Моторное биотопливо: социально-экологические и морально-этические проблемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моторное биотопливо: социально-экологические и морально-этические проблемы

Манжина Светлана Александровна

кандидат технических наук, доцент

Южно-Российский государственный

политехнический университет (НПИ)

Аннотация

В данной статье рассмотрены возможности замены традиционного транспортного топлива (бензин, дизель), полученным из биоресурсов - биотопливом (биоэтанол, биодизель), охарактеризованы экономические, экологические и социальные аспекты указанной альтернативы.

Ключевые слова: биотопливо, биоэтанол, биодизель, парниковые газы, биоэнергетика, аграрный рынок

Abstract

In this article the possibility of replacing the conventional transport fuels (petrol, diesel)derived from biological resources - biofuel (bioethanol, biodiesel), economical, ecological and social aspects of the alternatives.

Keywords: biodiesel, bioethanol, biodiesel, greenhouse gases, bioenergy, the agricultural market

Возрастающие энергетические потребности человечества, достижения научно-технического прогресса, в частности генетики и селекции, и сопровождающие их экологические проблемы определили необходимость поиска новых видов топлива, в том числе растительных, которые можно было бы использовать по прямому назначению без серьезной подготовки. К таковым относятся продукты биотехнологии - биоэтанол и биодизель.

Этанол (этиловый или винный спирт) С2Н5ОН в качестве самостоятельного моторного топлива стал применяться в 1880 г., когда американский инженер Генри Форд создал первый автомобиль. Спустя 30 лет этанол начали использовать в качестве авиационного топлива.

Биоэтанол - жидкое спиртосодержащее топливо - вырабатывается из биомассы сельскохозяйственных растений, отходов растениеводства и лесного хозяйства путем ферментации сахара, который получают из культур, содержащих крахмал или сахар. Последние путем брожения, вызываемого действием ферментов или энзимов (биологических катализаторов), вырабатываемых дрожжевыми грибками, превращаются в этиловый спирт.

Для производства биоэтанола применяют ряд сельскохозяйственных культур (сахарный тростник, пшеницу, тритикале, рис, рожь, ячмень, кукурузу, сорго, картофель, топинамбур, сахарную свеклу), отходы переработки зерна, древесины, соломы и др., а также макулатуру. При этом теоретический выход биоэтанола (в м3) из 1 т сырья (в сухой массе) составляет: кукуруза (зерно) - 0,47; кукуруза (стебли) - 0,427; рисовая солома - 0,415; отходы очистки хлопка - 0,215; лиственные опилки - 0,351; макулатура - 0,439.

Весьма перспективным сырьем для производства биоэтанола является целлюлозосодержащая продукция, в частности отходы переработки древесины - опилки, кора, а также травы. Однако для этого нужны специальные ферменты (биологические катализаторы), которые способно эффективно расщеплять целлюлозу на простейшие сахара.

Использование биоэтанола в качестве топлива способствует снижению содержания ароматических углеводородов (без уменьшения его детонационной стойкости), улучшению качества топлива, повышая его октановое число, сокращению вредных выбросов; биоэтанол биоразлагаем и не загрязняет природные водные системы. По данным Argonne National Laboratory-США, использование этанола (самостоятельно или в виде 10%-ной смеси) снижает выбросы парниковых газов на 12-19% по сравнению с обычным бензином. Ежегодные выбросы последних снижаются примерно на 7 млн. т (данные 2004 г.), что сравнимо с годовым выбросом газов миллиона автомобилей среднего класса. Более того, согласно данным Американской пульмонологической ассоциации (Чикаго), применение биоэтанола в качестве добавки к бензину снижает образующие смог выбросы на 25 %, выброс оксида углерода (СО) на 30 %, содержание твердых частиц в выхлопе - на 50, токсичность выхлопа - на 21 %.

