Роль и значение биотоплива в развитии альтернативной энергетики

Аналитика
Научноее сообщение старшего научного сотрудника Отдела отраслевой и региональной экономики Д.Н. Лыжина на расширенном заседание Ученого совета РИСИ 22 ноября 2011 г.

Научное сообщение старшего научного сотрудника Отдела отраслевой и региональной экономики Д.Н. Лыжина на расширенном заседание Ученого совета РИСИ 22 ноября 2011 г.


В настоящее время большая часть развитых стран в той или иной степени развивают альтернативную энергетику, поскольку понимают, что классические источники энергии исчерпаемы. В этом отношении биоэнергетика обладает явным преимуществом, так как в качестве исходного сырья использует биомассу, содержащую аккумулированную в форме углеводородов солнечную энергию.

Получаемое из биомассы биотопливо делится на 3 группы в зависимости от агрегатного состояния действующего вещества: твёрдое, жидкое и газообразное.



Твёрдые виды биотоплива – наиболее просты в производстве и выпускаются в основном из отходов деревопереработки и сельского хозяйства, а также из бытовых отходов. Это, на мой взгляд, важно, поскольку помимо энергетической проблемы позволяет одновременно решать и вопросы утилизации отходов.

Наиболее технологичным видом твёрдого биотоплива являются топливные гранулы – пеллеты. Технология их производства включает дробление и измельчение сырья до порошкообразного состояния, сушку и гранулирование (или прессование) полученной массы. Никаких химических добавок при этом не требуется. При прессовании температура материала повышается, из древесных частиц выделяется смола, которая закипает и склеивает их в гранулы. Производство довольно эффективное: из 45 куб. м отходов получают около 1 т гранул.

Одно из важнейших преимуществ гранул − высокая и постоянная насыпная плотность, правильная форма и однородная консистенция, позволяющая относительно легко использовать их для отопления и транспортировать на большие расстояния.

Широкое распространение пеллеты получили в США, Швеции, Германии, Финляндии и Канаде. В США в настоящее время производством топливных гранул заняты более 80 компаний. Более 600 тыс. зданий в стране обогреваются гранулами. В последние годы интерес к использованию пеллет проявляет КНР, где к 2020 г. планируется производить 50 млн т гранул ежегодно.

В России производство пеллет наиболее развито по сравнению другими видами биотоплива. С 2002 г. число заводов по производству твёрдого биотоплива ежегодно увеличивалось почти вдвое. В настоящее время промышленным выпуском топливных гранул занимается около 100 предприятий. При этом есть все основания полагать, что темпы роста этого производства сохранятся из-за спроса на топливные гранулы в странах Евросоюза и роста их внутреннего потребления. Так в 2010 г. в России было произведено около 1 млн т пеллет, большая часть которых была экспортирована в страны ЕС (в основном в Финляндию). Внутренний спрос составляет около 30 % общего выпуска гранул, и за последние 3 года он увеличился примерно в 2 раза.

Несмотря на финансово-экономический кризис, прогнозы роста потребления пеллет в ЕС обусловливают высокий инвестиционный интерес к организации производств на территории России. Особенностью современного этапа их развития становится строительство крупных заводов с ежегодным объёмом выпуска от 50 тыс. до 1 млн т продукции в год, а также целых сетей таких заводов в Костромской, Нижегородской и Вологодской областях.

Действующие сегодня в России мощности могут выпускать до 3 млн т пеллет в год.


Следующая группа биотоплива − жидкие топлива. Наиболее популярными из них в настоящее время являются биоэтанол и биодизель. Глобальное потребление жидкого биотоплива, которое используется почти исключительно как автомобильное горючее, постоянно растёт. В настоящее время оно составляет почти 3 % общего потребления топлива автотранспортом (в целом около 1 млрд баррелей в сутки).

Биоэтанол – коммерческое название этилового спирта, используемого в производстве топлива. Это вещество многопрофильного применения, но большая его часть (почти 60 %) используется как высокооктановая добавка к бензину. Биоэтанол может применяться в чистом виде в качестве топлива только в адаптированных бензиновых двигателях.

Основными этапами производства биоэтанола являются получение сахаросодержащего раствора из сырья, брожение, дистилляция и обезвоживание полученного спирта. В отличие от производства питьевого спирта, биоэтанол не требует тщательной очистки (ректификацию), что позволяет сократить издержки.

В качестве сырья для производства биоэтанола в настоящее время используют специально выращенные культуры с высоким содержанием простых сахаров («энергетические»): кукурузу, сахарный тростник, сахарную свёклу, пшеницу и др.

Используемый в качестве добавки этанол способствует более полному сгоранию бензина и на 30 % сокращает выбросы угарного газа и токсичных веществ, на 25 % − выбросы летучих органических соединений. Таким образом, его использование снижает техногенную нагрузку на окружающую среду.

