Альтернативные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные источники энергии

Введение

Сколько нефти и газа осталось в земных недрах? По оценкам, запасов хватит всего на несколько десятилетий. Между тем к концу XXI столетия энергопотребление на планете возрастет еще в 400 раз. Человечеству, создавшему цивилизацию на углеводородах, чтобы не оказаться у разбитого корыта, потребуются новые источники энергии. Какие - в точности сказать трудно. В конце XIX века считалось, что энергетика будет развиваться за счет угля, торфа, дров и хвороста. Сегодня этот прогноз смешон. Перенестись в будущее трудно, но не пытаться сделать это преступно перед будущим, которое формируется сегодня. На основе оценок экспертов мы решили рассказать о тех источниках энергии, которые имеют перспективу и являются альтернативными нефти и газу.

Космос

Больше всего энергии выделяется при контакте материи и антиматерии. Происходит аннигиляция - взаимное уничтожение равных масс с выделением колоссальной энергии по формуле Эйнштейна E=mc2, самому знаменитому уравнению всех времен и народов. Аннигиляция привела к созданию Вселенной. Вот бы человеку такой источник - почище вечного двигателя! В 200 кг антиматерии содержится столько энергии, сколько человечество потребляет за год. Но производить антиматерию на Земле нелепо. 1 грамм антиматерии, полученный в лучших ускорителях, стоил бы $60 трлн., то есть больше, чем мировой валовой продукт за год. Чтобы игра стоила свеч, надо снизить себестоимость антиматерии в 60 млн. раз.

Но антиматерию можно найти в ближнем космосе. По некоторым гипотезам, из антиматерии состоят кометы. Может быть, Тунгусский метеорит не оставил фрагментов, но привел при падении на Землю к огромному тепловыделению именно из-за того, что нес антиматерию. НАСА открыл финансирование проекта по улавливанию антиматерии многокилометровыми ловушками на орбите. В земных ловушках научились удерживать десятки миллионов антипротонов в течение недели. Уже разработан проект космического корабля, где в двигателе происходит аннигиляция материи и термоядерный синтез.

Кто знает, может быть, в будущем, антиматерию будут отмывать в космосе, подобно золотым самородкам на Колыме, и доставлять на Землю. В пределах орбиты Сатурна рассеяны десятки килограммов антиматерии. Была золотая лихорадка - настанет антилихорадка.

Орбита

Трудно добиться значительного прироста мощности, если не опереться на внеземные ресурсы. Сегодня это фантастика, но как иначе избежать не только энергетического кризиса, но и экологической катастрофы? По всем законам, тепловыделение и загрязнение окружающей среды неизбежны при любом способе добычи энергии, и ради жизни на Земле генерацию энергии лучше вывести за ее пределы.

Что если собирать Солнце прямо на орбите еще до земной атмосферы, которая поглощает и рассеивает свет? При установке зеркала размером 10х10 км на геостационарной орбите 36 тысяч км дневной свет прольется на район Земли размером 400х400 км с освещенностью, как ясным зимним днем в Москве. Солнечную энергию можно использовать для подогрева и производства электроэнергии. В 1960-х годах в СССР были созданы проекты орбитальных электростанций, сейчас эту идею развивают в НАСА, где создано уже несколько вариантов - например, "Солнечная башня" на высокотемпературных сверхпроводниках. Чтобы снизить электромагнитное влияние на атмосферу, можно передавать энергию по высоковольтному кабелю с центром масс на стационарной орбите - проект является составной частью крупного "Космического лифта". Можно также воспользоваться высокочастотным или лазерным излучением. В первом случае луч беспрепятственно проходит через грозовые тучи, во втором - отличается узким пучком и малыми антеннами. Говорить о КПД рано, поскольку прогресс в электронике обгоняет все прогнозы.

Солнце

Солнечная энергетика построена на фотопреобразовании световой энергии в электричество и экономически пока невыгодна. Оправдано использование солнечных батарей только на космических аппаратах - на МКС их площадь достигает 4 тысяч кв. м. На производство батареи надо затратить больше энергии, чем она способна произвести за срок службы. Основным материалом является кремний с чистотой 99,99%, который стоит 40$/кг, фотопреобразователи имеют КПД всего 17%. Себестоимость более 40 центов/ кВт-час при средней себестоимости электроэнергии 2 цента/ кВт-час. Солнечная энергетика подвержена суточным, сезонным и погодным колебаниям.

В России активным лоббистом солнечной энергетики является Нобелевский лауреат Жорес Алферов, который как депутат Госдумы предпринимает усилия для принятия Закона о ее поддержке. "К 2020 году суммарная мощность всех солнечных станций может достичь 140 Гвт - это нынешняя мощность всех электростанций в России, - говорит академик Алферов. - КПД фотопреобразователей мы сможем поднять до 50%. Это столбовой путь развития энергетики".

