Производство жидкого биотоплива в мире и РФ

И.Е. Матвеев, старший научный сотрудник,

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский конъюнктурный институт» (ВНИКИ), г. Москва

Согласно российскому стандарту «Энергетика биоотходов. Термины и определения» (введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. № 424-ст.), отходы – это остатки продуктов или дополнительный продукт, образующийся в процессе или по завершении определенной деятельности и не используемый в непосредственной связи с этой деятельностью. Различают отходы производства и отходы потребления. Под биомассой понимаются все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов. Биотопливо – это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.

В новом веке глобальное производство жидкого биотоплива неуклонно росло и в 2009 г. достигло 1635,5 тыс. барр./сут., т.е. примерно 2,2% мировой действующей мощности нефтеперерабатывающих предприятий (в 2005 г. – 0,9%). Таким образом, несмотря на значительное внимание средств массовой информации к данному сегменту энергетического рынка, этот энергоноситель не оказал серьезного влияния на мировую структуру потребления жидких видов топлив.

В 2009 г. в тройку мировых лидеров по выпуску биотоплива входили США (45,6% мирового производства), Бразилия (29,2%) и ФРГ (3,9%).

 Табл. 1. Мировое производство биотоплива (источник: EIA)

Объем производства,

тыс. барр./сут.

2005 г.

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

ВСЕГО

661,4

854,5

1127,0

1489,7

1635,5

Сев. Америка

265,2

340,1

472,8

667,8

767,4

 США

260,6

335,0

457,3

649,7

746,4

 Канада

4,6

5,2

15,4

18

20,8

Центр. и Южн. Америка

285,2

330,6

429,9

539,4

534,4

 Бразилия

276,4

307,3

395,7

486,3

477,5

 Ямайка

2,2

5,2

4,9

6,4

6,9

 Колумбия

0,5

4,6

4,9

5,9

10,9

 Аргентина

0,2

0,7

7,8

15,5

23,7

 Парагвай

0,6

0,8

1,1

1,7

2,2

 Перу

0,3

0,4

0,9

2

2,1

Африка

0,2

0,3

0,2

0,3

0,5

Европа

82,0

141,0

168,5

202,2

234,6

 ФРГ

41,8

77,8

85,1

71,7

64,2

 Франция

10,9

16,6

28

51,4

62,6

 Италия

7,8

13,8

10,2

14,1

14,1

 Бельгия

0,02

0,49

3,2

5,8

10,6

 Польша

2,3

4,6

3,6

7

9,6

 Австрия

1,6

2,4

5,5

5,7

8,1

 Чехия

2,5

2,5

2,2

2,8

4,9

 Финляндия

0,22

0,4

1,35

2,5

4,5

 Великобритания

0,9

3,8

3,2

4,9

4

 Литва

0,2

0,5

0,8

1,7

2,4

 Дания

1,4

1,4

1,4

1,8

1,81

 Норвегия

0,96

1,2

 Россия

0

0

0

0

0

Азия и Океания

28,2

41,7

54,2

76,8

93,5

 Китай

21,5

28,1

34,7

42,3

45

 Таиланд

1,6

2,6

4,2

13,4

17,4

 Индия

3,9

4,5

4,7

4,8

6,2

 Малайзия

0

1,1

2,5

4,5

5,7

 Австралия

0,6

1,7

2,1

3,4

5,2

 Респ. Корея

0,2

0,9

1,7

3,2

5

 Индонезия

0,2

1,5

2,2

2

1,8

В настоящее время жидкое биотопливо первого поколения (этанол и биодизельное топливо) в промышленных масштабах выпускается из сахароносных и крахмалистых культур, а также масел растительного и животного происхождения, при этом эксплуатационные характеристики конечного продукта зависят от вида исходного сырья.

Биодизельное топливо (БТ) – это сложный метиловый эфир, получаемый из масел растительного или животного происхождения и используемый в основном в качестве добавки в традиционное дизельное топливо. Данный энергоноситель может производиться из более чем 50 видов масличных культур (подсолнечника, рапса, сои, хлопка, льна, пальмы, арахиса и т.д.). Имеются также сведения о получении его из горчицы, фундука, оливы и бука. Технологический процесс производства БТ достаточно простой: масло семян очищается от механических примесей, затем в него добавляется метиловый спирт и щелочь, которая служит катализатором реакции переэтерификации, и затем смесь нагревается до 50 °С. После охлаждения жидкость расслаивается на две фракции – легкую (метиловый эфир – биодизель) и тяжелую (глицерин). Основными сельскохозяйственными культурами для производства БТ являются рапс, подсолнечник, соя и пальма. Животные жиры и отходы пищевых жиров пока не получили широкого распространения.

Рапс имеет высокую урожайность, а рапсовое масло – достаточно высокую стойкость к окислению и относительно низкое содержание йода (менее 120 ед.). Он благоприятно влияет на структуру почвы и позволяет увеличивать урожайность зерновых культур при севообороте. В Европе, исходя из текущей конъюнктуры, уровня производственных издержек, доступности и требуемых физико-химических характеристик, наиболее подходящим для производства БТ является рапсовое масло, которое может быть использовано в качестве основы моторного топлива (смесь рапсового масла и традиционного дизельного топлива получила название смесевого дизельного топлива –«биодит») или его компонента (в виде метилового эфира рапсового масла – МЭРМ). Рапсовое биодизельное топливо отвечает европейскому стандарту EN 14214 и может использоваться в зимних условиях региона.

Урожаи подсолнечника ниже, чем аналогичный показатель у рапса, и его выращивание рентабельно в странах с теплым и сухим климатом. Содержание йода в подсолнечном масле превышает уровень в 120 ед., поэтому при производстве БТ его смешивают с другими видами масел.