Важно подчеркнуть, биоэтанол является возобновляемым источником энергии, а его производство обеспечивает стабильный спрос на сельскохозяйственную продукцию. В то же время следует отметить и важный недостаток биоэтанола: при современной технологии его производства потребляется несколько больше энергии, чем он может отдать при сжигании. Поэтому для обеспечения одинакового пробега автомобиля биоэтанола потребуется больше, чем бензина.

Производство биоэтанола в мире неуклонно возрастает: 28 млн. м3 в 2000 г., 70 млн. м3 в 2007 г. и вплотную приблизилось к 100 млн. м3. По оценкам экспертов, около 2/3 этого объема приходится на Бразилию (сырье - сахарный тростник) и США (преимущественно кукуруза). Что касается Евросоюза, по сравнению с указанными странами производство биоэтанола относительно невелико (6-7 млн. м3 по различным данным). При этом 50-60 % биоэтанола производится из зерновых культур, остальное - из винограда или сахарной свеклы.

Биодизель, или биодизельное топливо (БДТ), признается практически чистым топливом для дизельных двигателей; получается он путем химической обработки растительного масла или животных жиров. Биодизель может служить добавкой к дизельному топливу (ДТ) или заменять его полностью.

Нередко биодизельное топливо считают новым топливом, что не соответствует действительности. Этот вид моторного топлива был разработан англичанами Даффи и Патриком еще в 1853 г. Только спустя сорок с лишним лет Рудольф Дизель изобрел свой двигатель, который работал на арахисовом масле. Солярка в то время стоила дешевле, поэтому и стала на много лет основным видом топлива для дизельных двигателей. К идее использования биодизельного топлива вернулись вновь только вначале 90-х годов прошлого века.

Из растительных масел можно получать собственно биотопливо или биологические добавки к нему, при этом могут вырабатываться из масел более чем 50 масличных культур. К ним относится, например, подсолнечник, рапс, соя, хлопок, лен, пальма, арахис и др.

В настоящее время самой распространенной биодизельной смесью в США считается В20 (80 % ДТ и 20 % БД): она позволяет удачно учесть требования, которые обусловлены особенностями ДТ, рабочими характеристиками двигателей, выбросами отработанных газов и стоимостью. Производство БДТ в Европе составляет в год около 13 млн. т, для чего потребовалось выделение под посевы рапса почти 10 млн. га земель (для справки: это территория всей Ростовской области).

Возможно использование биодизельных смесей с более высоким содержанием БДТ (типа В50 или даже В100), но это требует определенной модификации элементов двигателя и специальной подготовки системы управления. По результатам испытаний установлено, что В100 имеет наилучшие экологические характеристики, а В20 - обеспечивает в 5 раз меньше экологических позитивов, но зато может использоваться на существующих практически без модификации последних. Добавим, что БДТ содержит до 10 % кислорода, что обеспечивает активацию процесса сгорания.

В рамках ограничений, наложенных Киотским протоколом важным обстоятельством является существенное снижение выбросов диоксида углерода СО2 - основного парникового газа. Так, согласно данным лаборатории NREL(США), использование БДТ марки В100, полученного из бобов сои, в двигателях городских автобусов снижает выбросы СО2 на 78,5 %. Ученые Московского агроинженерного университета им. В.П. Горячкина установили, что при использовании смеси В50 выбросы оксидов азота сокращаются на 15-20 %, сажи - на 30-35, оксидов углерода и углеводородов - на 10-15 %.

Мировое производство биодизельного топлива стремительно растет: 2000 г. - 0,7 млн т, 2007 - почти 8 млн т, 2010 - более 10 млн т. Отметим при этом, что для получения 1 т БДТ требуется около 1 т растительного масла, выжатого из семян масличных культур.

Динамичное развитие биоэнергетики сопровождается ощутимыми экономическими позитивами. Согласно экспериментальным оценкам, рост потребления биотоплива на 1 % увеличивает число мест в сельском хозяйстве региона на 45-75 тыс. человек, а в целом по Евросоюзу планируемое развитие биоэнергетики приведет к созданию более 300 тыс. новых рабочих мест в основном в сельской местности, что, естественно, положительно отразится на состоянии сельского хозяйства.