Всего в мире на солнечных станциях производится около 1 300 МВт электроэнергии. Это мощность одного атомного реактора. Лидер - Япония, на которую приходится более половины солнечной энергетики мира. Далее следуют Германия и США. Но даже в солнечном Израиле для подогрева плавательного бассейна на территории Института имени Вейсмана потребовались солнечные отражатели размером с футбольное поле.

В СССР работала экспериментальная солнечная станция в Крыму, но сейчас она пришла в запустение. Строительство станции под Кисловодском заморожено. Опыт использования солнечной энергии для горячего водоснабжения курортов в Краснодарском крае забыт. Качественные фотодиоды Россия продает в Германию и в Испанию, но внутри страны спроса на них нет.

Ветер

Достоинства ветряков - низкие эксплутационные затраты и экологичность, если закрыть глаза на шум, нестерпимый для многих животных и птиц. Недостаток - дороговизна. Самая крупная в мире станция всего в 5 МВт на севере Германии имеет высоту 183 м, на мачту ушло 180 т стали, на фундамент - 1,3 тыс. куб. м бетона. Себестоимость энергии - 10 центов/ кВт-час. В последнее время цена ветряков снижается, и в районах с развитой инфраструктурой они конкурируют со станциями на газе.

В России неисчерпаемые ресурсы ветровой энергии, но главная проблема не техническая, а психологическая, - говорит президент Европейской ассоциации ветряной энергетики Кристиан Кьяер. - Нужно включить эту область в единую энергосистему.

В мире на ветре производится не более 1% электроэнергии. Но это безусловный лидер среди возобновляемых источников. В мире бум ветряной энергетики. Общая мощность - 75 тыс. МВт. Лидеры - Германия (20 тыс. МВт), Испания, США, Индия. Но по относительной важности нет равных Дании - 20% электроэнергии. В Англии показатели выросли на 47%. В Польше, Литве, Венгрии - в 3 раза.

В России этот вид энергетики остается экзотичным - 0,01% в общем балансе. В Калмыкии в 1995 году построен блок мощностью 1 МВт. В Калининградской области сооружается первый российский ветропарк.

Земля

С древнейших времен вулканы наводили ужас. Но горячие подземные источники можно обернуть для выработки тепловой и электрической энергии. Впервые геотермальная станция была построена в Италии 100 лет назад. Потом подключились Мексика, Новая Зеландия, Долина гейзеров в США. В Рейкьявике геотермальная отопительная система обслуживает 100 тысяч жителей. Энергия вулканов используется в 62 странах, суммарная мощность станций - 19 300 Мвт.

Доля России на мировом геотермальном рынке заметна - 10%. Сейчас на Камчатке работают 3 геотермальные станции мощностью 70 Мвт, они обеспечивают 25% потребностей региона. Перспективны Краснодарский край, Северный Кавказ, Калининградская область.

Геотермальные станции - источник дешевой энергии, - говорит директор Института вулканологии РАН Евгений Гордеев. - Ресурсы одной только Камчатки оцениваются в 5 тысяч МВт, что позволяет обеспечить регион теплом и электроэнергией в течение 100 лет.

Но для крупных регионов и промышленных центров геотермальные источники вряд ли найдут широкое применение. Они расположены в труднодоступных районах, к тому же температура газа на рабочих лопатках турбин невысока - ниже 200 градусов. Впрочем, Россия владеет технологией производства турбин на атомных лодках, где этот параметр тоже невысок. Кстати, в Москве, которая никогда не видела вулканов, на улице Анохина есть два дома, которые снабжаются теплом из глубокой 30-метровой скважины.

Океан

Первые приливные мельницы были построены на берегах Бретани в XI веке и на русском Беломорье в XVII веке. Строгая периодичность приливов и отливов занимала Ньютона, который выявил зависимость силы приливов от циклов лунного месяца. Связь приливов и положения Земли, Луны и Солнца изучал создатель температурной шкалы лорд Кельвин. Но долго использованию приливных станций мешала малая плотность напора воды, а также то, что высота прилива максимальна в полночь, когда потребление энергии минимально.

Первая в мире ПЭС построена во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, в 1966 году. В 1968 году во многом благодаря поддержке "Известий" в СССР в Кислой губе на Белом море была построена приливная станция мощностью 600 кВт, которая недавно была оборудована уникальными турбинами, работающими и при приливе, и при отливе. Станция в Кислой губе награждена золотой медалью на Всемирной выставке "ЭКСПО" в Японии, а сам метод получил название "российского" и используется при строительстве платформ для глубоководной добычи нефти. Небольшие приливные станции построены также в Канаде и в Китае.

