ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
БИОТОПЛИВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
Беляев С.И., Давыдков Г.А. (ПетрГУ, Петрозаводск, РФ)
Short and long term prospects of biofuels production from biomass and other sources have been evaluated. State of the art technology and technology under current development was reviewed. Second generation biofuels: a proven future with unknown risks. Thus, the challenge is to increase substantially the production of biofuels by using innovative processes and technologies.
Трудно переоценить роль и значение возобновляемых топлив в развитии современной энергетики, и особенно в мобильных энергетических установках. В условиях возрастающего спроса на энергоносители во всех регионах мира, стремительного роста парка автомобилей, ужесточения экологических требований все большее внимание уделяется поиску новых эффективных, экологически чистых источников энергии. Среди реально используемых альтернативных источников энергии для транспортных средств, имеющих серьезный потенциал для коммерциализации, биотоплива занимают исключительно важное положение. Биотоплива для транспорта, включая, прежде всего этанол, биодизель, имеют и потенциал для замещения существенного количества нефти. Очевидно, что среди значимых преимуществ биотоплив это и повышение энергетической безопасности, уменьшение выбросов парниковых газов и токсичных веществ, улучшение эксплуатационных характеристик автомобилей, развитие экономики, а в некоторых случаях и защита экосистемы и т.д. [1, 3, 4].
Проблемы оздоровления окружающей среды остались еще большей степени актуальными в 21 веке в связи со значительным ростом числа автомобилей. Сегодня в центре внимания многих и государственных и общественных организаций снижение токсичности автотранспорта остается ключевой задачей. Тем более что до сих пор и в перспективе сохраняются тенденции увеличения парка автомобилей. В мире уже более 800 млн. автомобилей, в США их количество приближается к 230 млн. В России в недалеком будущем количество автомобилей достигнет 50 млн. Нетрудно спрогнозировать, что в перспективе Китай может стать и первой автомобильной державой в мире.
Альтернативные топлива для транспорта, уже существуют, в виде биоэтанола для бензиновых двигателей, получаемое при ферментации сахара или крахмала и биодизель для дизельных двигателей получаемое при трансэстерификации (образовании сложных эфиров растительных масел или животных жиров). Часто эти топлива называют первым поколением биотоплива.
Биотоплива 1-го поколения, в основном, получают из возобновляемого сырья, растительного происхождения. Однако преимущества, которые они предлагают, к сожалению, ограничены. Выход топлива с гектара (га) земли относительно мал. Например, в Англии годовое потребление топлива транспортом составляет около 40 миллионов тонн. Для полного замещения минерального топлива биотопливом потребуется порядка 20 миллионов га при наличии 6,5 мил га пригодных для возделывания. Такая же картина характерна для многих стран Европы и мира [1, 4. 6].
Снижение выбросов парниковых газов, при применении биотоплив, зависит от ряда факторов и во многих случаях очень скромное, если рассмотреть весь цикл производства биотоплив: производство и внесение удобрений, сбор, обработка и транспортировка огромного объема растительного материала для получения относительно скромного количества биотоплива [6, 7].
Кроме того, биотоплива первого поколения не могут предложить долгосрочное решение проблемы возрастающего количества выбросов парниковых газов. Однако этанол и биодизель (жирные кислоты растительных эфиров) могут быть получены по относительно простым и доступным технологиям. Биотоплива первого поколение имеют неоспоримые преимущества перед ископаемыми – отсутствие серы, улучшение смазывающих свойств биодизеля при использовании в современных дизельных двигателях, высокие антидетонационные свойства спиртов, что очень важно для двигателей с искровым зажиганием, существенное снижение окисей азота (NOx) (кроме биодизеля) и оксида углерода (СО) в выбросах т.д.
Биотоплива первого поколения могут восприниматься как первые шаги продвижения альтернативных топлив: создание рынка, привлечение внимания общественности, анализ комплекса вопросов связанных со стимулированием научно-исследовательских работ, развитие и внедрение инновационных биотехнологий, создание соответствующей инфраструктуры хранения, транспортировки и распределения биотоплива, вместе с тем, достигая важной цели – уменьшение выбросов СО2.