Мировыми лидерами по объёму производства этанола являются Бразилия и США. Из 38,7 млн т н.э. биоэтанола, произведённого в мире в 2009 г., 21,5 млн т приходилось на США, где в качестве сырья используют преимущественно кукурузу; 12,8 млн т − на Бразилию, где для этих целей выращивают сахарный тростник. Таким образом, Бразилия и США обеспечивают почти 90 % мирового производства.

Правительства стран, заинтересованных в развитии производства биотоплива, стимулируют формирование соответствующих отраслей. Например, для поддержания высокого уровня производства власти США в течение последних 10 лет выделили фермерам 7 млрд дол. в качестве дотаций на выращивание кукурузы для изготовления биоэтанола. Производство топливного этанола в США является важным потребителем производимой в стране кукурузы. На биоэтанол перерабатывается 33 % всего урожая этой культуры. Цена выпускаемого в США биоэтанола составляет около 260 дол. за т.

В Бразилии с 1975 г. действует Национальная программа на стимулирования использования топливного этанола как заменителя бензина и увеличения его производства. Сегодня Бразилия обладает технологией и оборудованием для ежегодного производства 13−16 млн т топливного этанола. Для Бразилии одним из преимуществ использования в качестве сырья сахарного тростника является возможность балансировать на мировом рынке сахара: при снижении спроса на сахар-сырец увеличиваются объёмы переработки тростника на этанол, что позволяет сохранять посевные площади под эту культуру независимо от мировой конъюнктуры сахарного рынка.

Чтобы увеличить выпуск биоэтанола и не использовать при этом продовольственные культуры, разрабатываются технологии получения топлива из биомассы более сложного строения, содержащей не простые сахара, а, например, целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин. Топливо, полученное по таким технологиям, называют биоэтанолом второго поколения. Они позволяют работать на самом разном целлюлозосодержащем сырье, в том числе и на сельскохозяйственных отходах. Однако в настоящее время эти технологии не доработаны и высокозатратны, тем не менее продукты, полученные по технологиям второго поколения, начинают появляться на рынке. Так, датская компания Statoil Fuel & Retail выпустила автомобильное топливо под маркой «Bio95 2G», которое содержит 5 % биоэтанола второго поколения, и стала первой страной в ЕС, начавшей коммерческое внедрение новой технологии.

Исследования по удешевлению и совершенствованию производства продуктов второго поколения ведут некоторые мировые лидеры рынка нефтехимической промышленности − Dupon, Basf, BP. Разработка технологий производства биоэтанола второго поколения открывает новые перспективы на рынках топлива, произведённого из дешёвого биологического сырья, и кроме того, позволяет решать проблемы утилизации отходов.

Вторым после биоэтанола по распространённости и уровню производства биотопливом является биодизель, который получают преимущественно из растительных масел. Смесь 20 % биодизеля с 80 % традиционного дизельного топлива можно использовать без модернизации двигателей.

В целом эта смесь обеспечивает более высокие экологические характеристики, чем её минеральный аналог. Биодизель не ядовит и разлагается микроорганизмами в 4 раза быстрее, чем обычное дизельное топливо. Исследования показали, что при попадании в воду биодизель не причиняет вреда растениям и животным, поскольку в почве или воде он подвергается практически полному биологическому распаду.

Кроме того, при производстве биодизеля опасных отходов образуется примерно на 95 % меньше, чем при производстве нефтяного дизельного топлива.
В 2009 г. в мире было произведено 12,9 млн т н.э. биодизеля. Лидером в производстве является ЕС, в странах которого было произведено около 54 % мирового выпуска биодизеля (в США − 12%, в Бразилии – 9 %).

Производство биодизеля динамично растёт. По прогнозам, к 2020 г. его доля в структуре потребляемого моторного топлива в Бразилии, Европе, Китае и Индии составит 20 %. Во многих регионах мира существуют специально разработанные программы интенсификации использования биодизеля.

В Европе биодизель в промышленных масштабах производят с 1992 г. Сегодня выпуском этого вида биотоплива занято почти 120 заводов, суммарная мощность которых, по разным источникам, составляет от 4 до 6,1 млн т топлива в год (в 2001 г. было 70 заводов).

США производит около 2 млн т биодизеля в год. Его производство постоянно растёт и, по планам, к 2016 г. должно составить около 14 млн т, что создаст дополнительно 300 тыс. рабочих мест.

В России, несмотря на большие потенциальные возможности для налаживания производства жидких видов биотоплива, в промышленных масштабах они в настоящее время не выпускаются.

Производство биодизеля во многом тормозится отсутствием в стране технологий, делающих его использование рентабельным (себестоимость 1 л биодизеля стоит в России превышает 40 рублей). Поэтому для предприятий более выгодно производить растительное масло, а не биотопливо.

Если говорить о биоэтаноле, то самой важной из нерешенных проблем остаются акцизные сборы при его продаже. Данный вид топлива приравнен к спиртосодержащей продукции, и ставка акцизного сбора на него в 2011 г. составляет 190 руб. за литр, или более 2 тыс. руб. на т. В 2012 г. акциз повысится до 230 руб. за литр, в 2013 г. – до 245 руб. Что делает производство и продажу топливного этанола не рентабельным.