В России готовы еще 3 проекта приливных станций. Один - в Белом море и два - в Охотском. В Мезенской губе сосредоточены оосновные запасы приливной энергии европейской части России, высота приливов достигает 10 метров. Проектная мощность станции 8 тысяч МВт, на ней будут установлены не традиционные прямоточные турбины, а новые ортогональные, которые разработаны в России и позволяют собирать" энергию во время и приливов, и отливов. В Пенжинской губе, где самые высокие приливы в мире доходят до 17 метров, станция мощностью 20 тысяч МВт может обеспечить весь Магадан. Россия располагает потенциальным ресурсом приливной энергии, соизмеримым с общим количеством энергии, которое вырабатывается и используется в стране. По мнению главы РАО "ЕЭС Россия" Анатолия Чубайса доля приливной энергии может составить в будущем до 25% всей вырабатываемой в России электроэнергии. И в будущем Россия может стать экспортером технологий строительства приливных станций. Российская школа приливной энергии считается передовой в мире, и в нашей стране этому источнику экологически чистой энергии уделяется повышенное внимание.

В мире есть и другие экзотические проекты, где используется энергия океана. В США во Флоридском проливе близ острова Марафон сооружается станция в 136 МВт для использования энергии течения Гольфстрим, которое перемещает 25 млн. куб.м воды в секунду, что в 20 раз больше суммарного расхода всех рек земного шара. Плотины не будет, станция закрепится якорями на большой глубине. Первая очередь в 30 МВт будет сдана через 2-3 года.

По экономическим показателям океанические станции сопоставимы с речными ГЭС, в 2,5-3,5 раза экономичнее солнечных электростанций, на 10% превосходят атомные и уступают только тепловым станциям, которые, впрочем, не выдерживают конкуренции по экологии.

Термояд

Электростанция на термояде - революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Термоядерный синтез - энергия Солнца и звезд, а также водородная бомба. Водород - самое распространенное вещество во Вселенной. Земле хватает одной миллиардной части солнечной энергии, что толкнуло Маяковского назвать наше светило дармоедом.

Фактически это производство энергии из воды. Серьезные специалисты, даже "Гринпис", считают, что термояд способен решить энергетические проблемы человечества, - говорит академик Евгений Велихов, руководитель международного проекта по строительству термоядерного реактора ИТЭР. - В отличие от угля и газа, термояд неисчерпаем. В отличие от атомной энергии, экологически безопасен. В отличие от нетрадиционных источников, экономически эффективен.

В 1950-х годах в СССР Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили принципиально новую идею, которая воплотилась в легендарные токамаки. Токамак - магнитные камеры в форме бублика, которые удерживают раскаленную до нескольких сотен миллионов градусов плазму. В 1956 году в Англии Игорь Курчатов объявил о начале термоядерных исследований в СССР. Сейчас ведущие страны продвигают проект ИТЭР, который начинался с саммита Горбачева и Рейгана в Женеве в 1986 году. Россия вносит в ИТЭР10% от стоимости проекта в $13 млрд. Уже выбрана площадка в ядерном центре Кадараш во Франции для сооружения экспериментального реактора. В термоядерном реакторе будет поддерживаться температура в 150 млн. градусов (температура в центре Солнца 20 млн. градусов). На единицу термоядерного топлива вырабатывается в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании органического топлива, и в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана в реакторах АЭС.

Количество комплектующих у реактора в 100 раз больше, чем у Боинга-747. На покорение термояда уйдет не менее 50 лет, и тогда особых энергетических проблем у человечества не будет. Но это в том случае, если получится, ведь наука нередко дает отрицательный результат.

Растения

Спирт, что известно каждому взрослому человеку, является самым мощным энергетическим напитком. Но его можно вливать не в рот, а в мотор, снижая нагрузку на экологию. Кстати, первый двигатель Дизеля в XIX веке работал на арахисовом масле. В США и Европе отпускаются крупные субсидии на производство биотоплива из растительного сырья, которое пока много дороже бензина. 10% биоэтанола, добавленного в бензин, снижают выбросы на 30-50%. Переходу на биоэтанол способствуют акцизные и законодательные меры. В Швеции принята программа полного перевода транспорта к 2020 году на биоэтанол и природный газ. В Бразилии весь бензин продается с добавлением этанола. К 2010 году спрос на биотопливо в Европе вырастет в 3 раза. В США на топливный спирт уходит 14% урожая кукурузы. Получать биотопливо можно из сахарного тростника, кукурузы, рапса и подсолнечника, даже из отходов производства сыра и, уж совсем мечта, куриного помета на птицефермах. Такое топливо используется на станции в английском городе Тэтфорд.

В России уникальные технологии по выращиванию бензина предложили академики Николай Платэ и Илья Моисеев. Но биоэтанол, как технический спирт, по нашим законам получит не субсидии, а попадет под повышенные акцизы. К тому же местный колорит в том, что метиловый спирт, необходимый для производства топлива, смертельно опасен для столь часто необузданного в напитках населения. Впрочем, идея круговорота дерьма в природе занимала даже такого примечательного человека, как солдат Иван Чонкин...

Биотопливо

Недалек тот день, когда мы перестанем заправлять автомобили привычным топливом

В последние месяцы цены на нефть неуклонно били рекорды. На международном рынке баррель перевалил за $60, даже к $80 подбирался. Эксперты предсказывают, что и бензин у нас в России может подорожать на 20 процентов...

