стабильную работу двигателя по сравнению с нефтяным керосином.
Одновременно биокеросин продемонстрировал более стабильные переходы между режимами работы двигателя. Исследователи не обнаружили выраженного гистерезиса дроссельной характеристики — ситуации, когда параметры двигателя при увеличении и уменьшении подачи топлива проходят через одни и те же режимы по-разному. Авторы связывают это с высокой реакционной способностью изоалканов.
Пока речь не идёт о готовом топливе для массовой гражданской авиации. Испытания проводились на исследовательской микрогазотурбинной установке, а для использования нового SAF в серийных самолётах потребуются дальнейшие испытания, стандартизация и сертификация.
Исследователи рассматривают прежде всего смешивание синтетического керосина с обычным Jet A-1 или его российскими аналогами. Официальное сообщение НИИ «Нанотехнологии и новые материалы» указывает, что характеристики позволяют рассматривать полученный продукт как компонент смеси с Jet A-1 в доле до 50% в рамках требований ASTM D7566. Для применения в чистом виде потребуется дополнительная доводка топлива.
Ещё одна нерешённая проблема — стоимость. Производство включает газификацию биомассы, каталитический синтез и дополнительную переработку полученных углеводородов. Сейчас такая цепочка значительно сложнее обычного производства авиационного керосина из нефти, а промышленных мощностей для выпуска российского топлива этого типа пока нет.
Тем не менее работа показывает полный технологический цикл — от отходов древесины и сельского хозяйства до получения керосиновой фракции и её реального сжигания в газотурбинном двигателе. Следующим этапом станет масштабирование технологии и более полные испытания топлива в условиях, приближенных к эксплуатации авиационных двигателей.
Исследование в журнале Fuel.