БИОТОПЛИВО. РЕАЛЬНОСТЬ И МИФЫ
В начале года на заседании Президиума CO РАН с научным докладом «Проблема получения высокачественных моторных топлив из биомассы растений. Состояние и перспективы» выступил научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН к.х.н. В. А. ЯКОВЛЕВ.
В докладе были даны общие представления о проблеме биотоплив, показаны основные способы их получения из растительной биомассы, приведены основные достоинства и недостатки видов биотоплив — биоэтанола, биодизеля, говорилось о проблемах, связанных с их использованием. Актуальность темы обусловлена большим интересом к ней: в последнее время в прессе, в том числе ненаучной, появилось множество публикаций, в которых приводятся зачастую противоположные мнения и доводы по поводу биотоплив и проводится сопоставление: насколько они конкурентоспособны по сравнению с традиционными видами моторных топлив — бензином и дизельным топливом.
Детальное погружение в суть проблемы рождает множество вопросов. Во-первых, что такое биотопливо и насколько оно способно заменить традиционные топлива как в ресурсном потенциале, так и в технически-эксплуатационном? Во-вторых, экологический аспект: как повлияет массовое производство и потребление биотоплива на экологическую обстановку стран, континентов и планеты в целом? И, в-третьих, какие наработки могут предложить сибирские ученые в данном направлении? Наконец, самое главное: куда дальше двигаться в плане разработок новых технологий получения моторных топлив из возобновляемого растительного сырья?
В настоящий момент, когда говорится о биотопливе, в первую очередь подразумевается использование биоэтанола и биодизеля. В мире биоэтанол получают, в основном, из злаковых культур, кукурузы, сахарного тростника и сахарной свеклы путем ферментативного брожения. Из всего произведенного этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % — техническое и 8 % — пищевое. При этом прослеживается явная тенденция к увеличению доли топливного этанола в ближайшем будущем. Так, например, в США в ближайшие годы планируется построить дополнительно 132 завода по производству топливного этанола, удвоив тем самым объем производства (30 млрд литров в год). Вместе с тем, на сегодняшний день биоэтанол не является полным заменителем бензина. В основном используется смесевое топливо, содержащее 10 % этанола и 90 % бензина (стандарт Е10). Значительно реже встречается с более высоким содержанием этанола — Е85. Основной недостаток этанола как топлива — его меньшая теплотворная способность (на 37 % по сравнению с бензином), что приводит к более высокому расходу смесевого топлива. Второй недостаток — высокая способность к поглощению воды, что может приводить к расслоению смесевого топлива. Однако все эти отрицательные моменты можно обойти, используя топливо с низким содержанием (до 10 %) этанола. Кроме того, первый недостаток компенсируется высоким октановым числом этанола (108), позволяет развивать гораздо более высокую мощность. Процесс сгорания этанола намного эффективнее по сравнению с бензином, что, среди прочего, уменьшает токсичность выхлопных газов.
Если этанол рассматривается как частичный заменитель бензина, то для дизельного топлива также есть возобновляемый заменитель — биодизель, который получают из метанола и растительных масел, в первую очередь из рапсового, пальмового и соевого. Безусловный лидер по производству биодизеля — страны ЕС, где в качестве сырья в основном используется рапс. В 2006 году получено более 6 млн т биодизеля, и наблюдается устойчивая тенденция к росту объемов его производства. Как и в случае с биоэтанолом, биодизель обладает как недостатками, так и явными достоинствами. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. При попадании в почву или воду он в отличие от дизеля практически полностью разлагается уже через три недели. Кроме того, биодизель обладает хорошими смазывающими характеристиками и более высоким цетановым числом (не менее 51). Однако более высокая вязкость не позволяет использовать его в холодное время, и требуется применять смеси, состоящие на 20 % из биодизеля и на 80 % из солярки (марка В20).
