В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики
Непищевые остатки культивируемых растений, траву и отходы древесины относят ко второму поколению биосырья. Его получение в принципе связано с гораздо меньшим объемом затрат, чем культур первого поколения. Но при этом резко возрастают расходы на его сбор, подготовку и переработку. Такое сырье содержит в основном целлюлозу и лигнин. Его можно непосредственно сжигать (как это традиционно делают с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз с получением жидких и газообразных продуктов. Основные недостатки использования второго поколения биосырья – занимаемые для его получения земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.
В качестве третьего поколения биосырья рассматривают водоросли. Их производство не требует земельных ресурсов, допускает большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Однако при использовании для его производства природных водоемов могут возникнуть серьезные экологические последствия для окружающих природных ландшафтов. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах возможно их выращивание в небольших биореакторах, расположенных, например, вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть более 70 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.
Ряд европейских стран в настоящее время рассматривает как перспективное направление производство биомассы культивированием фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Последующее метановое брожение биомассы и гидроксилирование образующегося метана позволяют получать в качестве биотоплива метанол. Основным доводом в пользу использования микроскопических водорослей является высокая продуктивность фитопланктона, до 100 т/га в год. Кроме того, при этом не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода, и нет конкуренции с сельскохозяйственным производством. Поэтому с точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Однако осуществлению подобных проектов пока не способствует общемировая тенденция снижения цен на нефть.
По своему агрегатному состоянию биотоплива могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Твердые топлива – это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки), топливные гранулы и пеллеты (прессованные мелкие остатки деревообработки). Жидкие топлива – это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут, получаемые из растительного сырья. Наконец, газообразные топлива – это различные газовые смеси, состоящие из метана, оксидов углерода, водорода и других газов, получаемые при термическом разложении биосырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при его сбраживании под воздействием бактерий.
Помимо непосредственно сельскохозяйственных продуктов источниками сырья для получения биотоплива могут быть лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как использованы пригодные для пищевой промышленности части биологического сырья. Наряду с биологическими процессами брожения для получения биотоплив применяют термический пиролиз, который позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. По некоторым оценкам, при ныне существующих технологиях производство топлив пиролизом отходов и бросовой биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. А к 2030 году, по мере технологического развития, ожидается, что пиролиз биомассы сможет обеспечить до 35 % германского потребления автомобильного топлива при себестоимости производства менее 0,80 евро за литр. Возможно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. В этом случае для перегонки используются в основном отходы деревообработки: сучья, пни, кора. Выход топливных фракций достигает 100 килограммов с тонны древесных отходов.
К наиболее широко используемым видам биотоплива относится биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. При сбраживании куриного помета или отходов скотоводческих хозяйств, а также бытового мусора возможно получение биогаза, на 70–80 % состоящего из метана и являющегося вполне полноценной заменой природному газу. Мировым лидером по использованию этого вида топлива является Китай. В 2008 году в стране функционировало около 30 млн индивидуальных установок по производству биогаза, обеспечивающих топливом около 22 % сельских жителей страны. Объем получаемого таким образом газа, по данным на 2005 год, составил около 6,5 млрд кубометров. Для развивающихся стран ценность подобной переработки отходов заключается в первую очередь в возможности обеспечить сельских жителей природным газом, используемым для обогрева жилища или приготовления пищи. Напротив, в Германии, являющейся лидером в этой области среди развитых стран, подавляющая часть биогаза поступает на электростанции. Последние годы подобное применение биогаза становится характерным и для Китая. Для утилизации своих отходов агрохолдинги строят небольшие ТЭС, способные обеспечивать электроэнергией до 10 тыс. квартир.
Наконец, ряд микроорганизмов, например Botryococcus braunii, способны накапливать в процессе своей жизнедеятельности углеводороды, до 40 % общего сухого веса. В основном они представлены изопреноидными углеводородами.
Большой интерес к биотопливу инициировал план тогдашнего президента США Дж. Буша, в 2007 году предложившего сократить за 10 лет потребление бензина в стране на 20 % за счет его замены биотопливом. Это позволило бы на 10 % сократить потребление нефти в США. Подписанный им закон об Энергетической независимости и безопасности (EISA, 2007) предусматривает производство 36 млрд галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд галлонов этанола должно производиться из непищевого сырья – целлюлозы. В ходе реализации этого закона в США было построено более 200 заводов, которые сейчас производят около 45 млн тонн биоэтанола в год.
Использование биоэтанола в составе автомобильных бензинов действительно способствует снижению загрязнения воздуха транспортными средствами. Благодаря присутствию атома кислорода в молекуле этанола бензин обогащается кислородом, что обеспечивает более полное сгорание топлива, снижение токсичности выхлопных газов и содержание в них твердых частиц. Кроме того, 10 %-ная добавка этанола, имеющего октановое число 108, поднимает на 2–3 пункта октановое число топлива. Однако этанол является менее «энергоплотным» энергоносителем, чем бензин; пробег машин, работающих на топливе Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина), на единицу объема топлива составляет примерно 75 % от пробега машин на стандартном топливе. Автомобили с обычными двигателями могут использовать топлива до Е15, содержащие до 15 % добавки этанола к бензину. На смеси Е85 и чистом этаноле могут работать только специально адаптированные «гибкотопливные» (Flex-Fuel) автомобили.
До инициативы Дж. Буша мировым лидером в производстве и использовании биоэтанола в качестве автомобильного топлива в течение многих лет являлась Бразилия, где его производят из сахарного тростника. Автозаправки в Бразилии предлагают Е20 (или Е25) как обычный бензин, или «acool», в котором число показывает содержание в бензине азеотропной смеси этанола и воды (96 % С2Н5ОН и 4 % воды). Поскольку в Бразилии этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики дополнительно разбавляют Е20 этанолом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %.
Помимо биометанола и биоэтанола в качестве перспективного биотоплива рассматривается биобутанол. Бутанол, или бутиловый спирт (C4H10O), широко используется в промышленности. Он начал производиться в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum, но затем перешли на его производство из нефтепродуктов. Бутанол не обладает коррозионными свойствами и может передаваться с использованием существующей топливной инфраструктуры. Он хорошо смешивается с традиционными нефтяными топливами, а теплотворная способность бутанола близка к теплотворной способности бензина. Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.
В отличие от американского континента в европейских странах наиболее популярным видом биотоплива является биодизель – дизельное топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сырьем может быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности и кулинарного производства. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.
