В статье рассмотрены перспективы производства и использования биотоплива и его видов в мире и в Казахстане. Высказано мнение, что в Казахстане необходимо наладить его производство, так как для этого существуют все возможности. При переработке и очистке зерна образуется огромное количество отходов, которое можно использовать для получения биотоплива.
Ученых всего мира беспокоит проблема истощения запасов ископаемого топлива, изменчивость цен на энергоносители. Современное состояние энергетики характеризуется дефицитом и загрязнением окружающей среды вредными отходами разных производств. В связи с этим в последние годы многие страны обращают большое внимание на возобновляемые источники энергии, в т.ч. на биотопливо. Стратегия развития энергетических комплексов многих стран мира связана с использованием новых нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, что является реальным путем для успешного решения проблемы энергоснабжения и сохранения окружающей среды. Такие направления энергообеспечения интенсивно развиваются в развитых странах мира.
С 2003 г. в мире наблюдается устойчивый рост производства и потребления биотоплива, обусловленный увеличением цен на нефть, стремлением повысить энергетическую безопасность, сократить выработку парниковых газов. В 2007 г. в мире было произведено 75 млн т жидкого моторного биотоплива, основная доля которого пришлась на США, Бразилию и страны ЕС. Таким образом, многие страны Северной, Южной Америки, Европы значительно увеличили долю биотоплива в своем общем энергетическом балансе. Например, в 2010 г. доля биотоплива в общем энергетическом балансе в США и ЕС составляла примерно 4%, тогда как доля биотоплива в Бразилии достигла максимального уровня, равного примерно 25% [1]. Таким образом, именно масштабное его производство во многом обеспечило высокую и устойчивую рентабельность агробизнеса Бразилии, производившего биотопливо из сахарного тростника. Подробнее рассмотрим химическую природу биотоплива и его видов. Биотопливо – это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Различают жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир, биодизель), твердое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород). Жидкое биотопливо – это моторное топливо из возобновляемого сырья, получаемое из семян рапса, кукурузы, сои, пшеницы и отходов их переработки и органических веществ животного происхождения. Годовое использование биомассы в мире эквивалентно потреблению 1 мрлд т нефти и сравнимо с уровнем потребления природного газа и угля. По видам исходного сырья – жидкое биотопливо первого поколения изготавливается из пищевого сельскохозяйственного сырья, второго поколения – из непищевого природного сырья и третьего поколения – из водорослей и других продуктов [2].
Биоэтанол является менее плотным источником энергии, чем бензин. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85% этанола и 15% бензина) на единицу объема топлива составляет примерно 75% от пробега стандартных машин. Биоэтанол является лидером производства и потребления на рынке жидкого биотоплива, поскольку затраты на его производство могут сокращаться быстрее, чем на производство биодизельного топлива. Экономическую эффективность использования биоэтанола иллюстрируют данные, приведенные в таблице 1.
Сравнительная себестоимость биоэтанола и цены бензина в различных странах (2007-2008 гг.), долл/л
Из стран СНГ впервые в Казахстане был построен завод по производству биоэтанола в 2006 г. Правительство рассматривало завод «Биохим» с годовой мощностью 57 тыс. т как инновационный проект, на который Банком развития Казахстана был выделен кредит в сумме 60 млн долл. США. Была предусмотрена глубокая переработка пшеницы в муку и биоэтанол с промежуточной стадией извлечения сухой клейковины, а также производство кормовых дрожжей и диоксида углерода. К сожалению, резкий рост цен на зерно со 100 до 300 долл. за т поставил под угрозу существование зарождающегося производства биоэтанола в регионе. В Казахстане быстро растущие цены, а также низкий спрос на продукцию из-за неосведомленности большей части населения, способствовали банкротству разрекламированного завода «Биохим», который был единственным национальным производителем биоэтанола. Сравнительно высокая стоимость производства и возрастающая рыночная стоимость зерна ограничивают распространение биоэтанола. Если рыночная цена на зерно будет продолжать увеличиваться, то его использование в качестве сырья для производства биоэтанола будет экономически невыгодно. Тем не менее, в России группа российских компаний «Титан» начала строительство завода по выпуску биоэтанола в Омской области. В краткосрочной перспективе ожидаются изменения законодательства в отношении биоэтанола. Принимается полный перечень законодательных актов для того, чтобы этанол стал отдельным продуктом именно как топливная составляющая. На государственном уровне разрабатываются стандарты бензинов с добавлением биоэтанола.
Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. В этой стране 50% внутреннего спроса на жидкое топливо удовлетворяется за счет биоэтанола. К 2008 г. 4,5 млн транспортных средств работали полностью на этаноле, остальные 17 млн использовали в качестве топлива смесь этанола с бензином. Пять из шести бразильских АЗС продают чистый этанол (Е100). Экономия Бразилии на импорте нефтепродуктов за 1975-2008 гг. составила более 65 млрд долл. В 2008 г. объем производства биоэтанола в Бразилии возрос на 22,6% по сравнению с 2007 г. и составил 24,5 млрд литров. В течении следующих пяти лет в Бразилии планируется построить 77 новых заводов по производству этанола общей стоимостью 14 млрд долл.
Предполагается, что в течение ближайших двух десятилетий жидкое биотопливо заместит на внутреннем транспортном рынке США 25% бензина и 8% дизеля. В 2030 г. производство жидкого биотоплива в США увеличится в 4 раза и достигнет 2,3 млн баррелей в сутки. Число заводов по производству биоэтанола в США постоянно увеличивается. Если в 1999 г. их было всего 50, то сейчас действуют 194 завода. При этом за один 2007 г. их число увеличилось на 24. Еще 28 заводов общей производительностью 7,8 млрд литров в год находятся на стадии строительства. Даже финансовый кризис, начавшийся в США в этот период, не повлиял на реализацию биотопливных программ. При этом собственники 21,8% заводов – фермеры.
Действующие мощности по производству биоэтанола в ЕС составляют более 3,5 млрд литров в год. В ближайшие три года объем производственных мощностей может быть увеличен до 6,5 млрд литров в год. Согласно оптимистическому прогнозу, ожидаемый объем потребления биоэтанола в ЕС в 2020 г. может составить 10 млрд литров, а совокупный среднегодовой темп роста рынка биоэтанола в ЕС с 2008 г. по 2020 г. достигнет 8,7% [3].
В 2008 г. в Китае произвели 1,9 млрд литров биоэтанола, прирост производства составил 15%, доля в мировом объеме производства биоэтанола всего 2,9%. Первые партии биоэтанола были выпущены в этой стране лишь в конце 2003 г., но всего за три года Китай сумел войти в четверку крупнейших производителей топливного этанола в мире. К 2016 г. прогнозируется увеличение производства этанола в Китае, в основном из кукурузы, до 3,5 млрд литров.
Биобутанол – бутиловый спирт, также является одной из разновидностью биотоплива. Это бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд литров биобутанола приблизительно на 1,4 млрд долларов. Бутанол не обладает коррозийными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, а в будущем и целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана компанией «DuPont Biofuels». Компании «Associated British Foods» строят в Великобритании завод по производству биобутанола мошностью 20 000 литров в год из различного сырья [1].
У нас в Казахстане из остатков переработки свеклы на сахарных заводах, пшеницы на КПХ, кукурузы можно было бы к основному производству включительно также наладить производство биобутанола.
Диметиловый эфир может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем у бензина. В июле 2006 г. Национальная комиссия развития и реформ в Китае приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие производства диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн т диметилового эфира в год. Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире, разрабатывают Kamaz, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor [1].
