Растим и ездим

В авиации есть понятие «точка невозврата»: если она пройдена, взлетающий самолет остановить нельзя. Мировой рынок биоэнергетики свою точку невозврата уже прошел: есть сырьевая база, создана инфраструктура, из растительных источников производится определенная часть энергоносителей, в частности моторное топливо. Как и из чего делают биотопливо сегодня и на какое сырье возлагают особые надежды?

Получение энергии из возобновляемых источников — мировой тренд. Но ведь ВИЭ — это не только ветер, Солнце и вода, но и, например, растительное сырье. Биотопливо фигурирует в большинстве сценариев энергетики будущего; при этом дискуссии о его роли и проблемах, с которыми сопряжено сегодня его производство, не утихают.

В 1900 году на Всемирной выставке в Париже — той самой, для которой в городе построили вокзал Орсэ и мост Александра III, — создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия Рудольф Дизель представил модель своего изобретения, работавшую на растительном масле. Через 12 лет Р. Дизель высказал уверенность в том, что ­когда-­нибудь масло станет важным видом топлива.

Cпустя век мы можем оценить его прогноз и в свою очередь предположить, какая роль отведена биотопливу в будущем.

На дворе — дрова, в баке — спирт

Биотопливом называют любое топливо из сырья растительного или животного происхождения, включая отходы жизнедеятельности организмов. Оно может быть твердым, жидким или газообразным. Самый простой пример твердого биотоплива — древесина. Человек веками использовал и продолжает использовать ее для получения энергии — как в традиционном виде, так и применяя современные решения, например, древесные пеллеты или топливные гранулы, производимые как из собственно древесины, так и из отходов деревообработки: коры, соломы, шелухи и пр.

Газообразное топливо получают из биомассы или отходов путем анаэробного сбраживания. Органическая масса разлагается с образованием смеси, бóльшая часть которой — метан, меньшая — углекислый газ. Сырьем для биогаза могут стать любые органические отходы: трава, навоз, овощные очистки и гнилые плоды, отходы мясопереработки, рыбных цехов, молокозаводов, производства спирта и пр. Установки, в которых происходит сбраживание, называют биогазовыми. Они получили широкое распространение в жарких странах, например Юго-­Восточной Азии, поскольку процесс получения биогаза энергозатратный и для эффективного сбраживания биомассы требуется повышенная температура.

В последние 40 лет основное внимание было приковано к теме жидкого биотоплива, которое производится из сельскохозяйственных растений, содержащих большой процент сахаров, крахмала или жиров, и используется главным образом как добавка к традиционным моторным топливам. Сырьем для такого биотоплива могут служить несколько видов растений. Например, из сахаросодержащих: тростника, свеклы, картофеля, кукурузы, сорго — можно производить этиловый спирт, используемый как добавка к бензину. Из крахмала, содержащегося в одной тонне кукурузы, можно получить до 410 литров этанола.

Этанол — самое распространенное биотопливо в мире. «Биоэтанол используется как добавка к бензину; возможно несколько вариантов смесей: Е10, Е25, Е30, Е50 и так далее. „Е“ — это этанол, цифра — его содержание в смесевом топливе, — объясняет доктор химических наук, руководитель отдела тонкого органического синтеза и ­возобновляемых ­источников энергии Института катализа СО РАН Вадим Яковлев. — Если мы говорим о дизельных двигателях, там в качестве биодобавки используется биодизель. Его содержание в смеси не должно превышать 20%, иначе нужно переделывать двигатель внутреннего сгорания. Биодизель представляет собой эфиры жирных кислот, из которых состоят масляничные компоненты растительного сырья. По составу они существенно отличаются от традиционных нефтепродуктов, в первую очередь за счет высокого содержания кислорода — около 13%. Из-за этого технико-­экономические характеристики и некоторые эксплуатационные параметры биодизеля несколько ниже, чем ­дизельного топлива ­нефтяного ­происхождения».

Однако, по словам В. Яковлева, есть технологии, которые позволяют исправить этот недостаток, убрав из масляничных компонентов кислород, в результате чего получается такой вид биотоплива, как гриндизель: «После обработки сырья путем гидродеоксигенации получается биотопливо без кислорода, фракции которого по своим характеристикам соответствуют лучшим маркам авиационного керосина и арктического дизельного топлива. Гриндизель, или суперцетан, как его еще называют, в западных странах используется, например, для заправки самолетов как добавка к авиационному керосину типа Jet A‑1, правда, пока главным образом в демонстрационно-­испытательных целях».