Если так пойдет и дальше, народу впору будет осваивать велосипеды и самокаты. Или искать в качестве энергоносителя что-то другое - например, топливо, которое можно... выращивать. Ничего смешного: ученые считают, что смена основного энергоносителя - дело ближайших 20-30 лет.

США, страны Европы и Азии всерьез вкладываются в развитие новой энергетики и выплачивают баснословные гранты разработчикам. Многие вспомнили наконец, что даже первый двигатель Рудольфа Дизеля в конце XIX века работал на арахисовом масле (солярку в него начали заливать только после смерти изобретателя)...

Россия, так вышло, пока выпала из этого процесса. А этого самого альтернативного топлива у нас кругом - объешься. Вот, скажем, рапс. У нас его называют китайской капустой. С капустой он в самом деле в дальнем родстве. Но для садовода-любителя - сорняк сорняком. Хотя китайцы его жарят и добавляют в суп. Корень однолетнего травянистого растения напоминает морковку, цветы дают семечки наподобие подсолнуха.

В XIX веке рапсовым маслом заправляли фонари, и именно рапс сейчас - надежда альтернативной энергетики. Семечки рапса собирают, отжимают масло, из которого и делают так называемый биодизель. Правда, использовать его пока можно только на дизельных двигателях.

"Это топливо может делать любой фермер в своем сарае, - рассказал "Неделе" гендиректор компании ООО "Укргазбиодизель" Петр Дудник. - Ничего сложного. Рапсовое масло вместе с метанолом и щелочью варят при высокой температуре. На дно оседает глицерин, который можно применять в медицине, а верхняя часть и есть биотопливо. Сейчас на многих заправках Германии биотопливо продается наряду с обычным бензином. Рапсовое масло здесь стали даже закупать за рубежом. Разработаны и специальные стандарты - к примеру, для биодизеля разрешено применять только рафинированное, то есть очищенное, масло.

Страны, зависимые от поставок нефти, первыми кинулись искать преимущества нового вида топлива. Основой биотоплива может ведь стать не только рапс, но и любое растительное масло. Что касается дизельных двигателей, тот в них можно заливать даже масло из магазина. В этом случае, правда, риск для двигателя весьма серьезный.

Но кроме масла в ход идут любые отходы. Бытовой мусор, опилки, древесина, даже навоз. Все они при сгорании дают метан. В Америке, говорят, топливо где-то научились получать из отходов индюшачьей фермы.

"Самый экзотический способ получения топлива придумал один датчанин, - поделился с "Неделей" академик РАЕН Михаил Голицын. - Он заправлял свой автомобиль маслом, на котором жарили картошку в ресторанах. На кухне такие отходы никому не нужны, и автолюбителю их отдавали за бесценок".

Вовсю ведутся и разработки биоэтанола - топлива, которое получают из спирта. Именно он в будущем может стать реальным конкурентом бензину.

В Бразилии уже давно используют в качестве топлива этиловый спирт, который получают из сахарного тростника и кукурузы. В Европе до этого не дошли, но уже сейчас большую часть всего этанола используют в качестве добавки к дизтопливу: лишь 15 процентов идет на алкоголь.

В Малайзии в ближайшие годы должны построить 52 завода по производству биодизеля из пальмового масла. В конце 2007 года в порту Роттердама заработает голландско-швейцарский биодизельный завод. Венгрия вложит больше 5 млрд евро в строительство биотопливной энергостанции в городе Татабанья. Она станет первой из восьми планируемых станций.

В США почти на тысяче энергетических объектов в качестве топлива используют древесину. Сырье выращивают на плантациях "супердеревьев" - неких гибридов тополя и ивы, которые вырастают в год на пять метров.

Постепенно на альтернативную энергию переходит и Англия - там топливом служит солома или подстилка для домашней птицы. В городе Тэтфорд стоит крупнейшая на сегодняшний день электростанция, на которой в качестве топлива используют отходы птицеферм.

"В Индии электроэнергию получают из специальных овощных и фруктовых биобактерий, - рассказывает академик Голицын. - К примеру, батарейка из капусты дает ток до 0,7 ватт, морковная - 0,6 ватт, а банановая - 1,3 ватт".Этой осенью на юге Японии планируют построить завод, который будет "переваривать" съестные остатки из ресторанов, школ, больниц и супермаркетов. Биотопливом на свой страх и риск заправят автомобили руководства города Китакьюшу-Сити.

Нужен ли рапс россиянам?

По мнению многих экспертов, биотопливо значительно потеснит дизтопливо и бензин в ближайшие 20-30 лет. Канада, Германия и Китай уже не первый год пестрят желтыми коврами из рапса.