Биодизель – следующая важная разновидность биотоплива. Он изготавливается из растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Биодизель применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля служат масла различных растений или водорослей. В Европе его получают преимущественно из рапса, в США из сои, в Канаде из канолы, в Индонезии из пальмового масла, в Филиппинах – из кокосового масла. Для производства биодизеля могут применяться также отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир. Европейской организацией стандартов для биодизеля разработан стандарт ЕN14214. Этот стандарт допускает содержание 5% биодизеля в минеральном дизеле. В некоторых странах (например, во Франции) все дизтопливо содержит 5% биодизеля. Производство биодизеля в ЕС увеличилось с 5,6 млн л. в 2006 г. до 7,7 млн л. в 2008 г., хотя темп ежегодного прироста на протяжении ряда лет падает. В США был создан Национальный биодизельный комитет, одна из функций которого – способствовать развитию отрасли, а также была сохранена значительная часть льгот по биодизелю. Производство биодизеля в США из основных растительных масел в 2008 г. осуществлялось на 173 предприятиях и составило 700 млн гал., что в 10 раз больше, чем в 2005 г.
Лидер производства биодизеля в Южной Америке – Аргентина, которая на текущий момент располагает мощностями по производству 1,4 млн т. биодизеля в год. Основное сырье для производства биодизеля в этой стране – соевое масло, а основной покупатель аргентинского биотоплива – Европа. Таким образом, Аргентина к 2010 г. стала третьим крупнейшим мировым производителем биодизеля.
Для большинства стран Азии развитие производства биодизеля стало одним из ключевых факторов укрепления мировых цен и роста объемов производства пальмового масла. Сама эта отрасль для большинства стран Азии превратилась в стратегически важную и экспортно ориентированную отрасль. Суммарные мощности по производству данной продукции в странах Азии, в основном из пальмового масла, составляют 5 млн т. Большая часть мощностей расположена в Малайзии и Индонезии [2]. Следующей ступенью переработки биологического сырья, предполагающей использование та- ких сырьевых источников, как древесная масса, лигноцеллюлозные соединения, отходы некоторых производств пищевой промышленности, является производство биотоплива второго поколения. Пока рынок биотоплива второго поколения не развит и носит зачаточный характер. Наиболее известные в мире единичные производства BioOil канадской компании «Dynamotive» и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH [1].
В США разработка топлива второго поколения существенно продвинулась благодаря значительному финансированию. Актом об энергетической независимости и безопасности США предусматривается, что к 2022 г. более половины производства биотоплива должно приходиться на его новые виды, причем выпуск так называемого целлюлозного топлива (из дерева, травы и несъедобных частей сельскохозяйственных растений) должен достичь в 2015 г. 3 млрд галл., а в 2022 г. – 16 млрд галл.
Биогаз – следующая разновидность биотоплива и представляет собой продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метагенов.
В настоящее время отрасль биогаза в Казахстане является практически не развитой, хотя при имеющемся у Казахстана потенциале биогаз вполне может частично, а в некоторых регионах и полностью, заменить потребление энергии, получаемой из традиционных энергоносителей. В целом перспективы развития производства и использования биогаза в республике существуют. Этому способствуют большие объемы органического сырья, простота технологии получения и использования биогаза, а также тот потенциал, который предоставляет биогаз при замене им традиционных источников энергии для выработки электричества и тепла. В качестве исходного сырья для выработки биогаза прежде всего выступают органические отходы сельского хозяйства страны, которые в настоящее время никак не используются, за исключением малой части, которая идет на удобрения. Помимо этого также можно использовать ресурсы полигонов ТБО, очистку сточных вод, что позволит создать в стране мощную биогазовую индустрию. В любом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество навоза, ботвы растений, различных отходов. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Однако мало кто знает, какое количество биогаза и тепла выделяется при ферментации. А ведь эта энергия тоже может сослужить хорошую службу сельским жителям. 15 м³ биогаза в сутки обеспечивают потребности по отоплению, горячему водоснабжению семьи из 4-5 человек в доме площадью 60 м².
По оценкам и литературным данным [1] в Казахстане годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов по сухому весу – 22,1 млн т может дать 8,6 млрд м³ газа. Из растительных остатков – 17,7 млн т можно получить 8,9 млрд м³ газа. Все это в совокупности эквивалентно 14-15 млн т условного топлива, или 12,4 млн т мазута, или более половины объема добываемой нефти (табл. 2 и 3).
