Биотопливо: технологии получения, плюсы и минусы использования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский педагогический государственный университет

Реферат

Биотопливо: технологии получения, плюсы и минусы использования

Москва 2016



Оглавление

биотопливо выброс парниковый газ

Введение

1. Биотопливо. Виды биотоплива

1.1 Твёрдое биотопливо

1.2 Жидкое биотопливо

1.3 Газообразное топливо

2. Региональные особенности производства биотоплива

2.1 Биотопливо в России

2.2 Биотопливо в Европе

3. Анализ статей

3.1 Биотопливо. Его достоинства и недостатки

3.2 Биотопливо из моря

3.3 Биотопливо: мыслить за пределами нефтяной трубы

3.4 Как получить биотопливо своими руками?

3.5 Биотопливо

Заключение



Введение

На протяжении всей истории развития человечества люди ищут все новые способы получения и использования энергии. Все началось с использования различного вида топлива для обогрева и приготовления еды. Но в современном мире ученые поднимают уже более глобальную проблему, связанную с рациональностью и эффективностью использования энергоресурсов, внедрения технологий энергосбережения и поиска возобновляемых источников энергии.

Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии. Биотомпливо -- топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса при выборе источников энергии и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов. Но среди ученых разгорается дискуссия о перспективах и последствиях производства альтернативного топлива в мире. По мнению некоторых экономистов, массовый переход мировой экономики на биотопливо приведет к резкому обострению росту цен на мировом рынке аграрной продукции. Таковы, в частности, неожиданные выводы ученых университета города Лидс в Великобритании. По их прогнозу, реализация Евросоюзом планов перехода в ближайшее десятилетие на преимущественное использование биотоплива создаст большие проблемы, поскольку для замены только 10% потребляемых сегодня нефти и газа в странах ЕС потребуется засеять почти половину сельскохозяйственных земель культурами, служащими сырьем для биотоплива.



1. Биотопливо. Виды биотоплива

Биотопливо - это топливо, из биологического сырья получаемое в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Биотопливо получают из биологического сырья. Биотопливо, получаемое из растений, не нарушает установившийся на планете баланс углекислого газа. Современное биотопливо - это энергичный ответ человечества на экологические вызовы 21 века. Бензин заменяем этиловым спиртом, получаемым из растительного сырья. Дизельное топливо заменяют биодизелем, полученным из растительных жиров. Для человека биотопливо более безвредно, чем выхлопы автомобилей, работающих на традиционном топливе.

Растительное сырьё разделяют на поколения. Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырьё оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырьё относят к первому поколению. Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого поколения. Такое сырьё содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать, осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья -- занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение сырья -- водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Биотопливо классифицируют по его агрегатному состоянию: жидкоебиотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома и пр.) и газообразное (биогаз, водород).

1.1 Твёрдое биотопливо

Твердое биотопливо является одним из направлений решения энергетической проблемы, нависшей над человечеством. Это интересное и перспективное направление ждет своего развития. Самым первым биотопливом, использовавшимся людьми (хотя люди вряд ли знали само слово «биотопливо», когда только начинали использовать этот ресурс) были обычные дрова. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород. В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.

В свое время, от дров как массового вида топлива отказались по двум причинам:

Во-первых, энергетическая ценность дров сравнительно невелика. При обычном сжигании в горении участвует только часть массы дров, остальное оседает в виде сажи. Это, помимо прочего, делает необходимым периодическую чистку топки нагревательного прибора, использующего дрова в качестве топлива. Первая причина отказа от дров во многом решается использованием принципа двухступенчатого сжигания или пиролиза. В ходе первого этапа, твердое биотопливо сначала подвергаются термическом воздействию с малым доступом кислорода - пиролизу. В ходе пиролиза топливо выделяет горючий газ. Вторым этапом осуществляется обычное сжигание газа при достаточном притоке кислорода, обычно с принудительным нагнетанием. Двухступенчатый пиролиз позволяет сжигать топливо практически полностью, извлекая из топлива максимум энергии, что также решало проблему чистки топки. А вот со вторым пунктом все гораздо сложнее.

Во-вторых, дрова обладают длительным временем восполнения. Конечно, на восполнение древесины не нужно миллионов лет, но для динамичной современной энергетики 5-10 лет, которые требуются для превращения семени во взрослое дерево, все равно являются недопустимо длительным сроком. Поэтому поиски биотоплива, подходящего для промышленного использования, пришлось продолжить.

1.2 Жидкое биотопливо

Жидкое биотопливо становится все популярнее благодаря своей экологичности и безопасности. Основное применение находит в двигателях внутреннего сгорания. Этот вид топлива получают в результате переработки различного растительного сырья.

Различают основные виды жидкого биотоплива:

Биоэтанол.

Биобутанол.

Биометанол.

Биодизель.

Биоэтанол занимает лидирующую позицию в списке жидких биотоплив. Сфера его применения - обычные авто, также в последние годы он используется как биотопливо для домашних каминов. Биоэтанол в смеси с бензином как топливо обладает целым рядом преимуществ по сравнению с обычным бензином: он улучшает работу двигателя машины, увеличивает его мощность, не перегревает двигатель, не образует сажи, нагара и дыма.