Масло сои в качестве сырья для изготовления дизельного биотоплива получило широкое распространение в США и Аргентине. Оно имеет повышенное содержание йода (более 120 ед.), но американский стандарт D-6751-02 не содержит ограничений по данному показателю.

Масло, полученное из пальмы, широко используется в Малайзии, однако пальмовый биодизель может применяться в регионах с теплым климатом (или в смеси с другим топливом), поскольку он теряет необходимую текучесть при температурах ниже 11 °C.

Животные жиры и отходы пищевых жиров содержат повышенное количество полимеров и используются в основном в государствах, где стоимость такого сырья невысока.

Применение других видов растительных и животных масел нуждается в дополнительных исследованиях. Например, в Никарагуа начаты работы по производству биодизельного топлива из ореховых масел, в Греции – из хлопкового масла.

В ЕС примерно 80% биодизельного топлива изготавливается из рапса, урожайность которого позволяет производить примерно 1190 л масла с 1 га (для сои данный показатель составляет 446 л, льна – 478 л, арахиса – 1059 л, пальмы – 5950 л), при этом из 1 т растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) вырабатывается около 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.[1] 

 Табл. 2. Мировое производство биодизельного топлива сточник: EIA) 

Объем производства,

тыс. барр./сут.

2005 г.

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

ВСЕГО

77,13

141,93

202,82

270,95

308,19

Сев. Америка

6,12

17,14

33,65

45,91

35,23

 США

5,92

16,34

31,95

44,11

32,93

Центр. и Южн. Америка

0,54

2,25

15,25

38,63

57,93

 Бразилия

0,01

1,19

6,97

20,06

27,71

Европа и Евразия

67,96

113,12

137,40

155,04

172,61

 Белоруссия

0,00

0,00

0,00

0,20

0,50

 Болгария

0,00

0,10

0,20

0,21

0,49

 Великобритания

0,90

3,80

2,90

3,70

2,70

 Венгрия

0,00

0,00

0,20

2,70

2,80

 Германия

39,00

70,40

78,30

61,70

51,20

 Греция

0,06

0,90

1,80

1,30

1,40

 Дания

1,40

1,40

1,40

1,80

1,80

 Ирландия

0,02

0,02

0,30

0,40

0,40

 Испания

3,20

1,20

3,30

4,30

11,00

 Италия

7,70

11,60

9,20

13,10

13,10

 Кипр

0,02

0,02

0,02

0,20

0,20

 Латвия

0,10

0,10

0,20

0,60

0,90

 Литва

0,10

0,20

0,50

1,30

1,90

 Нидерланды

0,00

0,35

1,70

2,00

5,40

 Норвегия

0,00

0,00

0,00

0,96

1,20

 Польша

1,20

1,80

0,90

5,00

6,70

 Португалия

0,02

1,80

3,50

3,10

4,90

 Россия

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

 Румыния

0,00

0,20

0,70

1,30

0,60

 Сербия

0,00

0,50

1,00

1,50

 Словакия

1,50

1,60

0,90

2,80

2,00

 Словения

0,10

0,20

0,10

0,17

0,18

 Турция

0,00

0,40

0,30

0,20

0,10

 Франция

8,40

11,60

18,70

34,40

41,10

 Хорватия

0,00

0,00

0,10

0,10

0,10

 Чехия

2,48

2,20

1,60

1,50

3,03

 Швеция

0,20

0,40

1,30

1,60

2,00

 Швейцария

0,10

0,20

0,20

0,22

0,13

 Эстония

0,10

0,02

0,02

0,40

0,50

Ближн. и Средн. Восток

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

Африка

0,00

0,00

0,00

0,05

0,09

Азия и Океания

2,20

9,10

15,80

28,82

38,52

 Австралия

0,20

0,40

0,70

0,90

1,70

 Индия

0,20

0,40

0,20

0,20

0,40

 Индонезия

0,20

1,40

2,00

1,80

1,60

 Китай

0,80

4,00

6,00

8,00

8,00

 Респ. Корея

0,20

0,90

1,70

3,20

5,00

 Сингапур

0,00

0,00

0,70

0,70

2,10

 Таиланд

0,40

0,40

1,20

7,70

10,50

 Филиппины

0,20

0,40

0,60

1,20

2,60

 Япония

0,00

0,10

0,10

0,20

0,20

 В 2005-2009 гг. мировая выработка биодизельного топлива увеличилась в 4 раза.

Биоэтанол первого поколения (этиловый спирт) получают путем переработки растительного крахмалосодержащего сырья (пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, отходов сельскохозяйственных культур и т.п.), доля которого в себестоимости конечного продукта составляет 70-80%. [2]

 Табл. 3. Выработка биоэтанола из 1 т сырья (источник: «Cleandex»)  

Наименование сырья

Этанол, л

Побочные продукты, кг

Углекислый газ, кг

Пшеница

375

330

370

Рожь

357

390

350

Ячмень

330

430

320

Кукуруза

410

300

400

 

Издание «Химия и химики» приводит следующие расчетные данные по выработке этанола из 1 т сырья по сухому весу (л): кукуруза (зерно) – 470, стебли кукурузы – 427, рисовая солома – 415, отходы очистки хлопка – 215, лиственные опилки – 381, багасса – 421, макулатура – 439.[3]

 Табл. 4. Производство сырья и примерная стоимость этилового спирта[4] (источники: «Коммерческая биотехнология», «Renewable energy world, 2004»)

Наименование сырья

Производство сырья, т/га

Стоимость спирта, долл.США/м3

Сахарная свекла

2,5 – 3,0

300 – 400

Сахарный тростник

3,5 – 5,0

160

Кукуруза

2,5

250 – 400

Пшеница

0,5 – 2,0

380 – 400

Картофель

1,2 - 2,7

800 – 900

Сорго

3,0 – 5,0

200 – 300

Кассава

1,5 – 6,0

700

 В 2005-2009 гг. глобальный выпуск этанола увеличился в 2,3 раза, а мировыми лидерами по его производству являлись Бразилия, США и Китай.

