Современный мир страдает от дефицита энергоресурсов. В производство то и дело внедряют новые источники энергетики. Для решения глобальной проблемы используют альтернативные и малоизвестные природные ресурсы. Например, биотопливо. Оценить возможности нетрадиционного элемента поможет детальное знакомство с биотопливом.
Что называют биотопливом?
Биологическим топливом называют горючий элемент, созданный из растительного или животного сырья. В качестве сырья используют разнообразные сельскохозяйственные культуры. Например, соевые семена, сахарный тростник и т.д. В некоторых случаях для изготовления горючего задействуют органические отходы. Впервые биотопливом начали пользоваться в 70-х годах в США.
На данный момент природный источник энергии активно развивают и с успехом применяют более 40 стран. Известно несколько видов горючего элемента: жидкий, твердый и газообразный. Классификация установлена в согласии с агрегатным состоянием биологического вещества.
- Жидкий. Безопасный и экологически чистый природный ресурс, полученный вследствие переработки растительного сырья. Наиболее популярными представителями жидкого горючего является диметиловый эфир, биометанол и биодизель. Жидкое биотопливо наблюдается в двигателях внутреннего сгорания. Диметиловый эфир является источником питания автомобиля. Биодизель также может выступать альтернативным вариантом транспортного горючего.
- Твердый элемент. Старинный и европейский энергоресурс. Яркими представителями твердого биотоплива являются отходы жизнедеятельности животных (навоз, птичий помет), торф или древесина. С помощью торфяного энергоресурса отапливаются жилые помещения. Древесину используют для приготовления еды. На древесине функционируют европейские тепловые электростанции. Отходы жизнедеятельности животных также активно применяют в отопительных целях.
- Газообразный. Биоводород и биогаз- два ярких и главных представителя газообразного биотоплива. Биоводород добывается путем нагрева древесных отходов. Горючее активно используется в момент изготовления водородного топливного элемента для транспортных средств. Второй вариант биотоплива заменяет природный газ. Создается путем метанового брожения с помощью разнообразных бытовых и природных материалов (водоросли, помет, сточные воды).
Представители второго поколения богаты на целлюлозу и лигнин. Для производства травяной или древесной биомассы требуется много площади. Использование биотоплива в этом случае сокращает земельные ресурсы.
Горючее сырье, относящийся к третьему поколению в настоящее время усовершенствуется и дорабатывается. Главным представителем этого поколения являются водоросли, выращенные в открытых водоемах.
Многочисленные исследования ученых и создание новых методик позволяют в недалеком будущем разработать новые виды горючего биологического топлива.
В настоящем, альтернативные энергоресурсы, применяющиеся на практике, обладают рядом положительных и отрицательных качеств.
Достоинства энергоресурса
Биологический и научный интерес к природным энергетическим ресурсам возникает благодаря следующим положительным качествам продукта:
- Экономическая доступность материала. Для покупки нефти или природного газа многие страны тратят большие деньги. Экономика государства терпит убытки. Добыть биологическое топливо можно практически в любой стране. Производство горючего на местах сократит расходы на импорт зарубежных энергоресурсов.
- Мобильность. Ветряные или солярные установки предназначены исключительно для стационарного использования. Не поддаются перевозке. Биологические материалы при необходимости можно перевозить с одного региона в другой.
- Биологическое топливо является возобновляемым ресурсом. Растение и отходы животных никогда не исчезнут.
- Природный ресурс уменьшает количество выбросов парникового газа в атмосферу. Предотвращает вероятность наступления глобального потепления.
- Использование биотоплива для двигателей автомобиля уменьшает затраты на его техническое обслуживание.
В недалеком будущем работа горючего топлива будет обходиться дешевле, нежели использование бензина.
Недостатки и выбор места для взращивания продукта
Однако не следует забывать о недостатках горючего. Главными минусами природного ресурса считают:
- Климат. Некоторые климатические зоны не подходят для выращивания растительного топлива. Природный источник не растет в недрах тундры или на пустыне.
- Взращивание биомассы нарушает экосистему. Зачистка территории для посадки растений губит микросистему лесов и других местностей.