Тем не менее, бурный рост производства и потребления транспортного биотоплива в последние 15-20 лет был вызван в первую очередь стремлением снизить риски отравлений отработавшими газами ДВС, уменьшить выбросы парниковых газов, предотвратить глобальное изменение климата.

Считается, что использование биологических видов топлива в целом благотворно влияет на экологическую ситуацию в мире:

- традиционные виды топлива для ДВС замещаются, хотя бы частично, биотопливом, что, в свою очередь, снижает ущерб от добычи нефти и газа;

- моторное биотопливо сокращает вредные выбросы ДВС в атмосферу, что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду и способствует выполнению требований Киотского протокола, направленных на снижение поступления диоксида углерода и других парниковых газов в атмосферу.

Как отражение этого, Директива по использованию БДТ (Европейский союз) и добровольное соглашение АСКА (Ассоциация разработчиков европейских автомобилей) установили допустимый максимальный уровень выбросов СО2, составляющий 140 г/км пробега автомобиля, который можно обеспечетить в первую очередь за счет применения биотоплива.

Однако ученые предупреждают, что бездумное использование биотоплива из пищевого сырья может привести к крайне негативным результатам. Действительно, в процессе прямого сжигания биотопливо более экологично, чем традиционное из нефти, а вот если брать в расчет весь цикл его получения (включая растительную стадию), то биотопливо оказывается не столь «благонадежным», а скорее - наоборот.

В результате исследований выяснилось, что от разрушения природных экосистем (ради освоения новых площадей для выращивания специальных «биотопливных» культур) атмосфера планеты в итоге получит больше вредных газов, чем при сохранении нынешнего положения. Ведь свободных земельных площадей, как правило, нет, следовательно, надо создавать новые, а для этого вырубать тропические леса, осваивать саванны и т.д. Необходимо поэтому оценить, во что обойдется человечеству широкое использование земель для получения растительного сырья для биотоплива.

Считалось, что растения в этом направлении использовать экологически выгоднее - они сначала накапливают СО2, а затем при сжигании или переработке высвобождают его, т.к.., якобы, соблюдается баланс по этому газу. Но ведь еще транспортные расходы, расходы на вспашку земель, освоение новых территорий, сбор урожая. Подсчитано, что в ходе, например, очистки заросшего травой участка для выращивания культур, из которых производят биотопливо, диоксида углерода будет выпущено в атмосферу в 93 раза больше, чем удастся сэкономить в год благодаря сжиганию самого биотоплива. Получается, что в течение 93 лет баланс будет нарушаться, и экологические минусы превышать плюсы. Это уже мнение известного ученого Джозефа Фарджионе из экологической организации «Нэйчер консерванси». Известно также, что в почве и растениях диоксида углерода содержится в 3 раза больше, чем в атмосфере. Дж. Фарджионе назвал это «углеродным долгом биотоплива». Уже появляются тому примеры. Так, в отдельных районах Индонезии выкорчевывают некоторые растения с целью высаживания на освободившейся территории пальм и последующего производства пальмового масла (сырья для биотоплива). Если это продолжать в течение 50 лет, диоксида углерода будет выделяться в 50 раз больше, чем составит «экономия» в течение года. Согласно расчетам, на восстановление прежнего состояния (с позиции выбросов парниковых газов) потребуется 400 лет.