Через четыре года на мировых трассах должны появиться 2 млн автомобилей, работающих исключительно на биодизеле. Два мировых концерна - "Мерседес" и БМВ уже согласились на выпуск модернизированных авто. А к 2020 году, согласно резолюции ООН, такие машины составят 23% от всего автопарка.

"Запасов биомассы хватит на столетия, - уверен Михаил Голицын. - Все страны движутся в одном направлении, пытаются заменить нефть, и только мы все ковыряемся на одном месте".

Действительно, в России на биотопливо серьезного внимания пока никто не обратил. Еще бы: мы нефтяная держава и топлива нам хватит. У нас сейчас нет ни одной станции, которая производит биотопливо. Да, мы выращиваем рапс, но, получив из него масло, большую часть продаем за границу, а остатки выставляем на полки продуктовых магазинов.

Однако уже скоро нефть может стать просто нерентабельной. Пока биодизель с точки зрения цены действительно проигрывает привычным видам топлива. Тонна импортного биодизеля будет стоить около $1000, в то время как такое же количество традиционного дизтоплива обойдется примерно в $600. Но если нефть и дальше будет дорожать, все может измениться.

По мнению специалистов, российский биодизель может быть значительно дешевле уже сейчас. Если выращивать рапс у себя, самим получать биотопливо, то, учитывая все издержки, литр биодизеля стоил бы около 59 евроцентов. То есть уже дешевле бензина.

Ученые подвергли сомнению безопасность биотоплива

По данным американских исследователей, больший ущерб экологии и здоровью человека наносит биоэтанол на основе кукурузы.

Некоторые виды биотоплива, и прежде всего биоэтанол, полученный на основе кукурузы, вызывают еще больше проблем со здоровьем, чем бензин и дизельное топливо. Ученые настаивают на том, что широкомасштабному внедрению биотоплива должно предшествовать всестороннее изучение его воздействия на окружающую среду.

Биологическое топливо считается более экологичным, поскольку снижает количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа. В остальном же вопрос о его воздействии на окружающую среду остается открытым. Специалисты из Университета Миннесоты проанализировали влияние биотоплива на здоровье человека - и пришли к неутешительным выводам.

Если традиционные виды топлива негативно влияют на здоровье человека в процессе использования (читай: при сжигании), то в случае с биотопливом это происходит на этапе производства. При выращивании органического сырья (например, кукурузы) используются азотные удобрения, выделяющие в атмосферу заряженные частички аммиака, на которые налипает мелкодисперсная пыль, образуя сгустки до 2,5 микрона в диаметре. С попутным ветром эти комочки переносятся в густонаселенные районы, где вызывают различные заболевания дыхательной системы человека.

Существуют и другие негативные побочные эффекты от производства биотоплива, например, вырубка лесов для освобождения площадей под посевы сырья или отвлечение рабочей силы, которая иначе могла использоваться в других отраслях экономики.

В качестве менее вредной альтернативы ученые предлагают так называемый целлюлозный этанол. Его можно производить из растений, которые не требовательны к качеству земли и не требуют удобрений, поясняет The Guardian. Об этом сообщает Inopressa.ru со ссылкой на The Guardian и Proceedings of the National Academy of Sciences.

Биоэтанол (bioethanol) - этанол, изготовляемый из биомассы и/или биологически разлагаемых компонентов отходов и используемый в качестве биотоплива. В качестве сырья для производства биоэтанола в мире используются различные сельскохозяйственные культуры: сахарный тростник (Бразилия), кукуруза (США), другие зерновые (Европа). Биотопливо "второго поколения" подразумевает выпуск топлива из древесных отходов. Этанол применяется в качестве самостоятельного топлива для автотранспортных средств; в форме добавки к бензинам (смесевое топливо); для производства присадки к бензину ЭТБЭ (этил-трет-бутиловый эфир). В 2010 году в Бразилии была запущена первая крупная ТЭЦ, способная работать на биоэтаноле, что означает создание нового емкого рынка сбыта.

Биодизель (дизельное биотопливо, biodiesel, Fatty Acid Methyl Ester, FAME) - сложный метиловый эфир с характеристиками дизельного топлива, производимый из масла растительного или животного происхождения. Биодизель выпускают преимущественно из масел масленичных сельскохозяйственных культур: рапса, подсолнечника, пальмового масла, ятрофы. В последние годы разработки ведутся в области создания биодизеля из водорослей (биотопливо "третьего поколения"). Биодизель смешивается в различных пропорциях с дизельным топливом.

Добавка биотоплива к традиционным видам моторного топлива повышает экологические характеристики выхлопа двигателя. Внедрение биотоплива позволяет странам с незначительными запасами ископаемых энергоресурсов снизить свою экономическую и политическую зависимость от импортных поставок топлива.

Себестоимость производства биоэтанола и биодизеля в большинстве стран мира выше, чем себестоимость нефтепродуктов (в том числе импортируемых), а рентабельность биотопливного бизнеса уступает рентабельности переработки нефти. В последние годы усиливается общественное недовольство отраслью выпуска биотоплива по причине роста цен на сельскохозяйственные культуры. Указанные причины делают развитие биотопливного рынка (сегменты производства и потребления) экономически нецелесообразным без должного уровня государственной поддержки, которая реализуется в форме директивных или поощрительных мер.