- Натуральный ресурс потребляет много воды. Поэтому разведение сельскохозяйственной биомассы в засушливых территориях является невозможным.
- Растительные культуры, используемые как топливо, в момент произрастания нуждаются в дополнительной подпитке. Некоторые удобрения для таких растений вредят экосистеме.
- Агрессивное поведение растений для топлива пагубно сказывается на аутентичной флоре и на благополучии всей экосистемы определенного региона.
Выбирать территорию для посадки растительной биомассы следует осторожно. Учитывают климатические условия местности, доступность к водным ресурсам, а также возможности регулярного удобрения посаженого сырья. В противном случае растение станет непригодным для дальнейшей переработки.
Биологическое топливо используют в разных областях жизни. Для работы транспортного средства, обогрева жилых комплексов и приготовления пищи. Несмотря на явные минусы биологический материал по сей день является востребованным и интересным для ученых источником энергетики.
Топливо для автомобильных и тракторных дизельных двигателей можно получать не только из нефти. Альтернативным его источником может быть биологическая масса растительного происхождения, точнее, растительное масло. Получают биодизельное топливо результате химической реакции из растительных жиров. Чаще всего используют рапсовое масло, так как она самая дешевая. Но можно использовать и подсолнечное, кукурузное, соевое и др.
Масло нужно отделить от примесей и в соотношении 9:1 смешать с метиловым спиртом, а для того чтобы отделить глицерин, добавить небольшое количество щелочного катализатора. Полученная таким образом жидкость имеет особые молекулярные свойства, позволяющие использовать ее для сжигания в дизельных двигателях. Как видим, технология довольно проста, хотя с точки зрения экономики процесс получения биотоплива уступает традиционной перегонке сырой нефти.
С каждым годом использовать на автомобилях и тракторах традиционное дизельное топливо становится все дороже. Повышение цен на топливо вызвано главным образом уменьшением нефти в недрах Земли. По прогнозам ученых, при существующих темпах добычи нефти ее запасов достаточно будет всего на 30-40 лет. Этот факт, безусловно, влияет на цену топлива и побуждает к поиску альтернативных его видов.
Другим важным фактором, вызывает повышенный интерес к биодизельного топлива, является его экологичность, т.е. меньше выбросы вредных соединений в окружающую среду. Биодизельное топливо не является абсолютно экологически чистым, но по сравнению с нефтяным, оно все же чище. Об этом свидетельствуют проведенные исследования. Так, в продуктах сгорания биотоплива на 8-10% меньше окиси углерода, почти на 50% меньше сажи и значительно меньше серы (0,005% против 0,2% у обычного дизельного топлива). И только благодаря высокому содержанию кислорода в биотопливе продукты его сгорания содержат приблизительно на 10% больше окиси азота по сравнению с нефтяным дизельным топливом.
Биодизельное топливо отличается высоким цетановым числом, которое составляет 56-58 (у традиционного дизельного топлива этот показатель равен примерно 50), что дает возможность использовать биотопливо на дизельных двигателях без дополнительных веществ, обеспечивающих лучшее зажигания, особенно при запуске двигателя.
Несмотря на малое содержание серы, биотопливо характеризуется высокими смазочными свойствами. Способствует этому особый химический состав и высокое содержание кислорода. Вследствие смазки движущихся деталей двигателя, работающего на биотопливе, межремонтный срок его эксплуатации увеличивается примерно на 50%. При этом нужно только чаще менять топливный фильтр. Но важнейшим является тот факт, что, переходя на биодизельное топливо, не нужно дополнительно переоборудовать ни сам двигатель, ни другие его системы.
Углекислого газа в продуктах сгорания биотоплива ровно столько, сколько потребляют из атмосферы посевы культур, из семян которых изготавливают топливо. Так, один гектар рапсовых поля за вегетацию может поглотить около 20 т углекислого газа, одновременно с этим значительно улучшая структурный и химический состав почвы.
В случае попадания в почву или воду биодизельное топливо в течение 25-30 дней практически полностью распадается и не наносит экологического вреда, тогда как один килограмм минеральных нефтепродуктов может загрязнить почти миллион литров питьевой воды, уничтожая в ней всю флору и фауну. Это свидетельствует о целесообразности перевода на биодизельное топливо двигателей, установленных на речном и морском транспорте.