Группа ученых из США и Европы изучала работу ДВС на биотопливе, сделанном из кукурузы и рапса. И оказалось, что с учетом вышеизложенного, такие двигатели загрязняют атмосферу гораздо сильнее, чем обычные бензиновые и дизельные. Ученые призывают правительства всех стран, особенно США и Евросоюза, которые приняли амбициозные программы по переходу на биотопливо, задуматься над этой проблемой. Ведь в настоящее время именно из кукурузы и рапса производится наибольшее количество биотоплива. Тем не менее, в странах Евросоюза и США реализуется программа по существенному увеличению доли использования биотоплива на транспорте. Так, в Европе этот показатель уже в 2010 г. составил почти 6 %. Из бюджета Евросоюза на развитие биоэнергетики за период 2007-2013 г.г. было выделено около 2 млрд евро. США планируют двести долю биотоплива на транспорте к 2022 г. до 15 %. И есть уверенность в том, что этот рубеж будет достигнут. Сообщается, что в этой стране строятся 62 завода по производству биоэтанола. Согласно расчетам специалистов, если в ближайшее время хотя бы 80 % этих предприятий заработают на полную мощность, то потребное для получения на них автомобильного биотоплива количество зерна возрастет до примерно 110 млн т - это почти треть от всего урожая зерна в США. Конечно, ничего удивительного нет в том, что эта богатая страна, тем более рыночная, ищет пути более выгодного для себя вложения капитала, каковым в данном случае являются излишки зерновых. Как говорится, ничего личного, только бизнес.

Однако проблему, на этот раз не эколого-экономическую, а социальную, обусловленную увеличением производства жидкого биотоплива, необходимо осмыслить и, по возможности, решить.

В кругах политиков, бизнесменов, ученых, в средствах массовой информации начал активно обсуждаться вопрос: как лучше использовать урожаи зерновых и масличных культур - для выработки транспортного биотоплива (ради решения экологических проблем всего в развитых и наиболее богатых странах мира) или для производства продуктов питания в целях снятия, хотя бы частично, проблемы голода, обостряющейся в бедных странах? И этот спор представляет собой отнюдь не академический интерес, он перешел из сферы эколого-экономических отношений стран с различным уровнем жизни, в сферу морально-этических отношений, добавляющую еще одно противоречие в развитии современной цивилизации и могущее определить судьбу значительной части человечества.

Для того чтобы разобраться с этой проблемой, проникнуться ее трагизмом и в то же время надеждами на лучшее будущее, сформировать свое личное мнение, необходимо рассмотреть т.н. вызовы, с которыми столкнулось человечество на современном этапе своего развития.

1. Демографический взрыв. Еще в 1980 г. население Земли составляло 4,5 млрд. человек. Сейчас оно достигло 7 млрд., увеличиваясь каждый год на 80 млн. человек. Если в XIX веке в основном росло население Европы, России, Соединенных Штатов Америки, то последние десятилетия темпы роста населения планеты определяются государствами Азии, Африки, Латинской Америки. В целом население этих регионов на данный момент уже превышает 2/3 от мирового и, подчеркиваем при этом, оно всегда относилось к беднейшей части населения планеты.

2. Продовольственная проблема. Биологической продукции Биосферы, используемой в качестве пищи, катастрофически не хватает, дефицит оценивается цифрой в пределах 80-100 млн т. При этом распределение и потребление пищевых продуктов среди стран мира чрезвычайно неравномерно. Как следствие, потребление пищи на одного человека в странах «золотого миллиарда» (США, Англия, Германия и некоторые другие) в 4 раза с лишним больше, чем в развивающихся. Ожидается, что в 2025 г. число хронически голодающих может превысить 1 млрд. человек.

В рамках особенностей современной продовольственной проблемы следует выделить следующие тенденции, могущие ее обострить:

- производство продуктов питания, прежде всего зерна, в мире медленно, но растет, а цены неуклонно, но относительно быстро поднимаются. Тем самым доступность пищи, особенно калорийной, снижается. Эта тенденция особенно характерна для бедных стран;

- в наиболее динамично развивающихся и в то же время густонаселенных странах: Китай (более 1,3 млрд. человек) и Индии (1,2 млрд.) с ростом жизненного уровня происходит изменение рациона питания населения от преимущественно растительной пищи к мясной. Как следствие, за последние 25 лет потребление мяса удвоилось. А чтобы получить 1 кг свинины нужно 3 кг корма (в пересчете на сухое вещество), для говядины это соотношение уже 1:7. Не забудем упомянуть и воду: чтобы вырастить 1 кг кормовой кукурузы требуется почти 1000 л воды. Отметим при этом, что вода надлежащего качества во многих регионах стала дефицитной; из-за обладания ею возникают конфликты, вплоть до военных;