Биоэтанол - отличная альтернатива для любителей каминов. Поскольку он не образует дыма, сажи и выделяет при горении малое количество углекислого газа. Может использоваться для отопления каминов даже в многоквартирных домах. При этом полностью отсутствуют потери тепла, как обычно бывает при эксплуатации обычных каминов с наличием дымоходной трубы. Производится по технологии спиртового брожения из сырья, содержащего крахмал или сахар: кукуруза, зерновые, сахарный тростник, сахарная свекла. Экономически оправданным является получение этанола из сырья, содержащего целлюлозу. Биобутанол как топливо для двигателей более предпочтителен, чем биоэтанол: он лучше смешивается с бензином, может использоваться и как отдельное топливо. Для его получения используют традиционные культуры: сахарный тростник, кукурузу, пшеницу, сахарную свеклу. Пока менее популярен, чем биоэтанол.

Биометанол технология его производства пока несовершенна и требует внедрения еще многих инновационных разработок. Предполагается получать его путем биохимического преобразования морского фитопланктона, культивируемого в специальных водоемах. Но пока не удается наладить производство в промышленных масштабах. Сферы применения биометанола такие же, как и у обычного метанола. Это производство ряда веществ (формальдегида, метилметакрилата, метиламинов, уксусной кислоты и др.), в качестве растворителя и антифриза. Биодизель используется в автомобильных двигателях как отдельно, так и в смеси с привычным дизельным топливом. Кроме отсутствия отрицательного воздействия биодизеля на окружающую среду, многочисленные исследования выделили и еще одно его преимущество. За счет содержания малого количества серы смазочные способности биодизеля лучше, что способствует продлению срока службы серийных двигателей. Сырьем для получения биодизеля могут быть как растения (хлопок, соя, рапс), так и жирные масла (пальмовое, рапсовое, кокосовое), водоросли.

1.3 Газообразное топливо

Различают два основных вида газообразного топлива: биогаз и биоводород.

Биогаз -- продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа. Еще одним продуктом переработки бытовых отходов при получении биогаза являются органические удобрения. Технология производства связана с преобразованием сложных органических веществ под воздействием бактерий, осуществляющих метановое брожение.

В начале технологического процесса осуществляется гомогенизация массы отходов, затем подготовленное сырье подается с помощью загрузчика в подогреваемый и утепленный реактор, где непосредственно и происходит процесс метанового брожения при температуре примерно 35­38 °С. Масса отходов постоянно перемешивается. Образующийся биогаз поступает в газгольдер, а затем подается на электрогенератор. Полученный биогаз заменяет обычный природный газ. Можно использовать как биотопливо, либо вырабатывать из него электроэнергию.

Биоводород -- водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями. Можно получить из биомассы термохимическим, биохимическим либо биотехнологическим путем. Первый способ получения связан с нагреванием отходов древесины до температуры 500--800 °C, в результате чего начинается выделение смеси газов - водорода, моноокиси углерода и метана. В биохимическом способе используются ферменты бактерий Rodobactersperiodes, Enterobactercloacae, вызывающие продукцию водорода при расщеплении растительных остатков, содержащих целлюлозу и крахмал. Процесс протекает при нормальном давлении и невысокой температуре. Биоводород используется при производстве водородных топливных элементов на транспорте и в энергетике. Широкого применения пока не имеет.



2. Региональные особенности производства биотоплива

Движущими факторами для распространения биотоплива, являются угрозы, связанные с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом. Биотопливо является альтернативой традиционным видам топлива, получаемым из нефти. В долгосрочной перспективе постоянно растущий спрос на биотопливо со стороны наземного, воздушного и морского транспорта может сильно изменить сложившуюся ситуацию на мировом рынке энергоносителей. По прогнозам Мирового энергетического агентства, нехватка нефти в 2025 году будет оцениваться в 14%, что в несколько раз больше, чем в текущем году. Так что огромный мировой автопарк может спасти лишь постепенный уход от бензина и дизтоплива.

По данным МЭА, общий объем производства биотоплива - в том числе биоэтанола и биодизеля - в 2012 году составил 110 млрд. литров. То есть даже удвоение текущего уровня производства к 2021 году покроет лишь 7% мировой потребности в топливе. Темпы роста производства биотоплива намного отстают от темпов роста потребности в них. Происходит это из-за необходимости наличия дешёвого сырья и недостаточного финансирования.

2.1 Биотопливо в России

В стране не существует единой государственной программы развития производства биотоплива, но в Татарстане, Алтайском крае, Липецкой, Ростовской, Волгоградской, Орловской областях создаются региональные программы. При этом законодательная база в России не предусматривает льгот поставщикам альтернативного топлива, что тормозит развитие отрасли. По мнению ученых, в России производство биоэтанола является более реальным, чем биодизеля. Проблема связана с сырьем. Если биоэтанол можно получать практически из любой биомассы, то биодизель является продуктом переработки растительных масел и животных жиров. Современный уровень производства масличных культур в России позволяет удовлетворять лишь продовольственные нужды страны. По расчетам ученых, Россия, располагающая огромным потенциалом сельскохозяйственных земель (2 место в мире по площади сельхозугодий на душу населения) могла бы обеспечить до 50% потребностей сельского хозяйства в энергоресурсах за счет производства рапсового масла для последующей переработки в биодизельное топливо. В 2005 г. в России рапсом было засеяно 250 тыс. га, в то время как в Германии - 1,5 млн.га. Ресурсы для производства этанола из мелассы и зерна в стране поистине неисчерпаемы, не считая других источников для производства топливного этанола в виде целлюлозы, отходов деревообработки и спиртовой промышленности.