Особенность массового производства биотоплива — отсутствие стадии нефтедобычи (т.е. нет необходимости геологоразведки, бурения нефтяных скважин), но требуется задействовать значительные посевные площади. При этом известно, что с 1 гектара площадей можно получить не более 0,3 тонны соевого, 1 тонну рапсового или 5 тонн пальмового масла. Пальма в этом смысле — рекордсмен среди наземных растений. Россия в силу своих климатических особенностей может ориентироваться только на выращивание рапса. А если учесть, что в России по состоянию на 2005 год не использовалось более 15 млн. га пашни, которые могли бы быть отданы на выращивание пшеницы или рапса топливного назначения, то перспективы нашей страны как экспортера не только нефти, газа, но и биотоплива, весьма заманчивы. Европа как основной потребитель биотоплива не может себе позволить выделить такое количество сельскохозяйственных угодий для выращивания энергетических культур.
С другой стороны, более широкий взгляд на проблему сырьевого обеспечения производства биотоплива дает большие перспективы, связанные с уходом из «пищевого» сектора экономики и использованием отходов сельского хозяйства, деревопереработки, пищевой промышленности, или же выращиванием быстрорастущих энергетических культур. Это не только расширит сырьевую базу для биотоплива, но и снизит конкуренцию и соответственно цены на «пищевые» культуры. Именно конкуренция биотоплива с пищевыми продуктами — основной аргумент для противников биоэнергетики. Действительно, вследствие биотопливного бума во всем мире выросли цены на кукурузу, все виды масленичных культур и даже на те, которые не используются при производстве биодизеля.
Другой спорный момент — экологическая составляющая производства и использования биотоплива. Если по поводу самого биотоплива — этанола и биодизеля — ни у кого не возникает сомнений в их экологической чистоте, то относительно технологических процессов, с помощью которых они производятся, у экологов есть справедливые вопросы. Действительно, при производстве этанола из древесины используется серная кислота, образуется большое количество жидких отходов. Биодизель также получается при участии либо кислоты, либо щелочи, которые надо нейтрализовать.
Поэтому усовершенствование существующих, разработка и внедрение новых технологий получения моторных биотоплив с расширением сырьевой базы — необходимые условия для увеличения доли биотоплива на рынке моторных топлив. Вместе с тем, для повышения конкурентоспособности биотоплива необходимы не только оптимизация процессов глубокой переработки биомассы, но и селекция новых энергетических видов растений, разработка новых подходов для выращивания, сбора и первичной переработки биомассы. Только такой комплексный подход может обеспечить конкурентоспособность биотоплива.
Что при этом могут предложить сибирские ученые? В целом, по обозначенным ключевым направлениям у сибиряков есть значительные заделы. Так, например, в Институте цитологии и генетики СО РАН ведутся исследования по селекции быстрорастущих энергетических культур, например, мискантуса китайского, который способен давать в условиях Западной Сибири урожайность зеленой массы 760-800 ц/га или 100-150 ц сена с гектара. При этом содержание лигнина в мискантусе минимально, а это значит, что его будет легче переработать в биоэтанол микробиологическим способом. Процессы прямой микробиологической деполимеризации целлюлозы с получением олиго- и моносахаридов, которые легко усваиваются микроорганизмами, также разрабатываются в ИЦиГ. Данный подход сыграет ключевую роль при развитии биоэтанольного направления. Биоэтанол, полученный из травянистой лигноцеллюлозы микробиологическим способом, будет не только дешевым: его производство будет «экологически чистым».
В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН ведутся исследования в других перспективных направлениях: усовершенствование технологии получения биодизеля, разработка новых технологий производства стандартных моторных топлив из растительных масел, древесины и отходов сельского хозяйства. Так, например, совместно с КТФ ИГиЛ СО РАН в рамках заказного интеграционного проекта создается установка по получению бионефти — продукта быстрого пиролиза измельченной древесины. На настоящий момент в России подобных установок нет даже на опытном уровне. Однако сама по себе бионефть — темная, вязкая жидкость, напоминающая разбавленный деготь, которая из-за высокого содержания кислорода (до 45-55 %) не пригодна для использования в качестве моторного топлива. Прежде необходимо удалить из нее кислород и насытить водородом.
Именно такие задачи решаются специалистами ИК СО РАН в рамках международного проекта FP6. На настоящий момент удалось за одну итерацию снизить содержание кислорода до 5 %. Поскольку в стандартных моторных топливах содержание кислорода не должно превышать 0,2-0,5 %, то основная работа еще впереди.
