Вадим Яковлєв (ІК СО РАН) про перспективи біопалива

Співробітник Інституту каталізу ім. Г.К. Борескова СО РАН розповідає, які існують види біопалива, і пояснює, чому найближчим часом воно не зможе повністю замінити традиційні палива.

Практично всі види палива, особливо на основі нафти, складно і дорого виробляти. Прихильники альтернативної енергетики пропонують в якості часткової заміни традиційних палив - біопаливо. Основним аргументом на користь використання біологічної сировини як джерела теплової енергії стало те, що запаси пропадає дарма біомаси дуже великі, особливо в Росії, з її величезною порожній територією. Їх раціональна переробка дозволила б частково вирішити енергетичну проблему, особливо для віддалених регіонів. Але критики біопалива ставляться до ідеї «їздити на ріпаку» вкрай скептично, як і до інших видів альтернативної енергетики: сонячної, вітряної, енергії річок і океану. Серед аргументів «проти» головні - це ризик зростання цін на сільськогосподарські культури, екологічна небезпека виробництва. А поки триває цей науковий спір, зростання виробництва біопалива повільно, але впевнено триває.

Про основні завдання, які стоять зараз в області створення біопалива, розповідає кандидат хімічних наук, завідувач лабораторією каталітичних процесів переробки відновлюваної сировини Інституту каталізу ім. Г.К. Борескова СО РАН Вадим Яковлєв.

Вадим Анатолійович, які існують види біопалива?

- Біопалива поділяються на два типи: першого і другого покоління. До біопалива першого покоління відносяться біоетанол, вироблений з цукрового очерету, кукурудзи, пшениці та інших злакових культур, і біодизель, отриманий з масляничних культур - сої, ріпаку, пальми, соняшнику. Для їх вирощування потрібно використання якісних орних земель, багато сільськогосподарської техніки, а також добрив і пестицидів. Звичайно, при такому розкладі виробництво біопалива безпосередньо конкурує з харчовим сектором економіки. Це призводить до своїми наслідками в соціальній сфері та надає негативне забарвлення всієї біоенергетики.

Паливний біоетанол отримують зброджуванням цукрів за допомогою технології виробництва харчового етанолу без додаткових стадій очищення. Біодизель отримують методом хімічної реакції жирів рослинних масел і нижчих спиртів (в першу чергу метанолу).

Біопалива другого покоління виробляються з нехарчової сировини. Воно може включати в себе відпрацьовані жири і рослинні масла, біомасу дерев і трав. Перевага такого палива полягає в тому, що ці рослини можуть вирощуватися на менш упорядкованих землях із застосуванням мінімальної кількості техніки, добрив і пестицидів. Мінусом же є те, що лігноцелюлоза деревини - це складний полімерний вуглевод, він вимагає набагато більше хімічних перетворень і, відповідно, енергії для отримання з нього рідких палив, чим при виробництві біопалива першого покоління. Але ефективність виробництва енергії з біомаси біопалив обох поколінь однакова, становить приблизно 50%.

З лігноцелюлози рослин може бути отримано два типи біопалив - біоетанол і Біонафта. Етанол отримують методом кислотного гідролізу целюлози, а потім зброджують отримані цукру. Як отримують Біонафта? Спочатку потрібно подрібнену біомасу швидко нагріти за спеціальною технологією, а потім одержувані продукти швидко охолодити. Але така нафту, на жаль, не придатна для використання в якості моторного палива: потрібно її подальша переробка.

Біодизель з нехарчової сировини - це теж біопаливо другого покоління. Його отримують з технічних олійних культур і мікроводоростей. За рахунок швидкого зростання і розмноження мікроводоростей можна отримати палива від 15 до 200 разів більше, ніж з кращої сільськогосподарської масляного культури.

Також до біопалива другого покоління відносять біопалива першого покоління, отримані за новими технологіями, які призводять до зниження споживання викопних палив при їх виробництві, а також до зниження шкідливого впливу на навколишнє середовище.

Є й інша класифікація біопалива - по способам його отримання. Існують хімічний, термохимический і біологічний методи.

Окремо стоїть відносно новий тип біопалива - грін-дизель (Green diesel, «суперцетан», «supercetane»). Якщо говорити спрощено, це суміш вуглеводнів дизельної фракції. Грін-дизель має високий цетановим числом (характеристикою займистості) - 70-85, це дуже хороший рівень. Грін-дизель позиціонується як поліпшує добавка до традиційних дизельних палив.