2.2 Биотопливо в Европе

Производство и потребление биотоплива всячески поддерживается Европой через ряд принятых стратегических решений. Система регулирования производства биотоплива развивалась в Европе в течение последних лет. В 2003 году была принята Директива, устанавливающая цели замещения жидкого топлива биотопливом - 2% к 2005 году и 5,75% к 2010 году. Другой документ создает основу налогообложения на биотопливо: оно должно полностью или частично освобождаться от налогов в целях обеспечения его конкурентоспособной цены.

Однако прогнозы, относительно темпов роста рынка биотоплива не оправдали себя. Только Германия (3,8%) и Швеция (2,2%) достигли своих целевых показателей. Эксперты полагают, что доля биотоплива достигнет лишь 4,2% к 2010г. (некоторые из них приводят даже цифру в 2,4%).В январе 2007 года ЕС были объявлены стратегические цели по обеспечению энергетической безопасности и приоритеты экологической политики, ориентированные до 2020 г.:

* необходимость снижения выброса парниковых газов на 20%;

* доведение доли альтернативных источников в энергетическом балансе до 20%;

* 10% биотоплива в транспортной структуре топливного баланса.

Для доведения доли биотоплива в энергетическом балансе до 5,75% необходимо довести уровень его производства до 24 млн. тонн, заменив тем самым 18,6 млн. тонн ископаемого топлива. Это означает, что 20% от общей площади пахотных земель необходимо будет отдать под биотопливо, что является достаточно весомым показателем. Плюс ко всему, все большее число специалистов приходит к выводу о том, что переход на биотопливо привел к продовольственному кризису и постепенному уничтожению тропических лесов. Также появились статьи, в которых доказывалось, что некоторые сорта биотоплива не приводят к сокращению выбросов парниковых газов. Эти факторы негативно сказались на развитии биотопливного рынка.

Руководство ЕС намерено сократить использование биодизеля из пальмовых деревьев, поскольку массовое производство такого топлива способствует уничтожению тропических лесов в Индонезии. Еврокомиссия сейчас также пересматривает ключевое решение Евросоюза об ускоренном переходе на альтернативные нефти источники энергии и доведения к 2020 году до 10% части биотоплива в общем автотранспортном топливном балансе.

Конечно, нельзя говорить о том, что ЕС в ближайшие дни может полностью отказаться от идеи расширения производства биотоплива. Еврокомиссия намерена способствовать разработке так называемого биотоплива второго поколения, которое изготавливается из отходов деревообрабатывающей промышленности, соломы, навоза и др. Ставка на него делается так как, согласно исследованиям, оно способно вырабатывать больше энергии и снижает выбросы парниковых газов. Для дальнейшего развития рынка биотоплива в Европе необходимо соблюдение ряда условий: совершенствование существующих технологий его производства, разработка и коммерческая реализация биотоплива второго поколения, а также обеспечение координации между крупными европейскими участниками по внедрению инновационных разработок. Биодизель, как один из видов возобновляемого топлива, в промышленных масштабах в ЕС производится с 1992 года. По состоянию на 2008 г. в Европе располагалось более 240 заводов по производству биодизеля общей мощностью более 18,2 млрд. литров. Основные производственные мощности расположены в Германии, Австрии, Франции и Швеции. Статистические данные свидетельствуют о снижении темпов роста рынка биотоплива в 2007-2008 гг. по сравнению с предыдущими годами. Производство биодизеля в ЕС увеличилось с 5,6 млн. литров в 2006 г. до 6,5 млн. литров в 2007 г. и до 7,7 млн. литров в 2008 году. Таким образом, ежегодный рост составил 16,8 и 17,7% соответственно, в сравнении с 65,0% в 2005 г. и 54,0% в 2006 г.

Некоторые эксперты полагают, что это связано с изменившимися рыночными условиями: многие компании были не в состоянии противостоять недобросовестной конкуренции со стороны США (импорт В99). Еврокомиссия уже планирует начать антидемпинговые расследования, что дает производителям надежду на возобновление честной конкуренции. Например, одна из крупнейших компаний Великобритании, в 2008 г. объявила о сокращении производства биодизеля на 25% из-за неблагоприятных рыночных условий.

Как отмечалось выше, по состоянию на 2008 г. в Европе было более 240 заводов по производству биотоплива общей мощностью 18,2 млрд. литров. В то же время, 10,5 млрд. литров установленной мощности бездействовали из-за отсутствия жизнеспособного рынка сбыта. Можно полагать, что это связано с отсутствием законодательных и нормативных условий для его нормального функционирования. Например, продажи биодизеля в Германии резко упали после начала налогообложения биотоплива. Биодизель является более дорогостоящим, чем дизельное топливо, и его производство нуждается сегодня в налоговых льготах для обеспечения ему рынка сбыта. Вероятнее всего, биодизель и дальше будет доминировать в потреблении биотоплива в Европе. Это связано с тенденцией увеличения количества дизельных автомобилей и в растущем спросе на дизель и снижающемся - на бензин. Однако, для дальнейшего развития рынка биодизеля необходимо обеспечение свободной конкуренции и проведение продуманной государственной политики поддержки производителей. Согласно пессимистическому и оптимистическому прогнозам объем потребления биодизеля в ЕС к 2020 г. достигнет 20,4 и 26,0 млрд. литров, соответственно (CAGR - 6,9 и 9,1%, соответственно). В обоих сценариях до 10% потребности рынка будет удовлетворяться за счет импортных поставок.