- сокращаются площади сельскохозяйственных земель из-за расширения поселений, строительства заводов и т.п. В одном Китае за последнее десятилетие изъято из оборота 8 млн. га пашни, а ведь территория этой страны намного меньше России, зато население нашего соседа в 10 раз больше;

- сельское хозяйство в ряде стран (особенно развитых) стало активно участвовать в энергообеспечении населения и промышленности. По оценкам Минсельхоза США, в стране в 2007/2008 экономическом году примерно 86 млн. т зерновых переработаны в биоэтанол, что больше всего урожая зерновых в России в 2013 г.;

- переход большого количества пищевого сырья (в данном случае зерна) в разряд «топливного» и соответственно снижение его количества, идущего на пищевые цели, в условиях рыночных отношений, в отсутствии государственного регулирования, взвинтили цены на продукты питания. Следовательно, нарастание производства этанола из зерновых культур обостряет и без того напряженное положение в мире с обеспечением продовольствием;

- производство биотоплива из сельскохозяйственной продукции особенно активно стали развивать самые густонаселенные страны мира (Китай, Индия), у которых, между тем, до сих пор существуют серьезные проблемы с обеспечением продовольствием своего населения. Более того, правительства указанных стран начали усиленно стимулировать крестьян на выращивание «топливных» культур. По данным газетных публикаций, объем производства биотоплива в Китае составил в 2010 г. 0,2 млн. т, но планируется к 2020 г. произвести его 2 млн. т. Одна из причин этого - биотопливо (особенно биоэтанол) хорошо оплачиваемый экспортный товар;

- во многих странах Евросоюза, США и др. созданы избыточные мощности по производству биоэтанола и биодизеля, они нуждаются в растительном сырье, а оно дорожает. С другой стороны, фермеры этих стран экономически заинтересованы в направлении своей продукции на производство биотоплива: по оценке европейских экспертов рост потребления биотоплива на 1 % увеличивает число рабочих мест в сельском хозяйстве на 45-75 тыс. человек и гарантирует устойчивые доходы.

Вышеизложенные факты вызывают обоснованные опасения, что стимулирование производства и чрезмерное потребление биотоплива создаст в перспективе серьезные социальные проблемы, усилит трение между богатыми и бедными странами. Однако звучат голоса и оптимистов, которые призывают не заострять проблему, так как, по их мнению, у биотопливного бизнеса, основанного на нынешнем сельскохозяйственном сырье, есть физические пределы расширения. Согласно их расчетам, производство биотоплива в мире в ближайшие 10-15 лет увеличится максимум на 70 млн. т, а общие потребности человечества в энергоносителях возрастут на 3 млрд. т по нефтяному эквиваленту.

Чтобы снизить негативное воздействие развития биэнергетики на напряженность в аграрном рынке, не допустить чрезмерного повышения цен на продовольствие, необходимо четко определиться: какое сельскохозяйственное сырье (в естественном и переработанном виде) требуется для надлежащего обеспечения человечества питанием? И только производимая сверх данного объема, т.е. избыточная пищевая биомасса может быть использована для энергетических (биотопливо) и технических целей.

Эксперты из различных стран считают: если ученые и технологи, объединив усилия с бизнесменами, предложат экономичный способ производства биоэтанола и биодизеля из целлюлозы и другой непищевой биомассы, то возникший антагонизм между потребностями в экологическом биотопливе и продовольствии можно будет устранить. Пока такой технологии нет, следует развивать усилия в следующих направлениях:

- значительно расширить потенциал неиспользуемых сельхозугодий в Южной Америке, Африке, странах бывшего СССР. Естественно, что ввод этих площадей в сельхозоборот с целью выращивания «топливных» культур надо рассмотреть не только с социально-экономических, но и экологических позиций, имея в виду и интересы сопредельных государств;

- повышать урожайность «топливных» культур, используя для этого достижения селекции и генетики модифицированных растений (конечно, если исключается возможность употребления их в пищу);

- максимальное использование всевозможных растительных, животных и иных отходов. Очевидно, что производство, например, биогаза из твердого навоза и навозной жижи, соломы, шелухи и т.п. никоим образом не оказывает влияния на рынок продовольствия, его стоимость.