Табл. 5. Мировое производство этанола (источник: EIA) 

Объем производства,

тыс. барр./сут.

2005 г.

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

ВСЕГО

584,3

712,6

924,1

1218,8

1327,3

Сев. Америка

259,1

323,0

439,2

621,9

732,2

Центр. И Южн. Америка

284,6

328,3

414,6

500,7

476,4

Eвропа

14,1

27,8

31,1

47,2

62,0

Ближн. и Средн. Восток

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

Африка

0,2

0,3

0,2

0,3

0,4

Азия и Океания

26,0

32,6

38,4

48,0

54,9

В настоящее время в транспортном секторе биоэтанол используется как основное топливо, так и в качестве добавки в традиционный бензин. В США, Европе, Австралии и Таиланде широкое распространение получило БТ марок «E-5», «E-7», «E-10» и «Е-85» (доля спирта – 5, 7, 10 и 15% соответственно). Указанные виды моторного топлива (доля этанола – менее 20%) могут использоваться в традиционном бензиновом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) без внесения в его конструкцию соответствующих изменений. Масштабная реализация топлива «Е-20» (20% этанола, 80% бензина) может быть начата в США в 2013 г., так как его применение предусматривает модернизацию ДВС. В Бразилии и Аргентине биоэтанол реализуется практически в чистом виде под маркой «E-100» (содержание биоэтанола – 96%, воды – 4%), но его воспламенение нестабильно при температуре окружающей среды ниже 15 °C, поэтому местные транспортные средства с ДВС типа «Flex-Fuel» оборудованы небольшим дополнительным баком для бензина, который служит для первоначального запуска двигателя в условиях относительно низких температур.[5] Кроме того, ввиду более низкой энергоемкости этанола его расход на единицу пробега ТС примерно на 25-37% больше, чем аналогичный показатель для углеводородного энергоносителя.

Ведущим производителем биотоплива первого поколения являются США, где основным сырьем для выпуска биодизельного топлива служит соя, а биоэтанола – кукуруза. В стране создана система сбора и переработки отходов алкогольной промышленности в биотопливо, которое в статистике «DOE» учитывается в разделе переработки древесных отходов и отходов производства алкогольной продукции. Американское биодизельное топливо (торговая марка «В-99») экспортируется в Европу и реализуется по более низким ценам, чем европейский аналог, и это, по мнению Еврокомиссии, негативно влияет на рентабельность региональных производств и сроки окупаемости новых проектов. Внутренний рынок этанола в США защищен достаточно высокими ввозными пошлинами, что препятствует расширению импорта данного энергоносителя из Бразилии. В 2004-2008 гг. в стране потребление энергии, произведенной с использованием биомассы, увеличилось на 28%.

 Табл. 5. Среднегодовое потребление энергии, выработанной с использованием биомассы, промышленных и бытовых отходов, в США (источник: EIA)

Среднегодовое потребление энергии,

квдр. БТЕ

2004 г.

2005 г.

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

ВСЕГО

3,0

3,1

3,3

3,5

3,9

3,9

Биотопливо

0,5

0,6

0,8

1,0

1,4

1,5

 Биодизельное топливо

0,0

0,0

0,03

0,05

0,04

0,04

 Этанол

0,3

0,3

0,5

0,6

0,8

0,9

Отходы производства

биотоплива

 

0,2

0,3

0,2

0,5

0,6

 Биодизельное топливо

...

0,001

0,001

0,001

 Этанол

0,2

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

 Промышленные

и бытовые отходы

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

 Биогаз

0,1

0,1

0,2

0,2

0,2

0,2

 Бытовые отходы 1)

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

 Прочая биомаса 2)

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

 Древесные отходы и отходы производства алкогольной продукции

2,1

2,1

2,1

2,1

2,0

1,9

1) Макулатура, пищевые отходы, отходы текстильной и кожевенной промышленности и твердые бытовые отходы.

2) Отходы сельского хозяйства, побочные продукты переработки и другие виды жидких и газообразных отходов.

В августе 2005 г. в США были приняты «Энергетический билль» («Energy Policy Act of 2005») и «Стандарт по производству топлива из ВИЭ» («Renewable Fuels Standard:»), которые предусматривают к 2012 г. расширение производства этанола из зерновых культур до 30 млрд л в год, а из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.) – до 3,8 млрд л/год.

В Аргентине минимальное содержание биотоплива в традиционном моторном топливе (бензине и ДТ) регулируется законом и в 2010 г. оно составило 5%. Правительство страны поддерживает компании данного сектора энергетики путем предоставления им налоговых льгот.