3. Анализ статей

3.1 Биотопливо. Его достоинства и недостатки

Биотопливо получают из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности человека и животных или органических промышленных отходов. Наиболее часто производится и используется биоэтанол или просто этанол. Еще в начале 20-го века Генри Форд планировал заправлять этанолом свою модель TS, и первые дизельные двигатели могли работать на арахисовом масле. Но открытие огромных нефтяных месторождений способствовало применению бензина и дизельного топлива, и биотопливо на некоторое время было забыто. Однако повышение цен на нефть, наряду с растущей обеспокоенностью по поводу выбросов углекислого газа, сделали биотопливо снова популярным. На самом деле бензин и дизельное топливо - это древнее биотопливо. Но их причисляют к ископаемым видам топлива, поскольку они происходят из разложившихся растений и животных, которые были погребены под землей земле миллионы лет назад. Отличие биотоплива в том, что оно производится из растительного или животного сырья, полученного в настоящий момент.

Рассмотрим теперь преимущества и недостатки использования биотоплива.

Мобильность по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. В настоящее время, у более «радикальных» альтернативных энерготехнологий, таких как солнечная энергетика и ветроэнергетика есть одна большая проблема -- мобильность. Поскольку солнце и ветер не имеют постоянный характер, для обеспечения больших мощностей в таких энерготехнологиях приходится использовать относительно тяжелые аккумуляторные батареи (но с совершенствованием технологий эта проблема постепенно решается). С другой стороны -- биотопливо, его довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

Снижение стоимости.

В настоящее время на рынке биотопливо стоит столько же, сколько и бензин. Тем не менее, в использовании биотоплива больше преимуществ, поскольку это более чистый вид топлива, он производит меньше выбросов при сжигании. Биотопливо можно адаптировать к существующим конструкциям двигателей, которое будет хорошо использоваться в любых условиях. При этом такое топливо лучше для двигателей, оно снижает общие затраты на контроль за загрязнением двигателя и следовательно его использование требует меньше затрат на техническое обслуживание. С увеличением спроса на биотопливо есть вероятность, что в будущем оно станет дешевле. Таким образом, использование биотоплива будет менее тяжелым для кошелька.

Биотопливо выращивается на полях.

Бензин получают из сырой нефти, которая не относится к возобновляемым ресурсам. Хотя современных запасов ископаемого топлива хватит еще на много лет, они в конечном итоге когда-то закончатся. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время.

Сокращение выбросов парниковых газов.

Биотопливо более экологичное топливо, по сравнению с ископаемыми видами топлива. При сжигании, ископаемое топливо производит большое количество углекислого газа, который считается парниковым газом и причиной удержания солнечного тепла на планете. Сжигание угля и нефти повышает температуру и вызывает глобальное потепление. Чтобы уменьшить воздействие парниковых газов можно использовать биотопливо. Исследования показывают, что биотопливо снижает выбросы парниковых газов до 65 процентов. Кроме того при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.

Экономическая безопасность для стран, не обладающих большими запасами топлива. Не каждая страна обладает большими запасами нефти. Импорт нефти оставляет существенную брешь в экономике страны. Если люди начнут склоняться в сторону использования биотоплива, то зависимость от импорта будет снижаться. Благодаря росту производства биотоплива создастся больше рабочих мест, что должно положительно отразиться на экономике страны.

Недостатки биотоплива.

Ограничения региональной пригодности.

Местность с плохим климатом малопригодная для выращивания биотоплива.

Растительное сырье для биотоплива, вероятнее всего, будет выращиваться в определенных регионах. Это связано с рядом причин, главная из которых - это то, что некоторые культуры просто лучше растут в одних местах и хуже в других.

При выборе региона для производства растительного сырья надо учитывать:

Водопользование - чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом. Особенно это критично в более засушливых местах.

Инвазивность - урожай, который убивает местные растения и который трудно контролировать может поставить под угрозу биоразнообразие и серьезно повредить экосистему региона.

Удобрения - питательные вещества необходимые для растений. Некоторые растения требуют меньше органических ресурсов, чем другие.

Климат - в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом.

Продовольственная безопасность.

Слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду. Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания. В мире с постоянно растущим населением проблема наличия земли для сельскохозяйственных целей становится все более острой.

Ограничение на изменение землепользования.

При очистке земли от местной растительности для выращивания сырья удар по экологии наносится с трех сторон. Разрушается среда обитания животных и микроэкосистемы. Для очистки территории от местной растительности требуется энергия. Так что производство получается очень энергоемким и связано с большим количеством выбросов загрязняющих веществ в процессе обработки. Для производства культур потребуются удобрения, которые будут загрязнять почву и через нее водные пути и всю окружающую среду. Изменения в землепользовании для производства биотоплива имеет значительные недостатки. Поэтому для производства биотоплива лучшим решением является использование существующей земли, но это уменьшает количество земли для продовольственных целей.

Проблемы, связанные с выращивание монокультуры.

При выращивании монокультуры вредители легко могут уничтожить урожай. Кончено, для получения большого количества урожая легче вырастить один вид культуры. Такая практика выращивания одной культуры называется монокультура. Примеры монокульнур можно найти по всему миру, выращивание одного вида стало более распространенным в последние 20-30 лет. Выращивание одного вида урожая изменяет окружающую среду с точки зрения доступной для вредителей пищи. Например, если урожай картофеля поедается определенным вредителем, который может мигрировать только на несколько сотен метров, а картофельные поля разделены кукурузными полями, то появление вредителей на одном картофельном поле не станет проблемой, поскольку они не смогут переместиться за пределы одного поля. Однако без кукурузных полей вредитель может легко уничтожить весь урожай. Использование же пестицидов при выращивании монокультуры для борьбы с вредителями неизбежно ведет к выработке у вредителя устойчивости к этим средствам. Как следствие урожай будет страдать.