В рамках другого комплексного проекта совместно с Новосибирским государственным университетом создается технология получения биодизеля из растительных масел с использованием гетерогенных катализаторов переэтерификации. Есть все основания полагать, что данная технология позволит не только снизить себестоимость биодизеля, но и сделать технологию его получения соответствующей самым жестким экологическим стандартам и требованиям. Разрабатываются подходы по получению компонентов стандартных дизельного топлива и бензина из биодизеля и напрямую из растительных масел.
Следует отметить, что разрабатываемые биотоплива позиционируются как улучшающие добавки к традиционным бензинам и дизельным топливам. Это обусловлено, в первую очередь, тем, что сельское хозяйство и лесоперерабатывающая промышленность на настоящий момент, как и в обозримом будущем, не сможет полностью обеспечить растущие потребности человечества в моторных топливах.
Другая причина заключается в том, что при полном переходе автомобильного парка на биотоплива потребуется значительная модернизация двигателей внутреннего сгорания. Вместе с тем, как биоэтанол обладает более высоким, чем бензин, октановым числом — 108, так и каталитически облагороженные дизельные фракции из растительных масел имеют более высокие цетановые числа (70-100), чем нефтяной дизель. Поэтому представляется целесообразным использование получаемого биотоплива именно как улучшающих добавок к традиционным топливам. Дополнительный плюс заключается в возможности использования менее качественных нефтяных бензиновых и дизельных фракций при приготовлении смесевых топлив.
«Мягкая» интеграция биотоплив (в первую очередь биоэтанола и биодизеля) на рынке массовых моторных топлив уже сейчас происходит в ЕС, США и других странах через внедрение смесевых топлив, например, этанол-бензин (соотношение 10/90 — Е10) и биодизель-дизель (соотношение 20/80 — В20). Как уже отмечалось, эксплуатационные характеристики смесевых топлив гораздо выше свойств традиционных моторных топлив. Еврокомиссия выработала директивы о доведении к 2010 году доли альтернативного топлива до 5,75 % от общеевропейского потребления. В США и других странах также растет объем производства биотоплив.
При этом стоит задача не только увеличить объемы производства биотоплива, но и снизить себестоимость его производства. Без применения новых агротехнических и химико-технологических подходов это сделать не представляется возможным. Необходима глубокая интеграция специалистов различных наук, в первую очередь биологов, биотехнологов, химиков, механиков, физиков и экономистов для разработки новых современных технологий выращивания, сбора и глубокой переработки биомассы в моторные топлива.
Россия может стать не только экспортером нефти и природного газа, но и биотоплива. Для этого необходимы технологический рывок в биоэнергетике, корректировка ряда нормативных актов, например, по поводу акцизов на топливный биоэтанол. Первые шаги уже делаются в обоих направлениях. Так, введен в действие ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное евро», который предусматривает применение биодизеля. Растут посевные площади для выращивания рапса. Построены и строятся более 100 заводов по производству пеллет из древесины. Начато строительство и планируется строительство около 20 заводов по производству из злаковых культур топливного биоэтанола, предназначенного в том числе и на экспорт.
Хотелось бы обозначить еще одну проблему, которая возникла в результате бума на биотопливо. Это различные виды биотоплива, которые получены каким-либо «нетрадиционным» методом — кавитацией, гидроимпульсным или другим физическим воздействием. Как показывает практика, чудеса случаются редко, «супертоплива» при этом не получается, технология не проходит проверки на надежность. Для экспертизы подобных «суперразработок» требуется та же интеграция специалистов, поскольку подобные «открытия» возникают как раз на стыке наук.
В ближайшие несколько лет использование биотоплив как моторных топлив будет расти. В Европе и США хорошо понимают важность развития направления альтернативных энергоносителей из биомассы, которая по сути является аккумулятором солнечной энергии с гораздо большим КПД по сравнению с традиционными энергоносителями — нефтью, углем и природным газом. Задача России и российских ученых — внести достойный вклад в развитие биоэнергетики и стать обладателями современных технологий в данной области.
Фото В. Новикова
стр. 3
|