Мал. 1. Спрощена класифікація біопалив. RCSaxena, D.Seal, S.Kumar, HBGoyal, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, 1909 (2008).

В даний час розробляються концепції і технології для отримання біопалив третього покоління, які будуть більш рентабельними і екологічно чистими (з мінімальним сукупним викидом СО2 в атмосферу).

Наскільки масштабні ресурси сировини, з якого роблять біопаливо? Взагалі, біопаливо - це дешево?

- Особливістю масового виробництва біопалива є відсутність стадії нафтовидобутку - немає необхідності геологорозвідки, буріння нафтових свердловин. Це безсумнівний плюс. Але, з іншого боку, потрібно залучити значні посівні площі. Наприклад, з 1 гектара площ можна отримати не більше 0,3 тонни соєвого масла, або 1 тонну рапсового масла, або 5 тонн пальмової олії. Пальма в цьому сенсі є рекордсменом серед наземних рослин.

Росія ж через своїх кліматичних особливостей серед олійних культур паливного призначення може орієнтуватися тільки на вирощування ріпаку. А якщо врахувати, що у нас за станом на 2005 рік не використовувалося більше 15 млн. Га ріллі, які могли б бути віддані на вирощування пшениці або ріпаку паливного призначення, то перспективи нашої країни як експортера не тільки нафти, газу, але і біопалива, вельми привабливі. Європа, як основний споживач біопалива, не може собі дозволити виділити таку кількість сільськогосподарських угідь для вирощування «енергетичних» культур.

Відхід з «харчового» сектора економіки і використання відходів сільського господарства, деревопереробки, харчової промисловості, або ж вирощування швидкорослих енергетичних культур дає ряд переваг. Це не тільки розширить сировинну базу для біопалива, але і знизить конкуренцію і, відповідно, ціни на «харчові» культури. Основний аргумент противників біоенергетики - конкуренція біопалива з харчовими продуктами. Дійсно, внаслідок біопаливного буму в усьому світі виросли ціни на кукурудзу, всі види олійних культур і навіть на ті сорти, які не використовуються при виробництві біодизеля. З огляду на це, мабуть, варто орієнтуватися на нехарчове сировину, а саме - деревину та відходи сільського господарства.

Мал. 2. Запаси копалин первинних енергоносіїв і щорічний приріст біомаси (в млрд. Т нафтового еквівалента) Chemistry & Business, 2004, A. Danilov; From: Worldwatch Institute, 2005 р

Яка область застосування біопалива? Які переваги воно дає в порівнянні з традиційними видами палива?

- Біопаливо, в першу чергу, має на увазі використання біоетанолу та біодизелю. У світі біоетанол отримують, в основному, зі злакових культур, кукурудзи, цукрового очерету і цукрових буряків шляхом ферментативного бродіння. З усього виробленого етанолу 80% має паливне застосування, 12% - технічне і 8% - харчове. Простежується явна тенденція до збільшення частки паливного етанолу в найближчому майбутньому. Наприклад, в США в найближчі кілька років планується побудувати додатково 132 заводу з виробництва паливного етанолу.

Але не варто забувати, що на сьогоднішній день біоетанол не є повним замінником бензину. В основному використовується сумішне паливо, що містить 10% етанолу і 90% бензину (стандарт Е10). Значно рідше зустрічається паливо з більш високим вмістом етанолу - Е85. Основними недоліками етанолу як палива є його невисока теплотворна здатність (на 37% менше, ніж у бензину), що призводить до більш високій витраті. Другий недолік - висока здатність до поглинання води, що може призвести до розшарування сумішевого палива. Однак, всі ці негативні моменти можна обійти, використовуючи паливо з низьким вмістом (до 10%) етанолу. Потрібно враховувати і екологічний чинник. Процес згоряння етанолу набагато більш ефективним, ніж бензином, що зменшує токсичність вихлопних газів.