При обращении к генной инженерии, когда изменяется сама культура и делается устойчивой к вредителям, отпадает необходимость использования пестицидов. Отлично! Но проблема состоит в том, что, скорее всего модификации культуры не спасут абсолютно от всех вредителей и через несколько лет производители столкнуться все с той, же проблемой истребления урожая. Ключ к здоровью культур по всему миру заключается в биоразнообразие, которое означает просто наличие большого количества различных видов растений и животных. Таким образом, если один сорт картофеля приходит в упадок, то существует другой сорт картофеля, который его может заменить. Это особенно важно, когда речь идет о продовольственных культурах.

3.2 Биотопливо из моря

Современная энергетика, основанная главным образом на сжигании ископаемых углеродсодержащих топлив, связана с выбросами в атмосферу огромного количества парниковых газов, кислотообразующих оксидов азота и серы, которые наносят прямой вред окружающей среде. С ростом поступления в атмосферу углекислого и других газов, вызывающих парниковый эффект, связывают глобальные изменения климата, которые угрожают всему живому на Земле. Кроме того, по оценкам экспертов, запасы ископаемых топлив будут исчерпаны уже через 50-100 лет, их нехватка, развитие парникового эффекта и угроза необратимого загрязнения окружающей среды побуждают к срочным поискам альтернативных источников энергии, основанных на использовании возобновляемых ресурсов. Ограниченность запасов традиционного минерального топливного сырья и антропогенная нагрузка на окружающую среду, возникающая при его использовании, побуждает к поиску новых возобновляемых экологически чистых энергоносителей.

В качестве основной тенденции развития топливного рынка международными экспертами заявлена именно биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. Вполне ясным является тот факт, что в ближайшие 30-40 лет именно биоэнергетика будет выступать в роли доминирующего тренда в развитии мировой системы энергообеспечения. Конкретная задача на сегодня состоит в поиске топлива, которое может заменить практические свойства нефти, но не загрязнять окружающую среду. Хотя бы частично это может обеспечить только биотопливо.

Проблема производства и использования биотоплива, из-за её общей высокой важности, закономерно находит широкий отклик в научной литературе. Возможности производства биотоплива из морской биомассы является предметом научных исследований многих исследовательских центров мира. Целью данной работы является ознакомление с возможностями производства топлива из биомассы моря. Мировое производство биотоплива растёт темпами, которые превышают 10 % в год. Большинство стран мира уже приняли биоэнергетические программы. Особенно стремительное развитие биоэнергетики наблюдается в странах-членах ЕС. Планы Европейского Союза о том, что в энергетическом балансе доля биомассы к 2020 году составит 20 %, скорее всего, будут выполнены. Развитие этой инновационной отрасли обусловлено, в том числе, и благодаря формированию технологических платформ (ТП).

Значение и роль ТП заключается в том, что они объединяют основные заинтересованные стороны и обеспечивают диалог общества и бизнеса; способствуют привлечению инвестиций в научно-техническое развитие; мобилизуют и направляют существующие возможности в сектор исследований и разработок, способствуя более эффективному подходу к инновациям, стимулируют координацию европейских и национальных исследовательских программ; вносят вклад в рост экономики. Необходимо отметить, что такой же механизм развития инноваций в настоящее время начинает использоваться и в России, где среди утверждённого перечня 29 технологических платформ является ТП «Биоэнергетика». Из чего производится биотопливо сложно понять, однако, его составляющими могут быть как живые, так и неживые организмы. Оно также может быть сделано с помощью химических реакций в лабораторных или промышленных условиях.

Сейчас в мире для потенциального использования биотоплива рассматриваются и исследуются такие культуры: соя, кукуруза, сахарный тростник, сахарная свекла, просо, рапс, морские водоросли, маниока, пальмовое масло, грибы, животный жир. Абсолютно новым трендом в области преобразования возобновляемой биомассы является получения топлива из микроводорослей, ведь в настоящее время исследователями доказано, что масличной культурой, способной давать самые высокие потенциальные выходы энергии, являются именно микроводоросли.

Водоросли -- самые динамичные растения в мире, они могут удваивать свою массу несколько раз в день. Но стоимость получения топлива из них на сегодня является достаточно высокой. Для обеспечения коммерческой привлекательности процесса как восстановительное сырьё для выращивания микроводорослей можно использовать отходы и выбросы, образующиеся в промышленности и при сжигании традиционных видов топлива, и конвертировать отходы микроводорослей в газообразные энергоносители или биологически активные вещества. Экологически безопасным для окружающей среды возобновляемым носителем энергии является молекулярный водород. Водород -- это экологически чистое топливо с высокой энергоемкостью. В последнее время значительный интерес вызывают биологические способы получения водорода.

В этом отношении особого внимания заслуживают фотосинтезирующие организмы, среди которых перспективными являются микроводоросли, поскольку их изучение позволяет выявить взаимосвязь фотосинтеза с процессом образования водорода. Способность микроводорослей производить молекулярный водород за счёт фотосинтетического преобразования энергии обусловлена наличием нелимитированного источники энергии -- солнечного света, избытка субстрата фотолиза -- воды, высокой теплотворной способности водорода, возможностью восстановления процесса, и, наконец, тем, что фотохимическое превращение воды в водород происходит при температуре без образования токсических промежуточных соединений.