В России, несмотря на высокий сырьевой потенциал и продолжительную историю инвестиционного интереса к созданию производств биотоплива, какая-либо государственная поддержка рынка отсутствует. Из-за высоких цен на сырье для производства биодизеля (рапс, подсолнечник) и недифференцированного подхода к установлению акцизов на биоэтанол (топливный этанол приравнивается к пищевому спирту) конечная цена биотоплива в России для потребителей в 1.5-2 раза выше цен на бензин и дизельное топливо.

Тем не менее в 2009-2010 гг. был озвучен ряд новых проектов создания биотопливных производств (в том числе в рамках крупных сельскохозяйственных и животноводческих комплексов) на территории России, реализация которых откладывается в ожидании государственных инициатив.

Биоэтанол -- обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % -- на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США -- из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Федеральное правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон этанола. Бразильский этанол дёшев из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).

Сырьё для производства биоэтанола

Клубни маниока

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы (США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде -- около $35 за баррель нефтяного эквивалента.

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Производство этанола из целлюлозы пока экономически не рентабельно.

Методы производства

Брожение

Известный с давних времён способ получения этанола -- спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C6H12O6 > 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

подготовка и измельчение крахмалистого сырья -- зерна (прежде всего -- ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.

ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем -- глюкамилаза, амилосубтилин.

брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

Гидролизное производство

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Этанол как топливо

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин (это касается только смесей с высоким содержанием этанола, см.ниже "Энергоэффективность этанола"); пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя прекрасно бегают на Е10 (некоторые утверждают что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. машины «Flex-Fuel» (автомобиль с многотопливным двигателем). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор либо Е20 (иногда Е25) под видом обычного бензина, либо «acool» Е100, азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % (по весу) воды). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в «Flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Также все современные поршневые танковые двигатели являются многотопливными. световой энергия ветер биотопливо

Критики производства биоэтанола заявляют, что для производства биоэтанола под плантации тростника часто вырубаются тропические леса. Но природные условия вокруг Амазонки не позволяют выращивать сахарный тростник. Тропические леса вырубаются нелегально. Нелегальные производители древесины вырубают участок леса. После ухода нелегальных дровосеков участок занимают фермеры для выпаса скота. Через 3 -- 4 года выпас скота на этом участке прекращается, а участок занимают фермеры для производства сои и других культур.

Топливные смеси этанола

Е5, Е7, Е10 -- смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.

Е85 -- смесь 85 % этанола и 15 % бензина. Стандартное топливо для т. н. «Flex-Fuel» машин, распространённых, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени -- в других странах. Из-за более низкой энергоплотности продаётся дешевле, чем бензин.

Е95 -- смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95 % этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95 % этаноле -- BEST (BioEthanol for Sustainable Transport).

Е100 -- формально 100 % этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 96,5 % и 3,5 % в объёмных процентах). Путём обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.

Подробно номенклатура смесей этанола и бензина используемых в качестве топлива в разных странах и машинах описана в английской статье Википедии Топливные смеси этанола.

Энергоэффективность этанола

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте[1]. В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь Е30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion.

Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление топлива снизилось на 15 % в сравнении с бензином. Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

Топливный баланс этанола

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс. То есть при производстве этанола энергии тратится больше, чем потом можно получить из этанола[источник не указан 522 дня].

В 2006 г. в своём отчёте Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Существуют различные способы оценки топливного баланса этанола. В некоторых оценках этанол имеет отрицательный энергетический баланс[источник не указан 522 дня], но топливный баланс бензина, всё равно хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8.

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2.

Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями.

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 % содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО -- на 30 %.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

Автомобили, использующие биоэтанол в качестве топлива

«Микроджоуль»

Koenigsegg CCXR

en:Saab Aero-X

Saab 9-3 (в комплектации с двигателем BioPower)

Ford Focus и Ford C-MAX Flexifuel

В начале 2007 г. 15 % автомобилей в Бразилии имели flex-fuel двигатели. К 2015 году доля таких автомобилей может вырасти до 70 %.

В 2007 году в Бразилии было продано 2 миллиона новых биотопливных автомобилей, что составляет 85,6 % от рынка новых автомобилей Бразилии. За 2003 год в Бразилии было продано 48 тыс. биотопливных автомобилей, что составляло 4 % автомобильного рынка.

Последнее время широкое распространение получили двигатели «Flexifuel» от компании «Ford». В 2007 году в Европе было продано около 17500 автомобилей Flexifuel.