Для дизельного палива теж є поновлюваний замінник - біодизель. Його отримують з метанолу і рослинних масел, в першу чергу, з ріпакової, пальмової та соєвої. Лідером з виробництва біодизеля є країни ЄС, де в якості сировини в основному використовується рапс. Наприклад, в 2006 році було вироблено понад 6 млн. Тонн біодизеля, і спостерігається тенденція до зростання обсягів його виробництва. Як і у випадку з біоетанолом, біодизель має свої недоліками і перевагами. Біодизель у порівнянні зі звичайним дизельним паливом майже не містить сірки. При попаданні в грунт або воду він практично повністю розкладається вже через три тижні. Крім того, він володіє хорошими мастильними характеристиками і більш високим цетановим числом (не менше 51). Однак висока в'язкість не дозволяє використовувати його в холодну пору, тому потрібно застосовувати суміші, що складаються на 20% з біодизеля і на 80% з солярки (марка В20).

З одного боку, біопаливо потенційно має поліпшити екологічну обстановку за рахунок зменшення шкідливих викидів, з іншого боку, на думку критиків, це повинно привести до масштабних вирубок лісів. Що ви думаєте про це?

- Проблема вирубки лісів у зв'язку з виробництвом біопалива, скоріше, надумана, тому що деревні відходи часто не знаходять ефективного застосування. Про це говорять цифри. В даний час щорічно в Росії заготовлюється близько 140 млн. М3 деревини від рубок головного користування і рубок догляду за лісом. При цьому більше половини припадає на відходи лісозаготівлі і переробки деревини. У найближчі 5-7 років обсяг лісозаготівель може зрости до 200 млн. М3. При проведенні рубок догляду за лісом до 60% деревини є низькоякісної, що не має товарної цінності. Загальний обсяг відходів, що утворюються і низькосортної деревини становить не менше 40-45 млн. М3 на рік або не менше 10-12 млн. Т.у.п. (Т.у.п. - тонна умовного палива) в рік.

Також неефективно використовуються відходи рослинництва і торф. Кількість відходів рослинництва, які викидаються на вітер, становить не менше 10 млн. Тонн на рік (або не менше 3,4 млн. Т.у.п.)

Деревні відходи лісозаготівель теж залишаються на лісосіці невикористаними. Ця біомаса створює додаткові перешкоди лісовому господарству у вигляді засмічення деревиною, ветровала, що є причиною збільшення термінів і витрат на наступне лісовідновлення. Деревна біомаса в лісі, а також біовідходи переробних підприємств, створюють ризик виникнення пожежі, розмноження шкідників лісу, а також є джерелом парникових газів при гнитті біомаси. Щорічно емісія метану від відходів біомаси складає 7-8 млн. Тонн і порівнянна з потужністю основних наземних біогенних джерел. Додатковою проблемою є виключення з господарської діяльності землі, зайнятої під склад біовідходів.

Сьогодні ресурси біомаси, в тому числі вторинні, використовуються не більше ніж на 5%. Традиційні методи переробки біомаси в існуючих умовах малоефективні і вимагають значних інвестицій при строках окупності 6-8 років.

Використання всіх цих дешевих і доступних ресурсів як паливо може стати завершальною фазою виробничих процесів, надаючи їм майже безвідходний характер. Це стало б ефективним заходом з охорони навколишнього середовища, а також забезпечило б повне енергозабезпечення локальних споживачів.

Саме біопаливо - екологічно чистий продукт. А як щодо процесу його виробництва? Так само він безпечний, адже використовуються сірчана кислота, луги.

- Безумовно, при виробництві біоетанолу іноді використовуються небезпечні реагенти, наприклад, сірчана кислота і лужні гомогенні каталізатори. Рішенням цієї проблеми займаються дослідники в багатьох країнах світу. І правильні підходи вже визначені. Наприклад, розробляються технології, які передбачають використання однорідних за складом каталізаторів в хімічних реакціях (гомогенна технологія). Такий підхід дозволяє вирішити багато проблем.

Гомогенна технологія отримання біодизелю, незважаючи на простоту, має і недоліки. Отриману суміш продуктів необхідно розділяти, нейтралізувати і ретельно промивати. В результаті утворюються великі кількості солей, мила і стічних вод, які потрібно утилізувати. Сам же каталізатор при цьому безповоротно втрачається. А гліцерин, одержуваний при цьому корисний побічний, - забруднений розчином солей, і вимагає додаткового очищення. Все це підвищує собівартість біодизеля, що зменшує конкурентоспроможність цієї технології.