В Бразилии в структуре внутреннего потребления моторного топлива доля этанола, получаемого из сахарного тростника, составляет около 18%. В стране подавляющее большинство новых автомобилей (более 90%) имеют оборудование, позволяющее использовать смесь бензина и этанола или чистый этанол. Несмотря на высокий потенциал биотопливной промышленности, в 2010 г. внутреннее производство этанола и его экспорт снизились по сравнению с аналогичными показателями 2009 г. из-за резкого роста цен на сырье и снижения внешнего спроса. В сфере биотоплива конкурентным преимуществом Бразилии является достаточно низкая себестоимость производства за счет невысоких затрат на оплату труда и ее географическое положение, поэтому ряд ведущих мировых энергетических концернов («Schell», «BP» и др.), а также компании из США, Европы и Азии участвуют в совместных проектах по производству биотоплива первого поколения из сахарного тростника и отходов древесины и расширению соответствующей инфраструктуры (в том числе в строительстве трубопровода от мест масштабного производства биотоплива до морских портов Парана и Сан-Паолу. Следует отметить, что в 2009 г., по данным Министерства энергетики Бразилии, в структуре производства первичной энергии доля невозобновляемых источников энергии составила 51,6%, ВИЭ – 48,4%, в том числе сахарного тростника и его отходов – 19,0%, энергии воды – 13,4%, древесины – 12,4%).[6]

В Евросоюзе, по данным «European Biodiesel Board» («ЕDB»), в 2008 г. выпуск биотоплива увеличился на 35,7% по сравнению с аналогичным показателем предыдущего года (в 2007 г. – на 16,8%, 2006 г. – на 54%, 2005 г. –  на 65%).[7] Катализатором развития отрасли являлись высокие мировые цены на нефть, однако и в 2009 г., вопреки логике кризисной экономики, суммарная установленная мощность оборудования по выпуску биотоплива расширилась на 31% к уровню 2008 г.

 Табл. 6. Производство биотоплива в ЕС (источник: EВВ)

Объем производства, тыс.т

2007 г.

2008 г.

ВСЕГО

5713

7755

ФРГ

2890

2819

Франция

872

1815

Италия

363

595

Бельгия

166

277

Польша

80

275

Португалия

175

268

Дания/Швеция

148

231

Австрия

267

213

Испания

168

207

Великобритания

150

192

Словакия

46

146

Греция 

100

107

Венгрия

7

105

Чехия

61

104

Нидерланды

85

101

Финляндия

39

85

Литва

26

66

Румыния

36

65

Латвия

9

30

Ирландия

3

24

Болгария

9

11

Кипр

1

9

Словения

11

9

Мальта

1

1

Люксембург

0

0

Эстония

0

0

 В объединенной Европе многие страны ежегодно увеличивают выпуск данного энергоносителя в соответствии с требованиями Еврокомиссии в части реализации программы «20-20-20», хотя Евросоюз не располагает значительными возможностями по расширению посевных площадей. Согласно предварительным оценкам, в 2010 г. в ЕС в суммарном потреблении моторных топлив доля биодизельного топлива может достичь 5,75% (в 2008 г. – 2%). Для этого необходимо переработать примерно 13,4 млн т растительных масел (из них рапсового – около 80%).

На территории СНГ первым крупным производителем биоэтанола стал Казахстан, где в 2006 г. был введен в эксплуатацию завод мощностью 57 тыс. спирта в год (годовая потребность в пшенице – 220 тыс. т). Тем не менее, в долгосрочной перспективе, согласно новой редакции закона о ВИЭ от 6 июля 2009 г., в стране основное внимание будет уделяться энергии солнца и ветра, при этом целью является увеличение к 2024 г. доли возобновляемых источников энергии до 5%.[8]

Россия имеет значительный потенциал ВИЭ, включая промышленные, сельскохозяйственные и лесные ресурсы. Согласно оценке министерства сельского хозяйства РФ, в промышленности образуется более 390 млн т. отходов в год (по сухому веществу), в секторе лесо- и деревообработки – 700 млн т, в ЖКХ (твердые бытовые отходы) – 70 млн т (из них 10 млн приходится на коммунальные стоки). По данным ФГНУ «Росинформагротех», потенциал агропромышленного комплекса страны оценивается в 773 млн т отходов, из которых можно произвести 66 млрд м3 биогаза и 112 млн т удобрений. При этом эффективное использование и переработка в биотопливо растительных и древесных отходов может позволить сократить зависимость предприятий от централизованного энергоснабжения.

Распоряжением правительства РФ № 1-р от 8 января 2009 г. были утверждены «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.», согласно которым в среднесрочной перспективе потребуется увеличение производства различных видов энергоносителей, в том числе биомассы.

Следует отметить, что в последние несколько лет в России ежегодно перерабатывается около 3 млн т маслосемян (из них подсолнечника – 89%, сои – 9%, горчицы – 0,4%, рапса – 1,6%), при этом выход масла составляет около 40%.

В РФ данная сфера энергетики развита слабо. В 2005 г., по данным Министерства сельского хозяйства РФ, мощности по производству топливного этанола составили 1,5 млрд л в год, однако в 2008 г. было выпущено менее 500 млн л данного энергоносителя (из растительного сырья и отходов древесины). В настоящее время некоторые регионы имеют планы по расширению производства жидкого биотоплива (Татарстан, Омская, Томская, Волгоградская, Липецкая, Пензенская, Ростовская и ряд других областей).

В стране основными факторами, сдерживающими развитие отрасли, являются высокие акцизные ставки в производстве спирта, отсутствие нормативной базы, стимулирующей производство топливных смесей и их реализацию в розничной сети, неготовность транспортного сектора к потреблению подобных энергоносителей по техническим причинам, а также специфические особенности биотоплива (высокая температура замерзания, более низкая теплотворность по сравнению с традиционным моторным топливом и др.). Кроме того, расширение выпуска биотоплива без соответствующих мер поддержки сельского хозяйства может стать причиной снижения рентабельности животноводства в случае увеличения цен на зерно, кукурузу, и другие культуры в связи с ростом спроса на них со стороны производителей БТ, а также привести к дефициту зерна на внутреннем рынке.