Поэтому одним из самых перспективных направлений решения ряда глобальных проблем, в том числе энергетической, является биотехнология микроводорослей. Учёные из США (Национальная Лаборатория Лос-Аламоса и Университета Алабамы) разработали принципиально новое химическое соединение для хранения водорода. Оно основано на боране (бороводороде), но содержит в качестве добавки полимер полиборазилен, что придаёт веществу совершенно новые свойства. Для насыщения этого вещества водородом не требуется большого количества энергии, что позволит создать на его основе водородный топливный бак. По предварительным расчётам, для обеспечения пробега автомобиля длиной 480 километров, потребуется водородный бак с объёмом, примерно одинаковым с объёмом обычного, бензинового, топливного бака. Затрудняют возможность использования водорода в качестве топлива проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь -- гремучий газ; сжиженный водород имеет исключительные проницаемые свойства, требуя применения особых материалов.

В 2012 году в итальянской газете LaRepubblica появилась информация о том, что группа чилийских и американских учёных нашла способ получения биотоплива из морских водорослей. Инженеры создали бактерию, которая может разрушать и переваривать клеточные стенки этих водорослей, а на выходе давать этанол и другие компоненты. Это потенциально делает их будущими конкурентами источников возобновляемой энергии. В отличие от кукурузы и другого кормового сырья для производства биотоплива, морские водоросли не требуют вспашки, опыления или пресной воды. Это значительно расширяет горизонты для потенциального источника биотоплива. Учёные из лаборатории BioArchitectureLab (Калифорния, США) были заинтересованы в создании такой бактерии, которая бы эффективно переваривала клеточные строительные блоки морских водорослей с альгината без вмешательства химикатов или тепла. Альгинаты обычно используют в мороженом или некоторых тканях, но известно, что они трудно поддаются разрушению или, тем более, превращению в биотопливо.

Исследование, проведённое под руководством профессора Джеймса Лиао из Университета Калифорнии, открывает путь к использованию процессов обмена веществ бактерий для создания качественного биотоплива в промышленных масштабах. Чтобы получить лучшее представление о преимуществах и недостатках водорослей, исследовательская группа из Университета Вирджинии в Шарлотсвили (США) рассмотрела энергетические затраты и экологические последствия производства водорослей для получения топлива. Затем группа сравнивала их с аналогичными значениями для соперников водорослей -- кукурузы, рапса и американского проса. Анализ жизненного цикла водорослей, в котором использовали данные из онлайновых баз данных и опубликованных научных исследований, показывает, что в хозяйствах по выращиванию водорослей необходимо свести к минимуму использование удобрений и пресной воды, чтобы конкурировать с другими биотопливными растениями. Один из способов реализации этого проекта -- это размещение операции по продуцированию водорослей рядом с очистными сооружениями или объектами, которые выделяют двуокись углерода.

Микроводоросли при благоприятных условиях быстро растут, используя энергию солнечной радиации. В условиях искусственного выращивания объём урожая может составлять от 70 до 120 кг/м2 сырой массы водорослей в год в зависимости от содержания питательных веществ в воде и других условий. Рациональность их выращивания основывается на том, что производительность водорослей на единицу площади в 2-5 раз выше традиционных агрокультур и других видов, которые быстро растут.

Культивирование водорослей имеет большие перспективы в создании возобновляемых источников энергии. Исходя из того, что микроводоросли в наше время считают зелёным источником возобновляемого водорода, одной из актуальных задач современной альгобиотехнологии является изучение генетического потенциала микроводорослей как возможных продуцентов водорода и поиск технологических условий повышения его выхода. Зарубежные страны уже имеют определённый опыт в использовании водорослей в качестве сырья для получения биотоплива. В частности, израильская фирма ООО Seambiotic предложила технологию, которая позволяет промышленное культивирование морских водорослей с помощью диоксида углерода, который выделяется вместе с выбросами электростанций. Уже через пять лет, к 2020 году, ОАЭ планируют превратиться в мирового лидера по производству биотоплива из водорослей, присоединившись к странам, уже осуществляющим практические шаги в индустрии производства энергии и биотоплива из водорослей. В Японии, где производится очень большое количество водорослей, довольно большая проблема с утилизацией водорослей, которые намываются на берег, ведь эти водоросли начинают гнить и выделять специфический запах. Утилизация таких отходов требует дополнительных затрат.

Японские исследователи разработали систему брожения биомассы, использующую намытые на берег водоросли для производства топлива, которое применяют на получение электроэнергии. TokyoGas и NEDO создали систему брожения биомассы водорослей с применением микроорганизмов, в результате чего выделяется метан. Метановое топливо направляется в газовый двигатель, вращающий электрический генератор. На опытной станции TokyoGas такая установка перерабатывает 1 тонну водорослей в день, создавая 20 тыс. м3 метана. Для повышения мощности генератора к газу, полученного от водорослей, примешивают ещё и природный. В результате генераторная установка производит мощность в 10 кВт, которой достаточно для отопления 20 домов. И хотя на данном этапе исследований ещё далеко до производства экономически целесообразного и конкурентоспособного продукта, в мире всё больше учёных уделяют огромное внимание производству биотоплива при помощи водорослей.

На сегодняшний день, в условиях энергетического кризиса, создаются реальные условия для развития альтернативных источников энергии, в частности, производства биотоплива. Специалисты уверены, что технология производства биотоплива из микроводорослей имеет ряд существенных преимуществ перед производством биотоплива из масличных культур, рапса. Биотопливо из водорослей -- проект, безусловно, очень перспективный, однако пока он находится на стадии экспериментальной разработки.

