Биотопливо: новые источники сырья (стр. 1 из 3)
Л.В. Назаренко
Одной из особенностей развития современного мира является повышенное внимание мирового сообщества к проблемам рациональности и эффективности использования энергоресурсов, внедрения технологий энергосбережения и поиска возобновляемых источников энергии.
Сегодня развитие возобновляемой энергетики в мире приняло ускоренный характер, что связано с нарастающими многофакторными кризисными явлениями глобального характера. С одной стороны, отмечается ограниченность геологических запасов основных видов топливных ресурсов — нефти и газа, что приводит к неизбежному росту цен на них [1, табл. 1]. С другой стороны, очевиден рост негативного влияния экологических факторов, вызванных последствиями жизнедеятельности человека.
Таблица 1
Извлекаемые запасы ископаемых первичных энергоносителей и ежегодный прирост биомассы (в млрд т) [1]
| Мировые запасы | Мировое извлечение в год | Потенциал, годы | |
| Нефть | 130 | 4 | 30-35 |
| Уголь | 720 | 2 | 350 |
| Природный газ | 104 | 2,1 | 50 |
| Природный газ в газогидратах: - подземный; | 22 000 | ? | |
| - в океане | 50 | - | ? |
| Ежегодный рост растительной биомассы | 80 | Не ограничено |
Основной экологический ущерб, связанный с глобальным изменением климата Земли, — парниковым эффектом, наносят, главным образом, добыча, переработка и сжигание ископаемых видов топлива — угля, нефти и газа. Парниковый эффект составляет до 75 % доли антропогенного экологического ущерба. В этой связи удовлетворение нарастающих потребностей населения мира в топливе, электрической и тепловой энергии одновременно с обеспечением экологической безопасности обуславливает необходимость развития возобновляемой энергетики, ведь нефть — не единственное сырье для получения высокооктановой органики для двигателей.
Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии. Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса при выборе источников энергии и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов [18].
В нашей предыдущей публикации были проанализированы различные виды биотоплива [4]. Условно биомассу, как сырье для производства биотоплива, можно подразделить на три поколения [1, 3]. В настоящий момент различают следующие поколения биотоплива (см. рис. 1):
пищевые масло- и сахаросодержащие наземные растения;
непищевые и целлюлозосодержащие растения;
непищевые водные растения, т. е. водоросли.
Рис. 1. Упрощенная классификация поколений биотоплива [1]
Биотопливо первого поколения изготавливают из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, из семян рапса извлекают растительное масло, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания — биоэтанол.
Вырубка лесов, отрицательное воздействие на традиционное сельское хозяйство, дисбаланс использования сельскохозяйственных земель в сторону технических культур и угроза продовольственной безопасности — вот некоторые из проблем, с которыми сталкивается человечество при производстве биотоплива. Основной проблемой в производстве топлива из биомассы является продовольственная безопасность, поскольку биотопливо первого поколения производится из сельскохозяйственных культур, входящих в пищевую цепочку людей и животных (кукуруза, соя, масличная пальма, рапс, сахарный тростник, пшеница, рожь). Общественность уже спохватилась, что значительные площади, где производилось продовольствие, коммерчески ориентированные земледельцы отдали под технические культуры. Поскольку население Земли растет и требуется все больше пищи, то использование этих площадей для производства биотоплива уменьшает количество доступных продуктов питания и увеличивает их себестоимость.
Биотопливо второго поколения производится из непищевого сырья. Источниками сырья являются лигноцеллюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части растительного сырья удаляются. Для этой цели также могут быть использованы быстрорастущие деревья и травы (тополь, ива, мискантус, ятрофа и другие) [1, 3]. Их иначе называют энергетическими лесами или плантациями. Испытано около 20 различных видов растений — древесных, кустарниковых и травянистых.
Преимущество такого биотоплива заключается в том, что растения, из которых оно получено, не конкурируют с продовольственными культурами за землю. Они могут произрастать на склонах, холмах, в оврагах, а также на непродуктивных и вырождающихся землях, иногда даже с перспективой восстановления этих земель. Для их выращивания можно использовать минимальное количество воды, удобрений, пестицидов и техники. Каждые 4-7 лет деревья срезают, их годовой урожай может доходить до 7 тонн на гектар. В междурядьях можно дополнительно высаживать сельскохозяйственные культуры. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии, а также может служить в качестве сырья для производства жидкого биотоплива.