Но вместе с многочисленными преимуществами есть и недостатки, присущие биодизельном топливу. Биотопливо агрессивно по резиновых и полимерных деталей двигателей, чем обычное нефтяное. В случае попадания на лакокрасочное покрытие кузова биотопливо нужно поскорее вытереть, потому что оно довольно быстро разъедает его верхний слой.
Кроме этого, биотопливо несколько меняет технико-эксплуатационные параметры работы дизельных двигателей. Мощность двигателя при работе в номинальном режиме с использованием биотоплива снижается на 6-8%. Вместе с этим расход топлива повышается примерно на 5-8%. Кроме незначительной потери мощности в холодное время года и при высокой влажности наблюдается неприятный специфический запах отработавших газов.
Биодизельное топливо достаточно широко используют во многих странах Европы и мира. Производство биотоплива для использования в чистом виде требует немалых дополнительных капиталовложений. Поэтому в большинстве стран практикуют смешивание нефтяного дизельного топлива с рапсовым маслом или же используют как добавку (от 5 до 30%) до традиционного дизельного топлива.
Налоговые льготы и дополнительные стимулы имеют сельскохозяйственные предприятия, которые выделяют часть площадей под выращивание рапса. Так, например, в Германии за каждый засеянный гектар рапса фермер получает примерно 300 евро.
В странах Европы биодизель основном является продуктом рапсового масла. Причем как производство, так и использование биодизельного топлива имеет поддержку на государственном уровне. Там уже построено достаточно малых и больших перерабатывающих заводов. В частности, в Германии ежегодно производят около 2 млн т биодизельного топлива, а его доля на рынке дизельного топлива составляет 3,0%. Биодизельное топливо используют и ближайшие соседи Украины: Чехия, Словакия, Польша. В последнее время эти страны существенно увеличили посевные площади под рапс.
С 2009 года все страны Европейского союза обязуются производить и использовать биодизельное топливо. А к 2020 году Европейский союз планирует не менее 20% транспорта заправлять биотопливом.
В Украине доля легковых автомобилей, оборудованных дизельными двигателями, незначительна. Главная причина — низкое качество топлива. В сельскохозяйственном производстве все тракторы и самоходные комбайны работают на дизельном топливе. Относительно грузовых автомобилей, то среди них дизельных — примерно 85% и 95% автобусов и микроавтобусов. И если бы удалось перевести на биодизельное топливо хотя бы общественный пассажирский транспорт, то это значительно улучшило экологическую ситуацию, особенно в крупных городах.
Увеличение объемов мирового потребления рапсового масла в течение 1990-2004 годов обусловлено исключительно ее биологическими особенностями. Благодаря этому рапсовое масло по своей ценности занимает первое место в мире среди растительных масел. Учитывая пользу рапсового масла, особенно ощутимыми темпами растет спрос и объемы производства рапса. Площадь посевов этой культуры в мире занимает около 24 млн га, при средней урожайности 13-15 ц / га. Среди стран мира крупнейшие посевные площади рапса в Индии, Китае, Канаде, США, Австралии. В странах Западной Европы посевные площади рапса достигают около 3500 тысяч га. Больше рапса высевают в Германии, Польше и Чехии. Всего 28 стран мира считают рапс основной масличной культурой.
Мировое лидерство по объемам производства рапса принадлежит странам ЕС, на которые приходится ежегодно около 25% мирового производства. Такая ситуация объясняется действием ряда факторов, а именно: значительным субсидированием производства и поддержкой экспорта продукции, высокой покупательной способностью и развитостью отрасли, а также использованием семян рапса как основного сырья для производства продукции широкого потребления. Именно поэтому основные производственные мощности компаний-гигантов олиехимичнои области содержатся именно в Европе. Кроме того, общественная забота о сохранении окружающей среды вынуждает правительства прибегать к разработке программ использования альтернативных источников энергии, в том числе производства биотоплива, сырьем для которого являются семена рапса.