Проведенные исследования еще лет пять назад европейской комиссией по энергетике показали, что большинство экспертов и специалистов полагают, что второе поколение биотоплив имеет ряд преимуществ по сравнению с первым и ожидают, что через 5-10 лет начнется их активный этап коммерциализации [5, 7].
Они более предпочтительны с точки зрения баланса парниковых газов. Целлюлозный этанол может сократить выбросы СО2 почти на 75% по сравнению с бензином. Дизельное синтетическое топливо – биомасса в жидкость уменьшает эмиссию парниковых газов на 90% по сравнению с топливом из растительных масел [8].
Биотоплива второго поколения требуют уже меньше земли. Используя современные биотехнологии с одного гектара земли можно получить в 2..3 раза больше биотоплива [6, 7].
Принципиальная разница между биотопливом второго поколения и биотопливом первого поколения – возможность использования более широкого спектра биомасс, в том числе и относительно дешевых. Эти источники включают непищевую биомассу, предназначенную для получения энергии растения, и иные ресурсы из биомассы: солома и отходы лесозаготовок и деревообработки и т.д.
Биотоплива второго поколения могут отличаться по химическому составу от альтернативного биотоплива первого поколения и есть все основания полагать, что они будут не хуже. Например, синтетическое дизельное топливо по основным эксплуатационным свойствам (цетановое число, стабильность, содержание серы и т.п.) превосходит биодизель первого поколения или продукты, получаемые при перегонке нефтехимии; однако биоэтанол второго поколения (лингоцеллюлоза) химически идентичен с тем, что доступен сегодня [4, 6].
Технологии производства топлив второго поколения уже достигли высокого уровня, основные из них представлены на рисунке 1 [5].
Рисунок 1-Технология переработки биомассы в моторное топливо
Термохимические технологии имеют преимущества, позволяя производить углеводороды, которые абсолютно совместимы с существующими топливами, что очень важно для развития инфраструктуры и создания топливных смесей (традиционное топливо + альтернативное). Кроме того, термохимические процессы позволяют производить синтетические бензин и дизель [8, 9].
Термохимические технологии для производства биотоплива второго поколения включают [9]:
· газификация биомассы для генерации синтетического газа;
· пиролиз, мгновенный пиролиз для производства биомасел или смесей как носителей энергии;
· гидротермальная обработка сырой биомассы;
· синтез Fisher-Tropsch углеводородов из синтетического газа с соответствующими процессами перегонки и обработки.
Синтез метанола с последующим синтезом бензина и/или дизеля при помощи технологии метанол в олифин, бензин или дизель или метанол в бензин.
Выводы
Биотоплива второго поколения имеют ряд ключевых преимуществ над традиционным ископаемым топливом и над биотопливом первого поколения. Эти преимущества включают способность достичь существенного уменьшения выбросов парниковых газов, а так же значительные уменьшения земельных требований.
Похоже, что основные технологии приемлемые для решения данной проблемы достаточно хорошо изучены, и главный вектор современных и будущих исследований нацелен на повышение эффективности производства биотоплив.
Литература
1. Biothanol and the Ethanol Industry today. US. DOE. Biomass Program: http://www.DOE Biomass Publications.htm.
2. О проблемах производства биотоплива в мире // БИКИ № 8118872, 21.07.2005. С. 12-14.
3. Biofuels for transport: http://www.IEA.org/books.
4. Biofuels for Sustainable Transportation: http://www.IEA.org.
5. Интернет ресурс: http://altfuel.com.
6. 7 Biofuels in the European Union a vision for 2030 and beyond. Final draft report of the Biofulels Research Advisory Council .2006 31p
7. Biofuels; the Next Generation. EU news http://euractiv.com/en/ energy/biofuels
8. Second generation transport biofuels report of a DTI global watch mission. March 2006.