За останні п'ять років різко зросла кількість робіт, присвячених більш екологічно чистому способу отримання біодизелю з застосуванням різнорідних за складом (гетерогенних) каталізаторів основний і кислотної природи. Їх перевага не тільки в тому, що їх можна використовувати багаторазово, але і в тому, що біодизель виходить набагато більш високої якості. При цьому виключається стадія попередньої обробки масла, мінімізується обсяг рідких відходів, не утворюються солі і мила. Однак до них пред'являються особливі вимоги: вони повинні бути стійкі до води, оскільки її містять вихідні продукти.

Які напрацювання зі створення біопалива є в Інституті каталізу СО РАН? Які з них найбільш ефективні?

- Всі вимоги до безпеки виробництва біопалива були враховані Інститутом каталізу СО РАН при розробці гетерогенних каталізаторів. Акцент робився на стабільність роботи в реальних умовах. В результаті було встановлено, що одним з найбільш перспективних каталізаторів для одержання біодизеля є гексаалюмінат барію (кальцію). Гексаалюмінати характеризуються відносно низькою активністю в порівнянні з іншими каталізаторами, у них є важлива перевага: вони мають високу термостабільність і стійкістю до вилуговування. Особливо це відноситься до стимуляторів, прожареним при температурі 1200 ° С.

Далі про наші напрацювання. У виробництві біопалива є два основних етапи. Перший з них - швидкий піроліз. Це термічний процес, що протікає без доступу повітря, при якому відбувається моментальний (1000-10000 ° С / сек) нагрів і швидке (буквально за пару секунд) охолодження одержуваних продуктів. При піролізі деревини всі її компоненти частково розкладаються, утворюючи складну суміш кисневмісних органічних сполук. За допомогою швидкого піролізу з деревини можна отримати продукт, умовно названий «Біонафта». Це рідина, схожа на розбавлений дьоготь. Через високий (до 55%) вмісту кисню Біонафта непридатна для використання безпосередньо в якості моторного палива. З неї потрібно видалити кисень і наситити воднем. І сьогодні одна з найважливіших завдань у цій області - розробка відповідних каталізаторів.

Наступна стадія - гідродеоксігенація (видалення кисню) отриманої Біонафта. В рамках міжнародного проекту з акронімом BIOCOUP (Шоста Європейська рамкова програма) фахівці Інституту каталізу СО РАН розробляють каталізатори нового типу, які могли б ефективно впоратися з таким завданням. Ми запропонували використовувати несульфідірованние никельсодержащие каталізатори.

Виявилося, що вони перевершують свої комерційні аналоги за всіма основними параметрами. Тестування кращих зразків каталізаторів гідродеоксігенаціі на реальній Біонафта в університеті Гронінгена (Нідерланди) підтвердило їх перспективність. Продукти деоксигенації Біонафта можуть використовуватися для подальшої переробки на стандартному нафтопереробному обладнанні спільно з нафтовими фракціями.

Як Ви думаєте, які є перспективи у біопалива?

- Одна з центральних завдань XXI століття, на мій погляд, це поступова зміна сировинної бази первинних енергоресурсів. Необхідно активно використовувати поновлювані джерела енергії - енергію вітру, річок, хвиль, припливів, гідротермальних джерел, біомаси. Якщо в 2005 році інвестиції в сектор відновлюваної енергетики становили $ 20 млрд. / Рік (17% інвестицій в генерацію енергії), то до 2015 року, за оцінками експертів, вони зростуть до $ 80 млрд. / Рік (прогноз Worldwatch Institute, 2003).

Автори проекту «стратегії розвитку паливно-енергетичного комплексу России до 2020 року», вважають, что Потенціал России в плане забезпечення відновлюваної ресурсної бази, Досить Значний. Є два важлівіх моменти. Це технічний потенціал, який визначає абсолютний приріст біомаси, і економічний потенціал, тобто економічно доцільний обсяг збору, транспортування та переробки біомаси. Якщо говорити про технічний потенціал, то в Росії щорічний приріст біомаси складає 14-15 млрд т.у.п., тобто в 5 разів більше, ніж сучасне енергоспоживання РФ.

Якщо мислити стратегічно, то стає ясно, що науково-технічний прогрес і зростання цін на викопне паливо забезпечують неухильне зростання економічної привабливості біоресурсів.

Джерело (і):

1. computerra.ru