В Украине рапс как промышленную культуру начали интенсивно внедрять лишь последние 10-15 лет. Несмотря на длительную агитацию за эту культуру, рапс не приобрел у нас массового распространения. Причина заключается в том, что не решенными остается ряд вопросов. Вот некоторые из них. Рапс является культурой с очень мелким зерном, и поэтому для его посева, уборки и первичной переработки нужна специальная техника или усовершенствованная традиционная. Приобретение такой техники или переоборудования уже существующего требует немалых затрат рабочего времени и средств, которых в хозяйствах, как правило, хватает.
Другая проблема, которая сдерживает развитие рапсоводства, — недостаточная зимостойкость озимого рапса. Производство этой культуры — дело весьма рискованное. Так, в течение зимы 2002-2003 маркетингового года в Украине вследствие неблагоприятных погодных условий погибло около 70% посевов рапса, отчего сельхозпроизводители понесли значительные потери. Выращивать яровой рапс нецелесообразно, так как его урожайность примерно в 1,5 раза ниже озимый.
Среди основных масличных культур Украины в структуре посевных площадей рапс занимает третье место, уступая только подсолнечника и сои. Сейчас подсолнечник, благодаря выгодной реализации семян, — основная масличная культура в Украине. Рост производства этой культуры происходит за счет расширения посевных площадей при снижении урожайности в среднем на 46,3%. Около 30% площадей подсолнечника размещены в зоне Полесья, где уровень обеспеченности почвы питательными веществами низкий. Кроме того, повышенная влагообеспеченность и сравнительно низкий температурный режим негативно влияют на рост и развитие подсолнечника, его производительность. Поэтому именно рапс в этой зоне, где подсолнечник не имеет преимуществ через агроклиматические условия, должен частично, а то и полностью его заменить.
Как свидетельствуют данные Государственного комитета статистики Украины, в структуре пахотных земель озимый рапс занимает около 0,2-0,3%, а средняя урожайность находится на уровне 10,7 ц / га. Следует заметить, что в последние годы выращивали еще и яровой рапс на площади около 15 тыс. га с урожайностью 7,4 ц / га.
Для сравнения: в Германии посевные площади под рапсом достигли 1300 тысяч га (почти 10% пахотной земли), а его средняя урожайность — около 30 ц / га. Товаропроизводитель получает за тонну семян рапса более 230 евро. В Германии на долю рапса как предшественника в денежном выражении приходится 100 евро / га.
Для Украины есть два альтернативных направления использования рапса: наладить собственное производство биодизельного топлива или выращивать рапс и экспортировать его в западные страны, получая за это твердую валюту. Если провести экономические расчеты, то их результаты покажут, что на сегодня хозяйствам выгоднее реализовывать рапсовое семя на внешнем рынке, чем производить из него биодизельное топливо для собственных нужд.
Но, несмотря на все приведенные преимущества и недостатки биотоплива, сейчас переход на экологически чистые виды топлива является потребностью уже не только настоящее, но и завтрашнего дня, и не учитывать этого нельзя. Технические средства, двигатели которых будут работать на биотопливе, не будут загрязнять окружающую среду вредными соединениями так, как техника, использующая традиционный нефтяное топливо.
Сейчас Украина способна производить около 200 тыс. т зерна рапса для промышленных нужд. Вместе есть все основания надеяться, что при внедрении новых прогрессивных технологий и технических средств появится возможность в недалеком будущем довести валовой сбор семян рапса до 1,0-1,5 млн т, перерабатывать его на отечественных заводах, создавая новые рабочие места и повышая конкурентную способность украинского производителя на внутреннем и внешнем рынках.
С агроэкологического взгляда именно украинское Полесье и Лесостепь имеют благоприятные условия для выращивания озимого и ярового рапса. Вместе с традиционным регионом выращивания рапса — Западной Украиной — наиболее перспективными являются Черниговская, Сумская, Черкасская, Полтавская области, где в последние годы наблюдается стремительный рост (в 20-25 раз) валовых сборов озимого рапса.
Определяющей препятствием в увеличении производства и развития рынка рапса является отсталая техническая база сельскохозяйственных предприятий. Вследствие нарушения технологии выращивания, в частности точности высева, недостаточного внесения удобрений, несоблюдение сроков сева и уборки, хозяйства теряют почти 60% потенциального урожая, что обусловливает повышение себестоимости производства одной тонны рапса. Кроме того, в большинстве рипакосийних хозяйств — низкий уровень агротехнических мероприятий, вследствие чего они имеют валовые сборы рапса только за счет естественного плодородия почвы.