Некоторые аналитики полагают, что в последние несколько лет развитие «чистой» энергетики привело к значительному повышению цен на ряд продовольственных товаров, поскольку между компаниями энергетического сектора и предприятиями продовольственной сферы обострилась конкуренция за право обладания сырьевыми ресурсами.

 В сегменте биодизельного топлива можно попытаться оценить степень влияния БТ на рынок растительных масел, которые являются основным сырьем для выпуска этого энергоносителя. Так, в 2005-2009 гг. численность населения планеты увеличилась на 3,3%, производство 8-ми основных видов растительных масел – на 22%, а БТ – примерно в 4 раза. Поскольку из 1 т масла может быть изготовлено в среднем 0,9 т биодизельного топлива, то в 2005 г. в сектор БТ поступило 4,3 млн т растительных масел, т.е. 4,0% их суммарного производства, а в 2009 г. соответствующие показатели составили 17,1 млн т и 13,1%. Тем не менее, мировое потребление указанных растительных масел на душу населения увеличилось с 2,2 кг в 2005 г. до 2,3 кг в 2009 г. Таким образом, по нашему мнению, в рассматриваемый период в глобальной экономике сектор биодизельного топлива не вступал в жесткую конфронтацию с продовольственным сегментом, поскольку расширение выпуска растительных масел соответствовало приросту населения Земли и перекосы в перераспределении сырьевых ресурсов в пользу энергетических компаний могли происходить лишь в отдельных регионах мира. Рост цен на растительное масло и изделия из него может объясняться стремлением некоторых государств увеличить производство биотоплива с целью снижения потребления углеводородных энергоносителей (в ущерб продовольственной сфере), увеличением финансовых затрат, связанных с перераспределением данных продовольственных товаров по каналам внешней торговли, а также спекулятивной составляющей.

Что касается биоэтанола, то в его производстве используются не только сельскохозяйственные культуры, но и отходы различных отраслей экономики (пищевой промышленности, лесной отрасли и т. д.), поэтому достаточно затруднительно оценить степень влияния этого энергоносителя на продовольственную сферу, хотя по косвенным признакам, например, по площади посевных площадей под соответствующие культуры, можно предположить, что определенная зависимость имеется. Так, в 2009 г. в США посевы кукурузы и сои увеличились на 2%, хлопка – на 18% (до 87,9 млн, 78,9 млн и 10,9 млн акр. соответственно), при этом аналогичный показатель для пшеницы сократился на 8% (до 54,3 млн акров) к уровню 2008 г.[9]

 Табл. 7. Численность населения, производство растительного масла и биодизельного топлива в мире (источники: «World Bank», «EIA», «Oil world», «British Petroleum», расчеты автора) 

 

2005 г.

2006 г.

2007 г.

2008 г.

2009 г.

Численность населения, млрд чел.

48,7

49,1

49,5

49,9

50,3

Доля земель сельскохозяйственного назначения, %

38,1

38,1

38,0

Выпуск БТ, млн т

3,9

7,1

10,2

13,6

15,4

Производство растительных масел, млн т 1)

107,6

116,3

120,4

127,2

131,0

Доля растительных масел, направленная в сектор БТ, в суммарном производстве растительных масел, %

4,0

6,8

9,4

11,9

13,1

Удельное потребление растительных масел с учетом потребления в секторе БТ, кг/чел.

2,2

2,2

2,2

2,3

2,3

1) Производство 8 основных видов растительных масел (пальмовое двух видов, соевое, хлопковое, арахисовое, подсолнечное, рапсовое и кокосовое) за соответствующие сельскохозяйственные годы.

 В приведенных данных обращает на себя внимание такой показатель, как доля земель сельскохозяйственного назначения, который в 2005-2009 гг. остался практически неизменным – примерно 38% суши. Это свидетельствует о том, что для наращивания выпуска технической биомассы необходимо использовать как интенсивные методы ведения хозяйства, так и перераспределение территорий посевов и освоение новых земель, поэтому дальнейшее увеличение производства жидких видов биотоплива первого поколения может привести к более широкому и слабо контролируемому использованию генетически измененных культур, пестицидов и других химических препаратов, а также уменьшению площади посевов пищевых культур. Кроме того, в мире из-за нелегальной вырубки деревьев с целью несанкционированного расширения «энергетических» плантаций сокращается площадь тропических лесов, которые вносят значительный вклад в сохранение окружающей среды.

 Технологии производства биотоплива второго поколения предусматривают переработку лигноцеллюлозной биомассы, получаемой из непищевого сырья, водорослей, промышленных и бытовых отходов и т.д., которая, однако, более устойчива к расщеплению по сравнению с крахмалом, сахаром и маслом. Этому направлению развития сферы ВИЭ уделяется повышенное внимание как со стороны руководителей государства, представителей науки и общественных организаций, так и со стороны бизнеса, поскольку, по мнению многих аналитиков, это является перспективным направлением развития «чистой» энергетики, а также средством устранения растущих противоречий между сельскохозяйственными производителями продовольственной сферы и энергетических компаний.

Новые методы выпуска БТ являются более сложными и дорогостоящими, хотя на этапе подготовки сырья к переработке производственные затраты ниже, чем аналогичный показатель для биотоплива первого поколения. Непосредственное преобразование целлюлозы в этанол включает расщепление целлюлозного и гемицеллюлозного компонентов биомассы до сахаров, из которых затем получают этанол путем ферментации. Первая стадия этого технологического процесса представляет сложную техническую задачу, что и является основным препятствием для организации промышленного производства биотоплива второго поколения.