К последней группе биотоплива относят смесь метана с другими газами органической и неорганической природы называемую биогазом. Биогаз производят путём бактериального разложения органической субстанции.

Преимущество биогаза по сравнению с природным заключается в том, что он может быть произведён из местного сырья даже в самом отдалённом населённом пункте, т.е. позволяет обеспечить топливом регионы труднодоступные и высокозатратные с точки зрения организации газотранспортной инфраструктуры. Кроме того, выпуск биогаза даёт возможность решить серьёзную для аграрного и пищевого производства проблему утилизации отходов, при переработке которых помимо биогаза получают тепло и органические удобрения. Кроме того, использование биогаза снижает выброс парниковых газов (за счёт замещения углеводородов в энергобалансе) и обеспечивает экологическую замкнутость энергетической системы.

На первый взгляд, биогазовая технология довольно проста. Необходима герметичная ёмкость для субстрата, в которой будет происходить брожение. Её нагревают до 30−50 °C (процесс протекает при температурах от 5°C), а выделяющийся летучий газ отводят с помощью трубок. Подобная простота позволяет строить примитивные биогазовые установки в развивающихся регионах мира. Около 16 млн хозяйств по всему миру применяют энергию, производимую в биогазовых установках, для освещения, обогрева и приготовления пищи. Больше всего биогазовых установок в КНР − 12 млн, 3,7 млн хозяйств используют биогаз в Индии и около 140 тыс. − в Непале.

По мере роста объёмов использования биогаза происходит совершенствование технологий и оборудования для его производства. Всего в мире используется и разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий.

Развитие этих технологий в развитых странах, во многом обусловлено принятием «зелёных» законов. Так, в Германии в 1990 г. был принят закон, гарантирующий возможность продавать электроэнергию, полученную при сжигании биогаза, в национальные электрические сети. За 10 лет его действия количество установок по производству биогаза увеличилось почти в четыре раза − до 1 тыс. В 2004 г. ЕС принял закон о поощрении использования возобновляемых источников энергии, в результате чего в настоящее время в стране функционирует более 5 тыс. биогазовых установок, а ежегодный объём производимой ими электроэнергии приближается к 10 млрд кВт/ч.

Потенциал для использования биогазовой технологии в России также весьма высок: только из отходов сельского хозяйства можно получать около 90 млрд куб. м биогаза в год. Однако пока широкого распространения эта технология в нашей стране не получила. Существующие отечественные разработки в этом направлении направлены прежде всего на использование в личных и фермерских хозяйствах. Строительство крупных биогазовых установок практически не ведётся из-за высокой начальной стоимости проектов и долгого срока окупаемости.

Развитие биогазовой технологии в России во многом будет зависеть от участия государства и крупных технологических компаний. Государство, со своей стороны, может обеспечить льготное кредитование строительства биогазовых установок, возможно принятие «зелёных» законов по западному образцу. В стране есть крупные нефтяные и газовые компании, обладающие значительным опытом и смежными технологиями, что в принципе позволяет им наладить производство биогазовых установок. Кроме того, они могут найти новые рынки, если правильно спланируют ассортимент продуктов и время их вывода на рынок. Так, заинтересованность в биогазовых технологиях проявляют наши ближайшие соседи – Украина и Казахстан, где в настоящее время разрабатываются и принимаются законы, направленные на поддержку отрасли.

В настоящее время в России реальный доход может гарантировать только производство топливных гранул, спрос на которые как на мировом рынке, так и внутри страны ежегодно растёт. В отношении других технологий, страна обладает гигантскими, но пока не реализованными возможностями.

Однако за последний год произошло несколько важных событий, которые вселяют оптимизм. В 2011 г. были запущены технологические платформы (ТП) «Биотех 2030» и «Биоэнергетика». Это новый, для России вид частно-государственного партнёрства. Его цель – разработка технологий, их масштабирование и создание в России современной биотехнологической отрасли.

Также можно отметить, что компания «Газпром» в октябре 2011 г. заявила о начале совместного проекта с голландской компанией «ГазЮни» по строительству биогазовых установок. Объём инвестиций может составить около 100 млн евро, а объём производства − 35 млрд куб. м.

Кроме того, в настоящее время активно дорабатывается программа развития биотехнологии в России до 2020 г. Возможно, до конца года она будет принята.

Поскольку мы всё-таки отстаём в сфере биоэнергетики от передовых стран, развитие этой отрасли в России в перспективе должно быть сосредоточено на внедрении технологий производства биотоплив второго поколения, которые позволяют решать проблемы утилизации как бытовых, так и сельскохозяйственных отходов.

При подготовке сообщения использовались материалы международного конгресса «Биомасса: топливо и энергия» и специализированной конференции «Грейнтек-2011».