Важно добавить к вышеизложенному, что, как следует из проведенных испытаний, самые лучшие экологические показатели у тех видов топлива, которые получены из переработанного мусора или использованного растительного масла. Поэтому биотопливо, производимое из отходов и щелочных целлюлозных растительных материалов, может считаться наиболее способствующим снижению отрицательного влияния на климатические изменения на планете по сравнению с другими видами биотоплива. В некоторых странах, кроме пищевых отходов, собирают и отходы растительных масел, устанавливая специальные контейнеры, чаще всего около ресторанов, кафе, столовых.

Употребление использованных упаковочных материалов и промышленных отходов в производстве биоэтанола и энергии (тепловой и электрической) вызывает существенно меньшее выделение парниковых газов, чем открытое хранение этих отходов на свалке. Кроме того, использование отходов стимулирует употребление вторичных материалов, что соответствует принципам экологически устойчивого развития экономики.

В аспекте рассматриваемой проблемы ряд экспертов (Биоэнергетика, 2008 г.) считают, что у России имеются огромные возможности для производства биотоплива и последующей поставки его на внешние и внутренние рынки. Прежде всего, это почти 20 млн. га неиспользуемой пашни, образовавшихся в результате неудачной попытки реформирования сельского хозяйства. Производство, например, рапса можно увеличить в несколько раз и далее перерабатывать его в биодизель.

Развивающуюся в российском селе безработицу можно ограничить, если учесть, что создать рабочее место в биоэнергетике в 20 раз дешевле, чем в нефтепереработке; в 4 раза здесь дешевле и производственные мощности. Подсчитано, что замена только 5 % нефтяного моторного топлива биотопливом повысит валовой внутренний продукт страны на 100 млн. руб. Вполне возможно также наладить взаимовыгодные торговые отношения с развитыми и в то же время экологически «озабоченными» странами Запада: мы им поставляем биотопливо, а они нам - передовые технологии и заводы по его производству. Тогда россиянам достанется и валюта, и топливо. А там, глядишь, через некоторое время из своих миллиардов тонн сельскохозяйственных и иных отходов начнем крупномасштабно производить биотопливо в интересах экологии, экономики и, конечно, здоровья населения. В качестве заключения: читателей, которых не оставили равнодушными указанные проблемы, авторы отсылают к прекрасной книге: Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008 (Л.С. Орсик, Н.Т. Сорокин, В.Ф. Федоренко, Д.С. Буклагин, Н.П. Мишуров, В.С. Тихонравов).

моторное биотопливо

Библиографический список

1. Деректива Европейского парламента и Совета Европейского союза от 8 мая 2003 г. № 30 «О мерах по стимулированию использования биологического топлива и других видов возобновляемого топлива в транспортном секторе» (OJ 2003 L 123/42) - 13 с.

2. БИО-2020. Программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 г. (Проект 17 августа 2011 года) - М., 2011. - 93 с.

3. RENEWABLES 2012 GLOBAL STATUS REPORT // Renewables Energy Policy Network for the 21st Century. REN21 c/o UNEP 15, Rue de Milan, 2012. - 171 с. - www.ren21.net

4. Биоэнергетика - альтернативное моторное топливо. Информационный сборник// Министерство сельского хозяйства РФ, Департамент мелиорации, ФГНУ ЦНТИ «Мелиоводинформ» - М., 2007. - 250 с.

5. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Научный аналитический обзор (Министерство сельского хозяйства Российской Федерации) / под ред. В.В. Ананьева, И.С. Горячева, В.И. Сидорова, М: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - 202 с.

6. «ВП-П8-2322. Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года» (утв. Правительством РФ 24.04.2012 N 1853п-П8)

Размещено на Allbest.ru