Энергетические плантации можно подразделить на несколько видов: плантации деревьев быстрого роста (эвкалипт, ива, тополь, осина, ольха, роза многоцветная); двудольные растения (артишок, топинамбур, сида); многолетние злаки (мискантус гигантский); однолетние злаки (сорго суданское, тростник обыкновенный).
В таких странах, как Италия, Германия, Аргентина, Польша, на сегодняшний день широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих пород тополя и ивы (тополь черный — Populus nigra, ива ломкая — Salix fragilis, ива корзиночная — Salix viminalis). Ива приобрела в качестве биотоплива популярность и в скандинавских странах. Ее собирают каждые 3-4 года. В Северной Индии посадки быстрорастущего тополя и эвкалипта занимают примерно от 50 до 60 тысяч гектар. В Германии производительность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.
В России пока энергетические плантации развиты слабо, в основном используются быстрорастущие деревья, такие как тополь или осина. К примеру, в Ленинградской области начаты работы по закладке плантаций осины на неиспользуемых сельскохозяйственных землях в Бокситогорском районе.
«Зеленое топливо» перспективно как ценный возобновляемый источник энергии. Так, например, в г. Зиммеринге (Австрия) находится крупнейшая в Европе электростанция, использующая древесную биомассу. Ее мощность составляет 66 МВт, а потребляет она ежегодно 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км.
Мискантус или мискант (серебряная трава, слоновья трава, Miscanthus giganteus) — бамбукоподобная трава, которую уже несколько лет выращивают в Европе и Северной Америке. Она морозо- и засухоустойчивая. Растение вырастает высотой до 4 м и более, урожай ее можно собирать в течение 30 лет, не пересеивая поля. Мискантус может произрастать на бедной почве, практически не требует удобрений и хорошо растет во влажных условиях умеренного климата на всей территории США, Европы и Азии. При этом мискантус не истощает землю. Более того, из мискантуса можно добыть большое количество биомассы при весьма небольшой посевной площади, что выгодно отличает это растение от других культур. Урожайность мискантуса составляет до 10-12 тонн на гектар, что примерно эквивалентно 36 баррелям нефти. Выведены гибриды мискантуса с урожайностью до 60 тонн с гектара. Специалисты утверждают, что если засадить 10 % полей Европы мисканту- сом, то можно будет дополнительно выработать до 9 % электроэнергии.
Ятрофа ядовитая (джатрофа, Jatropha curcas L.) относится к семейству молочаевых. Известна, как многолетний древовидный сорняк, растущий на бедных сухих почвах, размножается черенками и легко распространяется с помощью семян. Встречается по всей планете, но особенно хорошо растет в странах с тропическим и субтропическим климатом. Содержание питательных веществ в почве не является главным фактором, влияющим на продуктивность ятрофы. Этот кустарник может расти практически на любой почве, даже на заброшенных и неиспользуемых землях. Плантации ятрофы имеются в Индии, Китае, Бирме, Никарагуа, во многих африканских странах, на Филиппинах и в Бразилии. Семена ятрофы ядовиты для человека и животных, но в них содержится до 40 % различных масел. Ятрофа имеет высокий выход масла из семян в сравнении с основными биодизельными культурами — соей и рапсом. С гектара посевов сои получают почти 400 кг масла для биодизеля, из рапса — 1 т, из ятрофы — 3 т. Европейские селекционеры работают над выведением новых высокомасличных, скороспелых и морозоустойчивых гибридов ятрофы ядовитой.
Камелина (рыжик посевной, рыжей, Camelina sativa) — масличная однолетняя трава. Род рыжик объединяет 10 видов, произрастающих в Европе и Азии в зонах прохладного климата степной и лесной областей. Может расти на полях, залежах, вдоль дорог. Посевной рыжик произошел от сорных форм, которые в диком виде в России встречаются повсеместно. Камелину можно сеять тогда, когда почва отдыхает от пшеницы и других зерновых в рамках севооборота. Выход масла у рыжика с 1 га составляет 490 кг (583 л). В семенах содержится 33-42 % масла, 25-30 % белков, витамин Е.
Таким образом, биотопливо второго поколения будет постепенно замещать биотопливо первого поколения, что связано с его большей экологичностью, производительностью, а также с тем, что оно вырабатывается из непищевого сырья. Россия, имеющая огромные площади земель, не пригодные для сельского хозяйства, может легко задействовать их для посадок энергетических растений с целью получения биомассы для биотоплива.