Годовой выход животноводческих и птицеводческих отходов в Казахстане
Годовой выход растительных остатков в Казахстане
Таким образом, из 1 т сухого вещества отходов можно получить около 500-700 кг удобрений и 400 м³ биогаза. По анализу данных утилизаций сельскохозяйственных отходов в Казахстане можно получить из 39,8 млн т отходов – 17,5 млрд м³ биогаза и 25,65 млн т экологически чистых биоудобрений. Брикетный навоз может использоваться как топливо для автотранспорта и сельхозтехники в сельской местности.
Среднегодовой выход биогаза и удобрений в Казахстане
По теплотворной способности 1м³ биогаза эквивалентен 0,7 м³ природного газа, 0,643 л или 0,566 кг дизельного топлива, 0,856 кг условного топлива. При средней величине выхода биогаза 65 м³/ч суточное производство составит 1560 м³, годовое 569400 м³ [1].
Один кубометр биогаза эквивалентен 0,4 л. керосина, 1,6 кг угля, 0,4 кг бутана, 2,5 кг навозных брикетов, поэтому биогаз, полученный путем переработки отходов сельского хозяйства может использоваться как носитель энергии в качестве керосина, угля, бутана и навозных брикетов и покрывают сельскохозяйственные затраты на них. Кроме того, если использовать биогаз для производства электроэнергии, себестоимость ее оказывается всего 0,025-0,075 долл. за кВт/ч, в то время как электроэнергия от традиционных источников обходится в 0,1-0,15 долл. за кВт/ч, таким образом, биогаз в 2-4 раза экономичнее. К таким выводам пришли сотрудники НПО «Экомузей» Караганды, успешно осуществившие проект по получению биогаза из органических отходов. Также в Казахстане разработкой биогазовых установок занимается Казахский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства. ТОО КазНИИЭСХ разработал биореактор БУ-5 с рабочим объемом 5 м³, с газгольдером объемом 5м³, загрузочным ковшом-дозатором, теплообменником, топливным котлом с автоматической газовой горелкой. Они занимаются монтированием установок в хозяйствах Актюбинской и Алматинской областей [1].
Иными словами, биогазовые технологии – это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.
Рост потребления биотоплива может способствовать дальнейшей диверсификации экономики страны. Производство биотоплива позволит создать новые рабочие места, снизить зависимость от нефти. Кроме этого, производство биотоплива позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. С 1 апреля 2011 года на более чем 300 шведских заправочных станциях можно приобрести новый дизель. Швеция стала первой страной в мире, где можно заправлять машины эко-дизелем, сделанным на основе масла шведских сосен.
В Казахстане использование биотоплива может дать ощутимый экономический эффект за счет себестоимости тепловой и даже электрической энергии. Также это может способствовать повышению рентабельности сельского хозяйства и привлечению инвестиций в страну.
На наш взгляд, необходимо разработать и реализовать программы развития биоэнергетики в АПК, обеспечивающие снижение зависимости от централизованного энергоснабжения, сокращение потребления традиционно закупаемых видов топлива – нефти, угля и э/энергии за счет широкого использования собственных энергоресурсов – биомассы, растительных и древесных отходов, растительных масел, внедрения новых энергоэффективных технологий, сооружения децентрализованных автономных систем с выработкой тепловой и электрической энергии. Следует учесть одну из существенных особенностей Казахстана – масштабное производство и переработку зерна. При промышленной переработке и очистке зерна значительная часть идет в отходы. В этой сфере формируется отличный источник сырья для получения биотоплива. Думаю, именно этому направлению производства биотоплива следует уделять особое внимание.
ЛИТЕРАТУРА
- Интернет-портал сообщества ТЭК [электронный ресурс] // www.Energyland.info
- Пащенко А. Перспективы рынка жидкого биотоплива // АПК: экономика, управление. – – №4. – С. 46-51.
- РосбизнесКонсалтинг. Департамент Консалтинга. Рынок биотоплива: биотопливо, биодизель, биогаз, пеллеты / Аналитический обзор. – М., – С. 85-96.