Следует отметить, что целлюлозная биомасса (ЦБ) – наиболее распространенный биологический материал на земле, а его потенциальным источником являются все целлюлозные отходы, в том числе отходы сельского хозяйства (солома, стебли, листья и т.д.), лесоводства, переработки некоторых видов сырья (ореховая скорлупа, багасса сахарного тростника, опил­ки и пр.), а также органические компоненты муниципальных отходов и другие источники. Однако чрезмерное извлечение ЦБ из естественного оборота может иметь негативные последствия для окружающей среды, поскольку разлагающаяся биомасса играет важную роль в сохранении баланса природных процессов, т.е. поддержания необходимого уровня плодородия и естественной структуры почвы. По мнению специалистов Департамента энергетики США, с энергетической и экологической точки зрения зерновой этанол превосходит все виды топлива из ископаемого сырья, а этанол, произведенный из биомассы (целлюлозы), будет следующим значительным шагом в развитии данного направления.

В качестве источника сырья для топлива второго поколения наиболее перспективными считаются специальные целлюлозные энергетические культуры (ЦЭК), к которым относятся древесные культуры с коротким вегетационным периодом, например ива, гибридный тополь и эвкалипт, а также травянистые культуры (мискантус, просо прутьевидное, канареечник тростниковидный и др.). По сравнению с крахмалистыми и масличными культурами, которые используются для выработки биотоплива первого поколения, ЦЭК способны производить большее количество биомассы из расчета на 1 га земли, поскольку в качестве сырья для переработки в топливо может использоваться все растение, включая корневую систему. Более того, некоторые быстрорастущие многолетники, например, древесные культуры и высокотравье, могут произрастать на бедных, истощенных почвах, где выращивание продовольственных культур невыгодно из-за эрозии почвы или других ограничений. Оба этих преимущества могут позволить снизить растущую конкуренцию за земельный ресурс между энергетическими компаниями и производителями продовольствия и кормов. Серьезным недостатком некоторых видов ЦЭК является их негативное влияние на водные и биоресурсы, а также сельское хозяйство в целом из-за высокой скорости расширения ареала произрастания в случае ослабления контроля за посадками.

Таким образом, одним из приемлемых методов получения необходимого сырья может служить организация плантаций ЦЭК с высокой плотностью посадки. Периодичность сбора урожая составляет 2-5 лет, а проведение селекционной работы может позволить значительно увеличить (в 3-4 раза) производство сырья. Для посадок ЦЭК могут быть использованы заброшенные угодья и свободные площади, в том числе для организации лесозащитных полос.

Одним из перспективных видов сырья являются также водоросли, которые обладают более высокой энергоемкостью, чем соя и рапс. Так, из одного акра посевов сои в год производится 189 л биотоплива, рапса – 568 л, морских водорослей – в десятки раз больше – около 40 тыс. л (примерно 37,8 т).

Использование муниципальных бытовых отходов (твердых и жидких) для производства энергоносителей в основном обусловлено проблемой их утилизации методом захоронения (нехваткой соответствующих площадей, а также негативным влиянием мусорных полигонов на окружающую среду), поэтому пока их вклад в суммарное производство жидких энергоносителей незначителен.

С целью расширения выпуска жидкого биотоплива второго поколения в ряде стран ведутся соответствующие НИОКР и даже созданы некоторые экспериментальные производства. Так, в США еще в 1978-1996 гг. Министерство энергетики страны осуществляло работы по программе «Aquatic Species Program». В течение нескольких лет американские специалисты в открытых прудах площадью примерно по 1 тыс. кв. м выращивали водоросли, суточная урожайность которых превысила 50 г биомассы с 1 кв. м. Основной проблемой данной технологии являлась сложность поддержания постоянного температурного режима, поэтому было решено, что наиболее благоприятными условиями для промышленного производства биотоплива из водорослей располагают штаты Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико. Согласно проведенным на тот период времени расчетам, примерно 200 тыс. га прудов (менее 0,1% земель США, пригодных для этих целей) позволяют обеспечить примерно 5% внутреннего спроса США на моторное топливо, однако широкому распространению этого метода в конце 90-х годов помешали низкие мировые цены на нефть.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах, существуют технологии производства биомассы в малых биореакторах, находящихся вблизи электростанций, поскольку тепло ТЭЦ способно обеспечить до 77% потребностей в тепловой энергии, необходимой для выращивания водорослей. По данным американской компании «Solix», для обеспечения внутреннего спроса США на дизельное топливо из водорослей потребуется примерно 0,5% земель сельскохозяйственного назначения. Кроме того, водоросли активно поглощают СО2, что может позволить снизить затраты на улавливание и хранение углекислоты.

Американские экологи предлагают также выстилать водорослями пути следования нефтяных танкеров и других крупных судов, которые оставляют за собой «углекислый след», при этом «зеленый ковер» будет поглощать не только вредные выхлопы, но и СО2, что позитивно отразится на скорости увеличения биомассы.

В середине 2000-х годов группа ученых США под руководством Т. Адамса из Университета Джорджии разработала технологию получения биотоплива из древесных стружек. Исследования специалистов из «University of Maryland», начавшиеся с изучения бактерий из Чесапикского залива, привели к созданию метода производства биотоплива из растительных отходов, бумаги, остатков пивного сусла, непереработанной продукции сельского хозяйства, включая солому, сердцевину и оболочку кукурузных початков и др. Авторы технологии – С. Хатчесон и Р. Вайнер, разработчик – компания «Zymetis». Специфика данного метода заключается в использовании бактерии «S.degradans», которая вырабатывает фермент, способный с высокой скоростью перерабатывать сырье в сахар. В условиях масштабного производства предполагается применять вещество «Ethazyme», и это позволит снизить производственные издержки, а также количество токсичных химических отходов.