Биоэтанол: обзор мирового и российского рынков

Можно выделить следующие преимущества биоэтанола перед нефтью:

является экологически чистым продуктом, не загрязняет окружающую среду, а также при его сгорании отсутствует нагревание атмосферы (т.е. исключается возникновение парникового эффекта);

нефть -- исчерпаемый, а биоэтанол - возобновляемый ресурс;

производство биоэтанола -- безотходное;

растительным топливом можно замещать экологически вредные добавки в бензин, при этом добавление одной части этанола в бензин ведет к экономии трех частей нефти.

Сырье. Биоэтанол получают из различного зерна: пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, отходов целлюлозы, обычных опилок, стеблей пшеницы - из всего, где есть крахмал. Главный критерий выбора сырья для завода - его доступность и наличие для переработки круглый год.

Так как стоимость сырья составляет 70 - 80% себестоимости биоэтанола, площадку для завода надо располагать недалеко от источников сырья.

При планировании завода биоэтанола, следует учитывать, что продажа дополнительных продуктов производства (протеина, дрожжей,зерна, СО2) - важная составляющая для увеличения прибыльности завода, работающего на пшенице, ржи, ячмене.

Углекислого газа (СО2) образуется почти столько же по весу, сколько производится этанола, но продать его трудно (цена СО2 в США около $6 за тонну), поэтому компании строят заводы по переработке СО2 рядом с заводом биоэтанола и покупают СО2 по низкой цене.

Сейчас исследования направлены на получение биотоплива второго поколения. Если биотопливо первого поколения - это этанол, для производства которого используются сахарный тростник или рапс Европе. Для биотоплива второго поколения в качестве исходного сырья применяются древесина, растения и древесные отходы, хотя технологическая схема его производства допускает и использование угля и газа.

Использование биоэтанола. Существует несколько вариантов использования биоэтанола: он хорошо смешивается с соляркой, бензином и другим топливом.

Первичное добавление биоэтанола (10 - 30%) в топливо повышает качество топлива в 2.5 - 3 раза, уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу до 70%.

Можно выделить следующие виды топлива, при производстве которого используется биоэтанол:

Производители американских автомобилей настоятельно рекомендуют использовать топливо Е-10, содержащее 10% биоэтанола. Существуют также марки Е-5 и Е-7 (содержание этанола в бензине 5% и 7% соответственно), при этом конструкцию двигателя можно не менять. Марки Е-5, Е-7, Е-10 используются в таких странах, как Дания, Австралия, Таиланд, однако Е-10 имеет более широкий спектр применения.

Е-15 содержит 15% этанола и 85% бензина - состав, при котором еще не требуется изменений в конструкции двигателя.

Е-20 (20% этанола, 80% бензина) - топливо требует изменения конструкции двигателя. Такие двигатели работают на смеси этанола с бензином с процентной долей этанола от 20 - 85%. Е-20 еще не нашел широкого применения в Австралии и Америке. В Америке его планируют пустить в продажу с 2013г.

85% биоэтанола и 15% бензина (Е-85). На современном топливном рынке Е-85 становится наиболее популярным видом топлива. Уже произведено 10 млн. двигателей, работающих на любом соотношении биоэтанола и бензина.

В чистом виде использование биоэтанола в качестве топлива для автомобильных двигателей пока нецелесообразно по экономическим и техническим причинам, но есть исключения - в Бразилии и Аргентине автомобили эксплуатируются почти на чистом спирте (добавляется 4% воды). Однако у такого топлива есть недостаток: при температуре ниже +15 °C мотор не заводится. Но разработчики нашли выход из положения: они используют небольшую емкость бензина только для зажигания, а затем двигатель переходит на чистый этанол.

Ситуация за рубежом

Резкий рост цен на нефть в последние годы оживил биоэтанольный сектор Бразилии. Из общемирового производства топливного этанола 26,9 млн. тонн в 2005 году, на долю Бразилии приходится 12,9 млн. тонн (первое место). На втором месте находится США - 11,8 млн. тонн. Все остальные производители выпустили лишь 2,2 млн. тонн.

Законодательством Аргентины определено, что обязательная норма содержания биоэтанола в бензине и дизельном топливе в 2010г. должна быть не менее 5%. Также правительство Аргентины ввело налоговые льготы для национальных производителей и продавцов биотоплива.

В январе 2006г. Англия начала строительство завода по производству биоэтанола. Производимый на данном предприятии биоэтанол станет эффективной добавкой к моторным бензинам, что поможет решить проблему выполнения директивы ЕС об использовании к 2010г. 5% компонентов топлива на основе возобновляемого сырья во всех видах моторного топлива для автодорожных транспортных средств.

Правительство Франции представляет налоговые льготы при производстве биотоплива. В самое ближайшее время правительство планирует повысить содержание биоэтанола в топливе с 5 - 10%.

В июне 2006 г. в стране начался эксперимент по эксплуатации 7 машин, построенных компанией Ford, которые могут использовать разные типы топлива, а содержание биоэтанола в используемом горючем может достигать 85%. Эксперимент продлится 3 года.