Ивовая энергетика

Древнейший вид биотоплива, актуальный и сегодня, — древесина. Существует понятие «энергетический лес» — это быстрорастущие деревья и кустарники: тополь, ива, акация, бамбук, эвкалипт. Речь идет буквально о плантациях, урожай с которых снимают, в зависимости от вида, уже на третий-­пятый год, а используют в течение 30−35 лет.

Яркий пример — энергетическое лесоводство, которое активно развивают в Швеции с 1980-х годов. Там большие площади засаживают разными видами ивы, в том числе, например, гибридами ивы корзиночной. Это растение часто встречается в средней полосе России и в Сибири по берегам водоемов, из ее коры и прута традиционно плетут сети, корзины и даже мебель. В Швеции ивовыми лесами засажены десятки тысяч гектаров земли, с 1 га можно получить до 30 тонн энергетической древесины.

Бразильский опыт

Считается, что история моторного топлива началась со спирта — с ним экспериментировал Николас Отто, изобретатель четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, запатентовавший свое творение в 1876 году. Опыты с углем и бензином начались много позже, в самом конце XIX века, а спирт в качестве топлива для автомобилей начали использовать лишь в начале XX века. По замыслу Генри Форда, его «Жестянка Лиззи» — «Модель T», выпускавшаяся с 1908 по 1927 год и признанная впоследствии автомобилем столетия, — могла ездить, в числе прочего, на смеси бензина и этанола из кукурузы. В конце концов победила дешевая нефть.

Интерес к этанолу как топливу вернул нефтяной кризис 1973 года. Нефтяное эмбарго и резкий рост цен на нефть, а следовательно, и на топливо повлияли на развитие промышленности многих стран. В США радикально изменился автопром: страна ушла от прожорливых тяжеловесов к легким компактным автомобилям; Япония взяла курс на развитие наукоемких технологий, а СССР — на наращивание добычи и экспорта нефти.

Осваивать ресурсы решила и Бразилия, но — биологические. Там сделали ставку на использование в качестве моторного топлива этанола из сахарного тростника, который культивируется в тех местах с XVI века и был важным источником доходов еще для португальцев, наряду с кофе и ценными породами дерева. Тростник неприхотлив, растет быстро и богат сахаром — идеальное сырье для производства качественного и дешевого этилового спирта.

Бразилия остается крупнейшим производителем сахара, а реализация программы Pró-­Álcool, запущенной в 1975 году, сделала ее одним из мировых лидеров по производству этанола. Программа была направлена на постепенный отказ от традиционных видов топлива и переход на биотопливо — в частности, на произведенный из тростника этанол. Первым шагом было топливо Е10 — с 10-процентным содержанием этанола; в 2007 году обязательной стала смесь Е25, а в 2015-м — Е27. Кстати, первый коммерческий автомобиль, способный ездить на чистом водном этаноле (Е100) — Fiat 147, — был выпущен в Бразилии еще в 1979-м.

Всего через 10 лет действия программы Pró-­Álcool производство этанола в Бразилии достигло 12 млрд литров в год. В прошлом году страна произвела 35 млрд литров. При этом аналитики опасались, что и этого количества, рекордного за всю историю наблюдений, не хватит для удовлетворения внутреннего спроса на биотопливо.

Как устроена биоэнергетическая деревня

Есть целые поселения, полностью удовлетворяющие свои энергетические потребности за счет биоэнергетики. Вот как это устроено в населенном пункте Юнде в Нижней Саксонии — первой биоэнергетической деревне Германии. С 2005 года поселение, в котором проживают чуть больше 1 тыс. человек, снабжает электроэнергией и теплом биогазовая установка, работающая на выращенных в окрестностях злаковых культурах: ячмене и пшенице, — а также на отходах жизнедеятельности животных, которых содержат на десятке местных ферм. Каждый день установка, для строительства которой жители создали кооператив, перерабатывает 32 тонны силоса и 29 м³ навоза.

В качестве резервного источника используется котельная, топливо для которой — прессованные отходы деревообработки; также там установлен масляный котел. В год биозавод в Юнде производит около 5 млн кВт·ч электроэнергии, что превышает потребности деревни, поэтому излишки энергии она продает. Опыт Юнде переняли другие населенные пункты Германии — уже через 10 лет, к 2015 году, в стране появилось 175 биоэнергетических деревень.