Так, первоочередными задачами рапсоводства является разработка и внедрение механизированных технологий производства рапса, разработка новой и модернизация существующей техники для его посева и сбора, а также получение высоких урожаев семян этой культуры. Ценные свойства рапсового масла, повышение рентабельности производства рапса способствовать дальнейшему развитию мирового рынка рапса и продукции его переработки. Снижение экспортной таможенной пошлины способствовало бы бюджетным поступлениям, которые можно было бы направлять на дотации рапсовый отрасли.
Для того чтобы быть конкурентоспособным, биодизельное топливо должно хотя бы на 5-10% стоить дешевле по сравнению с традиционными нефтепродуктами. В условиях Украины рыночная стоимость рапса не дает этого сделать. Поэтому некоторые хозяйства планируют самостоятельно выращивать рапс и делать из него масло. Такой путь достаточно рациональный, так как отходы от переработки сырья можно использовать для кормления животных или как удобрение, а глицерин — в фармакологии.
Биологическое дизельное топливо сейчас сможет заменить только часть используемых минеральных нефтепродуктов. Но следует учитывать, что нефти осталось не так уж много.
Развитие альтернативных видов топлива как в Украине, так и в других государствах возможен только благодаря льготному кредитованию соответствующих программ и проектов, а также гибкие налоговой системе. При условии рационального подхода к развитию отрасли рапсоводства биодизельное топливо станет эффективным инвестированием украинской экономики, а именно: вложение средств в будущее.
В. Марченко, канд. техн. наук, доцент, В. Синько, инженер-механик
По данным центра REN21, работающего под эгидой Программы ООН по окружающей среде, в 2017 году около 18,1% всей потребляемой в мире энергии пришлось на энергию из возобновляемых источников. В общественном сознании «зеленая» энергетика —это в первую очередь ветровые и солнечные установки, но в действительности они занимают незначительную долю даже внутри возобновляемого сектора.
Две трети рынка «зеленой» энергетики занимает биоэнергетика. На нее в 2017 году пришлось 12,4% всей потребленной в мире энергии, или 12,8 тыс. ТВт·ч. Использование биомассы для получения тепла и энергии можно разделить на два способа:
- традиционный: сжигание древесины, древесного угля, навоза и прочих остатков сельскохозяйственной деятельности (на это приходится 7,4% потребляемой в мире энергии);
- современный: использование специально подготовленной биомассы в твердом, жидком и газообразном виде (5% мирового потребления энергии).
Сжигание древесины приводит к выбросам углекислоты, но энергетики отмечают, что высаженные специально для этого деревья впоследствии поглощают вредные газы. Поэтому, несмотря на недовольство некоторых экологов, власти Евросоюза официально приравняли биомассу к возобновляемым источникам энергии. В ежегодном докладе по «зеленой» энергетике за 2019 год специалисты REN21 изучили, что происходит на биоэнергетическом рынке и куда он движется.
В отличие от тех же солнечных батарей биоэнергетика подразумевает более сложную производственную цепочку. В современной энергетике биомассу не просто собирают и сжигают, нужно придумать эффективный способ ее переработать (чему помогают научные исследования) и превратить в биотопливо (с помощью химической промышленности).
1. Твердое топливо
Это наиболее распространенный вид топлива для биоэнергетики. В первую очередь это гранулированная древесина или пеллеты. В 2018 году объем их производства в мире достиг 35 млн т, пятая часть которого пришлась на США. Россия также является крупным производителем пеллетов — ежегодный объем продукции достиг в 2018 году 3,6 млн т, что лишь вдвое меньше объема производства в США. Аналитики REN21 отмечают, что экспорт пеллетов из России в прошлом году вырос на 30%, до 1,5 млн т, при этом в самой стране биоэлектростанции на гранулированной древесине работают лишь на 50% загрузки.