Ожидается, что в Нидерландах к концу 2008г. начнет работу завод по производству биоэтанола. Его мощность составит 200 млн. литров в год. Для постройки завода необходимо 150 млн.€. Компания предполагает, что активное участие в финансировании проекта примет правительство, которое уже выделило 60 млн.€ на развитие в стране инновационных технологий производства биотоплива.

Германия и Австрия не имеют ограничений на производство биотоплива. Правительство Германии решило продлить действие закона, освобождающего биотопливо от налогов. В Австрии фермеры получают деньги за то, что выращивают энергетические культуры. В Испании принят декрет, обеспечивающий уменьшение акцизных сборов на производство биотоплива.

Италия производит биотопливо с 1991г. Страна имеет квоту 320 000тонн (2001г.). Кроме того, чем топливо больше содержит биокомпонентов, тем ниже на него акцизы.

Казахстан - первый производитель биоэтанола на территории СНГ. Один завод был запущен в августе 2006г. Мощностью 57 000 тонн биоэтанола в год, пшеницы требуется 220 000 тонн. Для обеспечения завода сырьем компания пробрела 200 000га земли. В ближайшее время компания планирует открыть еще 3 предприятия по производству биоэтанола в Казахстане.

Министр АПК Украины подписал приказ о выделении 15 млн. гривен на модернизацию трех спиртовых заводов. Это составляет 10% от суммы, необходимой для того, чтобы довести содержание этанола в бензине украинского производства до 2%. Оставшуюся часть средств аграрии планируют получить в следующем году.

Цена на биоэтанол составляет около $600 за тонну (для Европы). Сейчас доля биотоплива в США и Европе составляет 4 - 5%.

Но если говорить о Бразилии, то там биотопливо занимает уже примерно 30%. Стремительный рост доли биотоплива связан с высокой ценой на нефть. В Бразилии уже не пользуются спросом обычные машины, а покупаются только flexible fuel vehicles (FFV), автомобили, которые могут ездить на любой смеси этанола и бензина.

Во всех остальных странах эта область еще не разработана до конца, хотя в Америке примерно половина бензина продается с добавкой 10% биоэтанола.

Российский рынок биоэтанола. В России пока нет ни одного биотопливного производства, но планируется открыть крупное производство в Татарстане и несколько более мелких в ряде регионов (в Омске, Томске, Волгоградской, Липецкой, Пензенской, Ростовской и некоторых других областях). Сейчас уже начато строительство некоторых таких заводов.

ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова» предлагает комплекс услуг для предприятий по производству биоэтанола.

Сроки окупаемости производства должны составить, по оценкам специалистов, 4.5 - 7 лет, в зависимости от мощности заводов. Объем инвестиций в заводы мощностью 250 -1000 тонн составит €100 - 130млн. Строительство таких заводов займет от 1.5 - 2 лет. Планируется также строительство маломощных заводов 15000 тонн в год.

Эксперты прогнозируют наибольший спрос на биоэтанол за рубежом, где приняты законы об обязательных биодобавках в традиционное топливо, где на сегодняшний день действуют льготы на ввозимый биоэтанол, что позволит производству данного продукта в России стать экономически эффективным. Таким образом, первая стадия производства биоэтанола - это его экспорт на Запад, в Японию. Однако изменение акцизов сделает внутренний рынок гораздо более выгодным.

На сегодняшний день, биоэтанол рассматривается в системе налогообложения РФ не как компонент моторного топлива, а как спиртосодержащий продукт, облагаемый непомерно высоким акцизом, что делает производство этого вида топлива на внутреннем рынке не рентабельным. Отмена акциза на биоэтанол -- первый шаг, необходимый для развития производства топливного биоэтанола в России.

Следующим этапом государственной поддержки может стать стимулирование производства бензина с улучшенными характеристиками, т.к. даже использование биоэтанола в смеси с обычным топливом, способствует улучшению экологических характеристик последнего. Если бы на государственном уровне было принято решение: 5% в составе моторного топлива должны занимать биоэтанол или биодизель отечественного производства, то с/х получило бы огромный заказ, который с лихвой бы компенсировал потери сельхозтоваропроизводителей от роста цен на нефтепродукты, и позволил бы гарантировано получать высокую прибыль.

В то же время можно выделить ряд недостатков, которые не будут способствовать развитию рынка биоэтанола в России:

повышение цен на зерно, кукурузу, в связи с возрастающим спросом на биотопливо, снижает рентабельность животноводства;

спирт расслаивается при низких температурах (что не вполне подходит для нашего северного климата);

высокие цены на зерно и возможная его нехватка;

необходимость обеспечения автозаправок установками для смешивания бензина и биоэтанола;

невысокий спрос на топливо с улучшенными характеристиками, что связано с неготовностью к его использованию российской автомобильной промышленностью;

технические недостатки биоэтанола - в нем в 1 литре содержится на 37% меньше энергии, чем в 1 литре бензина.

Размещено на Allbest.ru