В Канаде компания «Dynamotive» создала опытное производство по получению из канализационных стоков биодизельного топлива, которое может использоваться как для производства тепловой энергии, так и в транспортном секторе. Специалисты компании рассматривают возможность широкой коммерциализации этой идеи.

Бразилия в кооперации с США разрабатывает новые технологии по производству биодизельного топлива из отходов сахарного тростника и биоэтанола из лигноцеллюлозной биомассы методом ферментации.    

В Европе лидирующие позиции по выпуску биотоплива занимает ЕС, где совокупность законодательной базы и потребностей автотракторного рынка активно стимулирует рост производства данного энергоносителя. В европейской части континента наиболее энергоемким растением для выпуска биотоплива второго поколения является быстрорастущая ива (для субтропической и тропической зоны Европы – эвкалипт). Неплохими энергетическими показателями обладает также мискантус (многолетнее растение с низкой потребностью в удобрениях и воде, обладает повышенным фотосинтезом и благоприятно влияет на структуру почвы, урожайность – 50-75 т/га). При этом по оценкам европейских экспертов, энергетический потенциал ивы и эвкалипта превышает аналогичный показатель для ветра или солнца за счет стабильности поставок сырья, что позволяет вырабатывать «чистую» энергию в постоянном режиме.

В ЕС одним из программных документов, определяющих цели, задачи и пути развития сферы биотоплива, является «Европейская биотопливная технологическая платформа» («European Biofuels Technology Platform» – «EBTP»). [10]

В указанном документе приводятся 7 основных направлений развития данного сегмента энергетики, разделенных на два блока в зависимости от применяемой технологии. К первому сегменту относится производство биотоплива на основе термохимических процессов:

·           выпуск синтетического жидкого топлива путем газификации биомассы (основной сектор применения – реактивные и дизельные двигатели);

·           выпуск синтетического газообразного топлива (биометана и др.) путем газификации биомассы (замещение природного газа и производство газообразного сырья);

·           выработка электроэнергии из биотоплива, полученного путем газификации (энерго- и теплоснабжение предприятий);

·           выпуск биотоплива на основе прочих термохимических технологий (энерго- и теплоснабжение, добавки в традиционное моторное топливо).

Второй блок ориентирован на развитие химических и биологических технологий производства биотоплива:

·           выпуск этанола и других спиртов из сахаросодержащего сырья, в первую очередь из лигноцеллюлозной биомассы (основной потребитель – транспортный сектор);

·           производство углеводородного сырья путем биологических и химических преобразований биомассы (топливо для реактивных и дизельных двигателей);

·           выпуск биотоплива на основе реакций поглощения СО2 и фотосинтеза путем использования микроорганизмов (топливо для реактивных и традиционных двигателей внутреннего сгорания).  

Европейские эксперты не исключают и другие способы использования биомассы, являющиеся комбинацией указанных технологий, а также внедрение иных «ноу-хау» в зависимости от нужд производителя (потребителя) сырья и энергии. По их оценке, окончательное формирование основных направлений развития биотопливной энергетики произойдет в период до 2015 г., а в ближайшие 10 лет для становления каждой из указанных 7 технологий потребуется 6 – 8 млрд. евро, при этом по каждому направлению будет создано от одного до трех опытных промышленных производств. [11]

В настоящее время в ЕС реализуется крупный проект «Optfuel», нацеленный на совершенствование технологии «BТL» («biomass-to-liquid») и выпуск в промышленных масштабах синтетического топлива из древесины и древесных отходов. В состав участников «Optfuel» входят 10 компаний из пяти стран (разработчик проекта – германская «Syncom», автоконцерны «Volkswagen», «Ford», «Renault-Nissan», компания «Choren Industries», евро­пейское объединение нефтедобывающих фирм по защите окру­жающей среды и охране здоровья «Concawe», разработчик технологий моделирования, расчета пара­метров и оптимизации производственных процессов «Invensys Process Systems», научно-исследовательские организации «IfP» (Франция), «Certh» (Греция), а также индийская «IITD»).

Указанный проект предполагает выращивание быстрорастущих деревьев (ивы, тополя и белой акации) на земельном участке площадью 200 га, производство древесного сырья и его последующую газификацию при температуре 1400 °С. В 2009 г. мощность опытного завода, расположенного в г. Фрайберг (ФРГ), составила примерно 15 тыс. т биотоплива в год, а в среднесрочной перспективе, по мере совершенствования технологического процесса и увеличения поставок сырья, данный показатель может достичь 200 тыс. т в год. Автопроизводители – участники проекта планируют использовать выпускаемое биотопливо в производстве высококачественных горючих смесей для дизельных двигателей. Финансовая поддержка проекта со стороны ЕС может составить 7,8 млн евро.

В ФРГ германская группа предприятий молочной промышленности «Theo Mueller» совершенствует технологию выпуска биоэтанола из отходов молочной промышленности. Предполагается, что в краткосрочной перспективе на фабрике, размещенной в Саксонии, будет производиться до 10 млн л биоэтанола в год.

В Испании компания «Bio Fuel Systems» разработала технологию производства биодобавок для дизельного топлива, где сырьем являются водоросли, искусственно выращиваемые в любых водоемах. Процесс основан на реакции фотосинтеза.

В Финляндии предприятия «UPM» и «Lassila and Tikanoja» совместно с Институтом технических исследований («VTT») создали технологию по выработке этанола из бумажных отходов и раствора, образующегося после смыва печатной краски с использованной печатной продукции. Цех по производству топлива из вторичного сырья может располагаться как на предприятии по переработке отходов, так и на целлюлозно-бумажном комбинате. Согласно расчетам «VTT», по экологическим причинам наиболее эффективным является использование таких отходов, как бума­га, картон и пластик.