Основными импортерами пеллетов являются страны Евросоюза, Канада и Япония, в которых сейчас активно строятся новые ТЭЦ, производящие как электричество, так и тепло. Помимо дерева твердым биотопливом становятся остатки тростника, торф и даже обработанные коммунальные отходы.
2. Жидкое топливо
Применительно к биоэнергетике жидким топливом чаще всего является биоэтанол. По сути же это просто спирт, получаемый из растительного сырья. В зависимости от климата и условий, в разных странах сырьем могут являться сахарный тростник, кукуруза, зерновые культуры и так далее. Основная сфера его применения — замена бензина, дизеля и авиакеросина для транспортных средств. В 2018 году мировое производство жидкого биотоплива всех видов выросло на 7%, до 153 млн л. По энергоемкости это чуть более 8% от всего рынка биоэнергетики.
Благодаря миллиардным инвестициям в производство биоэтанол постепенно наращивает присутствие на рынке. Например, в 2018 году в мире было совершено 150 тыс. авиаперелетов на биотопливе, пять аэропортов в мире уже имеют нужную инфраструктуру для заправки им самолетов. Цифры могут показаться внушительными, но вообще ежегодно в мире совершается более 40 млн авиарейсов, так что применение биотоплива тут находится на самом раннем этапе.
Две проблемы, которые предстоит решить химикам: в каких долях эффективнее всего смешивать биоэтанол с обычным топливом и какое еще сырье здесь можно использовать. В последние годы американская промышленность пытается наладить производство биоэтанола из целлюлозы, но пока эти проекты балансируют на грани окупаемости.
3. Газообразное топливо
Разложение биомассы приводит к образованию смеси метана и углекислоты, который используется в энергетике как биогаз. ТЭЦ на биогазе работают преимущественно в западных странах: в ЕС к концу 2018 года находилось более 10 тыс. процессинговых центров, еще около 2,2 тыс. в США, причем в каждом из 50 штатов.
Перспективной технологией аналитики REN21 называют получение биометана путем удаления из биогаза углекислоты. С одной стороны, очищение биогаза от подобных примесей до уровня качества природного газа позволит использовать инфраструктуру газовой отрасли, с другой — это сделает энергетическую отрасль более экологичной.
Сейчас основным способом использования биомассы в энергетике является отопление. Четверть тепловой энергии жилые и коммерческие здания во всем мире получают от биотоплива. В подавляющем большинстве случаев это использование традиционной биоэнергии — банальный обогрев горящими поленьями используют в беднейших регионах земли, и точную статистику тут собрать трудно. Современную биоэнергетику используют городские власти для центрального отопления кварталов, где на нее приходится 95% всех используемых возобновляемых источников энергии.
В промышленности традиционное биотопливо не используется, а современные технологии обеспечивают 6,1% нужд в тепловой энергии. Перспективы применения, отмечают авторы обзора, зависят от конкретной отрасли. Сталелитейной промышленности низкотемпературное биотопливо не подходит, тогда как на цементном производстве оно может успешно заменить используемый сейчас для выработки тепла каменный уголь.
В меньшей степени биотопливо применяется на транспорте (3% потребляемой энергии) и для выработки электричества (2,1%). Основной объем энергии из биологических источников на транспорте получают автомобили, хотя замещение биотопливом керосина для самолетов входит в планы многих авиакомпаний.
Использование биотоплива для получения электроэнергии растет стабильными темпами около 7–9% в год, и за десять лет с 2008 года объем выработанного таким способом электричества удвоился почти до 600 ТВт·ч. Основная тенденция, которую отмечают аналитики REN21, — этот сегмент биоэнергетики опережающими темпами растет в Азии (на 14–16% в год), тогда как в Северной Америке и Европе он развивается заметно более умеренными темпами.
В конечном же итоге авторы обзора подчеркивают, что развитие биоэнергетики пока что сильно зависит от внешних условий в определенное время в конкретных регионах. Например, хороший урожай сои в США и Бразилии в 2018 году позволил этим странам резко нарастить производство биодизеля. Одновременно снижающиеся цены на сахар вынудили бразильцев вводить больше мощностей по переработке тростника в биоэтанол. Будут ли в дальнейшем условия благоприятствовать развитию биоэнергетики, неизвестно.