Борьба за землю

Существует целый ряд проблем, связанных с производством биотоплива и влияющих на развитие этого рынка. Одна из самых обсуждаемых — борьба за землю: с одной стороны, рост производства сырья для биоэтанола и биодизеля — это дополнительные рабочие места и возможность расширения для мелких сельхозпроизводителей, что особенно актуально для развивающихся стран, где 75% населения зависит от сельского хозяйства. С другой стороны, объектом конкуренции между энергетическими и пищевыми культурами становятся земли сельскохозяйственного назначения. Кроме того, биотопливную индустрию обвиняют в росте цен на продовольственном рынке, к которому приводят «захваты» пахотных земель.

О влиянии индустрии биотоплива на цены на продовольствие не раз говорила ФАО — Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН. Биотопливу была посвящена бóльшая часть доклада «Положение дел в области продовольствия и сельского хозяйства», вышедшего в 2008 году. «Когда сельскохозяйственные культуры используются для производства биотоплива, первым непосредственным следствием этого становится снижение наличного объема сельхозпродукции для использования на продовольственные и кормовые цели. Это вызывает рост цен и снижение потребления продовольствия малообеспеченными слоями населения. Это также приводит к тому, что фермеры расширяют свое производство. Кроме того, как в производстве, так и в потреблении действует эффект замещения, вследствие чего рост цен распространяется и на другие культуры», — сообщают авторы доклада.

Стремление найти компромисс заставляет производителей биотоплива обращать внимание на культуры, которые не конкурируют с пищевыми. Один из примеров — мискантус, травянистое растение, распространенное в Азии и Африке.

Мискантус неприхотлив: выживает при засухе и низких температурах, не требует ухода, не особенно интересует вредителей, растет быстро и нормально себя чувствует на так называемых маргинальных землях, не пригодных к выращиванию сельскохозяйственных растений. Из биомассы мискантуса, который дает урожай до 30 тонн с гектара, можно делать, например, пеллеты для обогрева помещений.

Другое неприхотливое растение, растущее на бедных почвах и привлекшее внимание производителей биотоплива, — ятрофа.

Ее семена содержат до 40% масла, которое можно использовать для производства биодизеля или гриндизеля; само же растение перерабатывается в энергетических целях. Ставку на ятрофу сделал в свое время Китай. В 2006—2007 годах там была принята Программа развития возобновляемых источников энергии, которая закрепляла ряд требований к выращиванию сырья для биотоплива: оно «не должно конкурировать с зерновыми культурами за землю, с продовольствием, в котором нуждаются потребители, с кормом для скота и не должно вредить окружающей среде».

Одна из самых обсуждаемых экологических проблем последних лет — вырубка тропических лесов под посадки масличной пальмы и распахивание серрадо, южноамериканской саванны, под плантации сои — тоже связана с производством биотоплива. Пальмовое масло — не только самый востребованный вид растительного масла на планете (в 2019 году его было произведено свыше 73 млн тонн, тогда как подсолнечного — чуть более 20 млн тонн), но и биоэнергетическое сырье. Более 40 стран на четырех континентах выращивают масличную пальму, плантации которой расширяются за счет лесов, что наносит урон биоразнообразию на планете и увеличивает выбросы парниковых газов.

Оспаривая утверждение о том, что использование биотоплива не приводит к выбросам СО2 в атмосферу — растение поглощает столько же углерода, сколько выделяется при сжигании биотоплива, — экологи оперируют таким понятием, как «углеродный долг». Речь идет о ситуации, когда выбросы СО2, связанные с процессом выращивания биосырья (распахивание земель, посадка, полив и пр.) и производством биотоплива, компенсируются спустя некоторое количество времени — в перспективе. Сроки «погашения» углеродного долга различны в зависимости от типа земель — для серрадо, например, этот срок превышает 20 лет.

Прогноз

Согласно совместному прогнозу развития энергетики Института энергетических исследований РАН и Центра энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО, выпущенному в 2019 году, на фоне роста потребления всех возобновляемых источников энергии быстрее всего до 2040 года будет расти доля нетрадиционных ВИЭ (солнечная, ветровая, гидроэнергетика и др.), наибольший же прирост будет наблюдаться в потреблении твердой биомассы и отходов.