Данная статья была опубликована в научном журнале “Молодой ученый”. Речь идет о перспективе использования биотоплива, полученного при помощи водорослей. В статье нет непонятных терминов, присутствуют интересные факты: “ В 2012 году в итальянской газете LaRepubblica появилась информация о том, что группа чилийских и американских учёных нашла способ получения биотоплива из морских водорослей”, аргументы: “ Затрудняют возможность использования водорода в качестве топлива проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь -- гремучий газ; сжиженный водород имеет исключительные проницаемые свойства, требуя применения особых материалов”, и вывод: “ Биотопливо из водорослей -- проект, безусловно, очень перспективный, однако пока он находится на стадии экспериментальной разработки”.

3.3 Биотопливо: мыслить за пределами нефтяной трубы

«Есть хорошее английское выражение: «Thinkoutsidethebox» («Думай нестандартно»). После нескольких лет высоких цен на нефть в США появилось новое выражение: «Thinkoutsidethebarrel» («Думай за пределами нефтяного барреля»). В России же пора начать думать за пределами нефтяной трубы, в том числе - рассмотреть перспективы в энергетике биотоплива. Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов..."

На протяжении последних лет в России стал расхожим тезис о кризисе сельского хозяйства - сектора экономики, который мог бы в иных обстоятельствах дать значительный эффект для развития народного хозяйства. Существуют ли реальные пути выхода из этого кризиса? Вот что рассказал вице-президент Российской Национальной Биотопливной Ассоциации Алексей Аблаев: «Есть хорошее английское выражение: «Thinkoutsidethebox» («Думай нестандартно»).

После нескольких лет высоких цен на нефть в США появилось новое выражение: «Thinkoutsidethebarrel» («Думай за пределами нефтяного барреля»). В России же пора начать думать за пределами нефтяной трубы, в том числе - рассмотреть перспективы в энергетике биотоплива. Мир вступает в эру биоэкономики, то есть экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов. Эксперты выделяют ряд преимуществ биоэкономики. В социальной сфере это диверсификация экономики сельского хозяйства и ее рост; развитие сельских регионов; улучшение социальной ситуации в городах, где расположены гидролизные заводы; укрепление здоровья человека, благоприятные перемены в экологии и качестве жизни. В экономике - снижение себестоимости, более тщательный контроль свойств продукции; появление новых продуктов и рынков; снижение зависимости торговли от энергоресурсов.

В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ; создавать новые материалы, химикаты и топливо из биомассы; использовать продукты многоразового использования и переработки. По подсчетам бразильских и американских ученых, каждый миллион литров производимого биоэтанола создает 38 прямых рабочих мест. Поэтому биозаводы появляются там, где они нужны. Рабочие места формируются не «у нефтяной трубы», а в сельскохозяйственных регионах. Сырьем для большинства продуктов биоэкономики становятся сахар (глюкоза), крахмал (зерно, сахарный тростник) или целлюлоза (солома, опилки). Один из наиболее современных биозаводов - завод компании Dupont, производящий в год 100 тыс. т биопластика из кукурузы. Этот биопластик по себестоимости и потребительским качествам превосходит нейлон. Наиболее значительные продукты биоэкономики - биоэтанол и биодизель - единственные возобновляемые жидкие топлива, использование которых в качестве добавки к автомобильному топливу не требует изменения конструкции двигателей.

Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, странах ЕС. Во многих странах (даже в нефте- и газоэкспортирующих) созданы специальные органы исполнительной власти, координирующие реализацию программ в области производства альтернативной энергии. Так, в США принят закон «О сельском хозяйстве», где указано, что создание биозаводов - национальная задача, а госучреждения страны обязаны использовать биотопливо. Обеспечиваются поддержкой масштабные исследования по переработке биомассы в биоэтанол в партнерстве государственного и частного секторов. В августе 2005 г. президент США Дж. Буш подписал закон об энергетической политике («EnergyPolicyAct)», предусматривающий субсидии и налоговые льготы производителям этанола.

Международная энергетическая ассоциация (IEA) прогнозирует, что к 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн. т энергетического эквивалента нефти. Ежегодные темпы прироста производства составят 7-9%. В результате до 2030 г. доля биотоплива в общем объеме топлива в транспортной сфере достигнет 4-6%. Наибольшим будет прирост производства этанола, поскольку ожидается, что себестоимость его производства будет сокращаться быстрее себестоимости производства биодизеля. В Европе принята программа доведения доли биотоплива до 5,75% к 2010 г. (1,4% в 2005 г.). К этому времени потребление в Европе автомобильного топлива из возобновляемого сырья (биоэтанол и биодизель) вырастет с 7 млн. т до 15 млн. т, при этом инвестиции на строительство 40 новых заводов биодизеля и 60 заводов биоэтанола до 2010 г. составят, по крайней мере, $4 млрд. В Германии 100% биодизель продают около 2000 заправок. Через 15 лет намерена полностью отказаться от нефти в пользу биоэнергетики Швеция, где уже сейчас каждая заправка, продающая более 4 млн. л бензина в год, обязана иметь колонку топлива Е85 (85% биоэтанола и 15% бензина). Водители машин на биоэтаноле бесплатно въезжают в центр Стокгольма и не платят за парковку, снижены ежегодные налоги на автомобиль. Первый в странах СНГ завод топливного биоэтанола запущен в Казахстане в сентябре 2006 г., строятся еще несколько заводов, а правительство страны разрабатывает госпрограмму по биоэтанолу и биодизелю.