В Великобритании ряд фирм проявляет интерес к выпуску биодизельного топлива из отработанного растительного масла, объем которого оценивается в 70 млн л в год, из них значительную часть представляют отходы мелких торговых точек, реализующих традиционное блюдо быстрого питания «Chips and Fish». Производство биоэнергоносителя может быть организовано также в сетевых кафе и на заводах по выпуску чипсов. Технология переработки указанного сырья достаточно проста: отработанное масло очищается от механических примесей и смешивается с метиловым спиртом с целью отделения глицерина. Конечный продукт по молекулярному составу близок к традиционному ДТ, при этом его стоимость примерно на 20% ниже углеводородного топлива. В стране создана ассоциация биодизельных предприятий («BABI»), крупнейшее из которых выпускает около 5 млн л топлива в год. С целью развития сферы ВИЭ правительство Великобритании предоставляет налоговые льготы компаниям – производителям биотоплива.

В Японии ведутся работы над созданием технологии и организацией производства в промышленном масштабе биодизельного топлива из водорослей. Руководство соответствующим проектом осуществляет Управление водных ресурсов страны, а НИОКР – научно-исследовательский центр компании «Mitsubishi» и два научных центра по изучению проблем моря, находящихся в Токио и Киото. При этом популярные в национальной кухне такие виды морской капусты, как «комбу» и «вакамэ», будут исключены из списка потенциальных видов сырья. В ближайшие 5 лет вдоль побережья Японии могут быть созданы плантации «непищевых» быстрорастущих водорослей. Следует отметить, что концерн «Royal Dutch Shell» наметил планы по созданию подобного экспериментального завода на Гавайских о-вах.

В России имеются соответствующие научные разработки. Например, наличие технологии производства биоэтанола из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности позволило начать реализацию проекта по созданию биотехнологического кластера в Кировской области на базе завода «Биохимзавод». Промышленная установка по производству биогорючего была разработана совместными усилиями Санкт-Петербургского «НИИгидролиз», шведской компании «Техноферм» и НПФ «Биотин». Мощность завода оценивается в 4 млн дкл. топлива в год, а достаточно низкая себестоимость продукции достигается сокращением транспортных издержек ввиду наличия крупных запасов сырья в регионе.

Согласно информации «РИА Новости», в начале 2011 г. госкорпорация «Ростехнологии» может приступить к строительству крупнейшего в стране предприятия по выпуску биотоплива.[12] 

В настоящее время в мире и России создаются термохимические технологии, которые позволяют получить продукт, называемый бионефтью.

Табл. 8. Сравнительные характеристики бионефти и традиционного мазута

Показатель

Бионефть

Мазут

Плотность, кг/м3

1200

980

Теплота сгорания, МДж/кг

16-19

40,5

Вязкость, сСт

13-80

59-118

Зольность, %

0,01-0,02

0,14

Температура вспышки, °С

50-100

Температура застывания, °С

-20

10

Кислотность, рН

2-3,7

5,5

Подобный энергоноситель может использоваться в качестве печного топлива в котельных и на иных подобных объектах, а при улучшении его характеристик – в транспортном секторе. Себестоимость 1 т бионефти составляет 200 долл. США (при цене сырья 20 долл. США/т), при этом производственные энергозатраты не превышают 15% выработанной энергии.

По нашему мнению, в среднесрочной перспективе биотопливо второго поколения будет постепенно замещать биотопливо первого поколения по двум главным причинам. Во-первых, оно обладает большей экологичностью (по данным Всемирного энергетического союза, биогорючее второго поколения может позволить снизить на 90% выбросы парниковых газов по сравнению с углеводородным топливом, хотя указанный показатель представляется несколько завышенным), а во-вторых, оно будет производиться из непищевых продуктов, при этом эффективное использование биомассы может сократить зависимость частных домовладений, а также малых и средних предприятий от централизованного энергоснабжения.

В целом дальнейшее развитие мировой альтернативной энергетики будет продолжаться достаточно высокими темпами, поскольку в промышленно-развитых странах–нетто-импортерах энергоресурсов эта сфера, во-первых, имеет государственную поддержку, во-вторых, уже в ближайшие годы «всплеск» новых научных разработок, возникший на волне роста цен на углеводороды, позволит внедрить большое число изобретений, а в-третьих, после преодоления негативных последствий глобального финансово-экономического кризиса в мире начнет формироваться новый технологический уклад, который в ряде стран приведет к стабилизации и снижению потребления углеводородных энергоресурсов, а также децентрализации энергетики в отдельных регионах.

БИКИ I. 2010


[1] http://www.cleandex.ru/articles/2009/12/23/biodiesel-production

[2] http://www.cleandex.ru/articles/2007/08/17/bioethanol-market

[3] http://chemistry-chemists.com/N4/108-113.htm

[4] http://www.cbio.ru/modules/news/article.php?storyid=1129

[5] http://www.ecotoc.ru/liquid_biofuel/bioethanol/d71/

[6] Germany Trade and Invest “Brasiliens Energiesektor wird diversifizierter und effizienter”, www.gtai.de/ext/Einzelsicht-Druck/DE/Content...

[7] “European Biodiesel Board, Press Release 2008 - 2009”, July, 15, p.2.

[8] Germany Nrade and Invest “Energiewirtschaft Kasachstan 2009”.

[9] www.gtai.de

[10] www.biofuelstp.eu

[11] “European biofuels technology platform”, р. 5.

[12] http://eco.rian.ru/business/20100913/275189402.html


 

Источник: http://komitet-energy.com.ua/

 

Cодержание

Главная