Отходы становятся доходами

Сегодня эксперты связывают развитие рынка биоэнергетики с применением в качестве сырья отходов. Их внимание приковано к тем странам, где это направление успешно реализуется. Лидерство удерживают скандинавские страны, занимающиеся комплексной переработкой растительного сырья — в частности, отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. Речь идет как о производстве биогаза, так и о технологиях, позволяющих подвергать отходы быстрому пиролизу и получать жидкий продукт (его называют бионефтью), используемый, к примеру, как топливо для котельных.

И лесозаготовка, и обработка древесины дают большой процент отходов — в первом случае до 60%, во втором — около 30%. Однако на практике их переработка часто оказывается экономически неоправданной из-за логистической проблемы: возить такие отходы на большие расстояния невыгодно — та же щепа, например, занимает много места, а энергоемкость ее невысока. В скандинавских странах эта проблема в определенной степени решена путем соседства ­электростанций и деревообрабатывающих предприятий.

Этот принцип работает и в отношении переработки использованного растительного масла. Перевозка масложировых отходов значительно более выгодна. В Швейцарии, например, сопоставимой по площади с Республикой Коми, работают пять компаний (по данным на 2017 год), которые производят биодизель из отработанного растительного масла. Они собирают отходы ресторанов, которые, решив избавиться от масла самостоятельно, вынуждены были бы за это платить. Машины, осуществляющие сбор отходов, ездят на топливе из того же сырья, которое перевозят.

В нашей стране разработками технологий, позволяющих превращать отходы в биотопливо, занимается, например, отдел тонкого органического синтеза и возобновляемых источников энергии Института катализа СО РАН. По словам его руководителя В. Яковлева, будущее рынка биотоплива связано с расширением сырьевой базы: «Пока сырьевая база достаточно ограниченна. Растительное сырье, тот же рапс, дорого и не может конкурировать с нефтепродуктами. Если мы будем расширять сырьевую базу, доступность биотоплива увеличится, для этого необходима разработка новых технологий, в частности, ориентированных на комплексную переработку сырья».

Сегодня самая горячая тема в биоэнергетике — переработка лигноцеллюлозного сырья. Лигноцеллюлозу содержат разные виды отходов, например, лесозаготовки и деревообработки, особенность которых в том, что без специальной обработки они не разлагаются. «Одно из направлений работы нашего отдела — гидролиз лигноцеллюлозы с получением мономеров, которые могут трансформироваться в различные полезные продукты, в том числе топливные добавки, улучшающие октановое число бензина, — рассказывает В. Яковлев. — С иловыми осадками коммунальных очистных сооружений, представляющими собой продукты жизнедеятельности обитающих там бактерий, мы тоже работаем. Из них путем переработки можно получать высококачественный гриндизель. Тут мы убиваем двух зайцев: решаем энергетическую задачу, расширяя сырьевую базу для биотоплива, и экологическую — проблему переработки и ­утилизации отходов, что очень важно».

Три поколения биотоплива

Сегодня выделяют три поколения биотоплива. Доклад «Биотопливо и продовольственная безопасность», представленный группой экспертов высокого уровня Комитета по всемирной продовольственной безопасности (подчиняется Генеральной ассамблее ООН) в 2013 году, содержит следующую классификацию.

Первое поколение: этанол из богатых сахаром и крахмалом культур и биодизель из масличных культур.

Второе поколение: биотопливо из лигноцеллюлозной биомассы и биосинтетический природный газ.

Третье поколение: биотопливо, сырье для которого не конкурирует с продовольственными культурами. Яркий пример — микроводоросли, которые в последнее время рассматриваются как перспективное сырье для биотоплива. Однако о масштабном производстве речь пока не идет из-за ряда нерешенных технологических задач.

Агентство по защите окружающей среды США (EPA) выделяет также топливо нового поколения, «для которого выбросы парниковых газов за жизненный цикл на 50% меньше, чем у бензина или дизельного топлива, которые оно замещает». Интересно, что в эту категорию не попадает этанол из кукурузы, но попадает этанол, произведенный из сахарного тростника.