На Украине действует закон, стимулирующий производство моторных бензинов с добавками биоэтанола (реформулированные бензины), при этом акциз на такие топлива в 2007 г. был снижен с 60 евро/т до 30 евро, а так же установлена нулевая ставка акцизного сбора на топливный биоэтанол, производимый на украинских заводах. Большая часть экспортированного Россией зерна идет на корм для животных или как раз на производство биоэтанола в Европе. В январе 2007 г. глава Министерства сельского хозяйства РФ Алексей Гордеев заявил, что в России «не используются 20 млн. га продуктивной пашни». Это означает, что отечественное сельское хозяйство может легко поднять производство зерна на 20 млн. т, что достаточно для производства 7 млн. т биоэтанола.

Естественно, биотопливо в ближайшей перспективе не сможет полностью заменить нефтяное топливо. Для производства биоэтанола в требуемом количестве просто не хватит зерна. По оценке компании Volkswagen, к 2030 г. примерно 1/2 используемого в мире топлива будут составлять бензин и дизтопливо с очень низким содержанием серы, а значительную часть рынка - сжиженный газ и жидкое топливо на основе газа. Доля биотоплива составит 15-20%.Ряд ученых говорят о водороде как о ближайшем будущем топливной сферы. Это интересное и перспективное горючее, но сложность его производства, дистрибуции и применения такова, что в ближайшие 30 лет использование водорода, как коммерчески доступного топлива, невозможно.

Так как сырьем для целлюлозного этанола служат непищевые остатки (солома, трава и опилки), производство биоэтанола из них не ставит под угрозу пищевой баланс. Ученые выяснили, как высвободить энергию биомассы (целлюлозы), сконструировав ферменты для ее расщепления на простейшие сахара. Учитывая постоянный избыток целлюлозы, полученный этанол вполне может обеспечивать энергию для мотора так же эффективно, как и бензин. В то же время себестоимость производства целлюлозного этанола остается выше себестоимости биоэтанола зернового.

После появления коммерчески привлекательных технологий производства биоэтанола из биомассы важную роль будут играть специальные плантации быстрорастущих растений (ива, тополь, мискантус), опять же расположенные в теплом поясе России. Сибирь с ее запасами биомассы будет важным, но не основным источником сырья для таких заводов, поскольку отсутствие инфраструктуры будет сильно удорожать стоимость продукции. Существенной проблемой остается существующий в нашей стране налог (акциз) на этанол в любом виде (в отличие от стран Евросоюза), который делает невозможным развитие внутреннего рынка. Нам представляется перспективным развитие отечественного рынка биоэтанола и биодизеля в два шага:

1. Развитие производства биотоплива на экспорт.

2. Развитие внутреннего потребления биотоплива.

В этом случае - в среднесрочной перспективе до 2012 г. будут наблюдаться следующие тенденции:

- стремительный рост доли современных машин, требующих высокооктанового (более 92) топлива;

- законодательное требование стандартов топлива ЕВРО-4 и выше;

- существенное ухудшение качества жизни в Москве и других городах - миллионниках из-за резкого увеличения неблагоприятных экологических факторов, ухудшение здоровья горожан, отток высшего и среднего класса населения в пригороды, увеличение потребления топлива на ежедневные поездки;

- формирование уверенного общественного мнения о биотопливе как о разумной и экологически чистой альтернативе традиционным видам топлива;

- увеличение мобильности нации, особенно экономически активной ее части, рост среднегодового потребления топлива на семью;

- рост цен на газ и топливо, приближение уровня цен к европейским.

Вследствие этого вероятны следующие действия:

- политики проецируют общественное мнение о биотопливе в действия, принимая законы «О биотопливе» и о «Чистом воздухе», устанавливающие обязательное применение биотоплива (до 5% от потребляемых автомобильных топлив);

- нефтяные компании признают биотопливо как необходимость для своего существования в современном мире;

- потребление транспортных топлив удваивается, достигая 70-80 млн. т;

- начинается массовое строительство заводов по производству биоэтанола и био-дизеля-4, к 2012 г. суммарная мощность таких заводов достигает 4 млн. т биотоплива;

- только прямые инвестиции составят $2 млрд., появятся 40 тыс. рабочих мест при строительстве заводов и 200 тыс. постоянных рабочих мест;

- повышаются цены на зерно, растут доходы в сельском хозяйстве;

- растут налоговые поступления в местные бюджеты.

В долгосрочной перспективе (до 2020 г.) можно дополнительно ожидать следующих тенденций развития:

- явное изменение климата, климат широты Москвы приближается к климату широты Липецкой и Тамбовской областей, улучшение условий сельского хозяйства при увеличении количества экстремальных явлений;

- появление «мировой полиции» по контролю над выбросами парниковых газов, начало выраженных государственных действий по контролю над выбросами;

- промышленная адаптация новых технологий производства возобновляемого топлива, в первую очередь производства топлива и химических веществ из целлюлозной биомассы.

В случае реализации данного сценария Россия сможет прочно занять место поставщика биомассы и продуктов ее переработки на мировой рынок, при этом плантации биоэнергетических культур (рапс, кукуруза, быстрорастущие культуры как биомасса) займут ныне пустующие площади Нечерноземья. Это позволит снизить отток населения из пояса «вечнозеленых помидор» в Нечерноземье и Черноземье, заняв россиян работой по выращиванию и переработке биомассы-5. Следует также ожидать усиления миграции рабочей силы из стран Юго-Восточной Азии (Китай, Индонезия) и Африки в Россию ввиду ухудшения климата в этих районах (засухи) и как следствие - голода, при одновременной нехватке рабочих рук в нашей стране.

...