Барьер как стимул

Возможен ли полный переход с традиционного моторного топлива на биологическое? На чем мы будем ездить в будущем, которое человечество сегодня стремится видеть безуглеродным? Аналитики создали несколько сценариев дальнейшего развития рынка энергоресурсов: консервативный, инновационный и так называемый энергопереход (это понятие предложил Вацлав Смил, профессор факультета окружающей среды Университета Манитобы в Канаде; речь идет о переходе к безуглеродной энергетике). Последний сценарий предусматривает масштабное распространение электротранспорта. Различные экспертные организации прогнозируют: доля электромобилей в мире к 2040 году может составить как 17% автопарка (ОПЕК), так и 29% (Bloomberg), и даже 80% (IRENA). «Топливо из ископаемого сырья вытеснит электричество, — соглашается В. Яковлев. — Откуда мы будем его получать, уже второй вопрос — думаю, свое слово скажут и атомная, и солнечная, и ветро-, и биоэнергетика. Согласно прогнозам, энергетический рынок будет представлен этими сегментами».

Недавно директор по развитию рынка этанола в Совете по зерну США Брайан Хили, говоря о грядущем переходе на электромобили, оценил этот процесс как длительный и охарактеризовал применение биотоплива, в частности смесей этанола и бензина, как оптимальный вариант для переходного периода. Он призвал страны, не откладывая, расширять использование биотоплива. Такая тенденция наблюдается в последние годы, и аналитики объясняют ее нежеланием зависеть от ВИЭ со стороны тех стран, которые их не производят в достаточном количестве.

Кстати, биотопливо, производимое в странах ЕС и попадающее в баки европейских автомобилей, имеет отчасти российское происхождение. Наша страна выращивает и экспортирует сырье для него, в частности рапс. По данным Росстата, в 2019 году этой культурой было засеяно 1 545,5 тыс. га, сбор составил 2 307 тыс. тонн. По экспорту рапсового масла Россия занимает в мире второе место, уступая лишь Канаде.

Однако производство моторного биотоплива и его применение в нашей стране находятся пока в зачаточном состоянии. Подвижек можно ожидать с введением так называемого углеродного налога, анонсированного Евросоюзом, — это заставит производителей задуматься об «озеленении» традиционного топлива. «Политика ведущих стран направлена на то, чтобы создать заградительные барьеры для экспортеров дешевых нефтепродуктов, — говорит В. Яковлев. — Она будет проводиться в любом случае, и экспортеры будут вынуждены заниматься производством биотоплива. Пока в России рынок на 100% представлен топливом из ископаемого сырья. Государственные стандарты на биоэтанол и биодизель существуют, тем не менее рынок не развивается, не получая стимулов. Хотя в последнее время ощущается интерес со стороны производителей нефтепродуктов, которые прежде относились скептически к теме смесевого биотоплива. В нынешней ситуации, учитывая ориентацию на экспорт и будущие заградительные барьеры, сотрудничать с разработчиками биотоплива — в их интересах. Вероятно, стоит ожидать подвижек и развития производства биотоплива и в нашей стране».

Биотопливо — одно из новых направлений деятельности Росатома

Госкорпорация «Росатом» развивает направление биотоплива в рамках общей стратегии развития низкоуглеродной энергетики. Речь идет о древесных пеллетах — возобновляемом топливе и «зеленой» замене угля.

Вместо ценной древесины при производстве пеллет используются отходы лесозаготовки и деревообработки — опилки и щепа. Такой подход способствует ответственному отношению к лесным ресурсам. Уровень прямых выбросов СО2 в атмосферу, согласно исследованию Иллинойсского университета, при использовании биотоплива на 79−85% ниже.

35 млн тонн пеллет в год — таковы потребности мирового рынка сегодня. Наиболее активно их используют страны Западной Европы: Германия, Дания, Великобритания; наращивают потребление Южная Корея и Япония. По оценкам аналитиков рынка, к 2030 году спрос на пеллеты возрастет до 100 млн тонн в год.

Закупками у российских производителей и экспортными продажами пеллет занимается Uranium One. В 2019 году эта компания получила международные сертификаты, необходимые для выхода на европейский рынок биомассы — в частности, сертификат FSC, подтверждающий соблюдение требований к ответственному управлению и обращению с продукцией из древесины, и сертификат SBP, подтверждающий энергоэффективное и экологичное производство продукции из биомассы. В том же году состоялись первые пилотные поставки пеллет заказчикам из Великобритании и Финляндии. В текущем году компания вышла на рынки Дании и Италии. Реализуются контракты более чем на € 5 млн.

Источник: https://atomicexpert.com/grow_...