Перспективы производства биотоплива в мире

Когда мы говорим о биотопливе как о новом продукте сельского хозяйства, то в первую очередь ориентируемся на сельскохозяйственные культуры. Однако в последние годы научные исследования направлены на поиск альтернативных энергетических культур, потенциально пригодных для получения биотоплива, и разработку новых, ресурсосберегающих технологий их переработки.

В качестве одного из перспективных видов сырья в настоящее время рассматривают целлюлозу. В США этому направлению производства биотоплива придают большое значение: разрабатываются целевые государственные программы, выделяются крупные финансовые средства. В рамкaх Закона о развитии исследований в сфере производства топлива из биомассы (Biomass Research and Development Act) на 10 лет выделяется 150 млн. долл. на конкурсные гранты для исследований в области производства этанола из целлюлозы. В проекте Сельскохозяйственного закона 2007 г. для развития производства биотоплива предлагается создать специальное направление под названием Исследование сельскохозяйственной биоэнергетики и производства биопродуктов (Agricultural Bioenergy and Biobased Products Research Initiative). В рамках этого направления предполагается выделить около 500 млн. долл. на 10 лет для финансирования НИОКР для повышения эффективности производства топлива из биомассы.

Более того, для обеспечения производителей этанола достаточным количеством биосырья проект закона предусматривает реализацию специальной Программы производства бионергии из целлюлозы (Cellulosic Bioneregy Program). На эту программу предполагается выделить 100 млн. долл., которые будут направлены на компенсацию части затрат производителей этанола на закупку биомассы. Дополнительно в проекте закона предлагается реализовать Программу резервного фонда биомассы (Biomass Reserve Program), которая будет осуществляться в рамках Программы консервации земель (Conservation Reserve Program). Программа резервного фонда устанавливает экологические требования к условиям выращивания биомассы для биотоплива. Возмещению подлежат только потери в доходах или издержки, связанные с выполнением этих экологических ограничений.

И, наконец, последнее предложение в проекте закона предусматривает программу государственных гарантий при кредитовании строительства заводов по производству этанола из целлюлозы.

В настоящее время кукурузные стебли рассматривают как наиболее перспективное сырье для производства этанола из целлюлозы. В США в 2005 г. кукурузу выращивали на 33 млн. га при средней урожайности зерна 9,3 т/га и 7 т/га сухой растительной массы. Производство составило около 230 млн. т. Правда, следуя почвозащитным технологиям, не вся растительная масса должна убираться с поля. Полное удаление пожнивных остатков приводит к снижению содержания питательных элементов и влаги в почве.

Помимо стеблей кукурузы для получения биотоплива пригодна солома пшеницы, ячменя, овса и даже пожнивные остатки соевых бобов.

Сегодня существуют два основных показателя оценки сельскохозяйственных культур с точки зрения эффективности их производства для получения биотоплива. Это, прежде всего, количество биотоплива, производимого из сырья, собранного с единицы земельной площади, и чистый выход энергии после вычета затрат на производство самой культуры и на переработку в биотопливо (его чаще именуют «коэффициентом энергетической эффективности»).

В результаты проведенных исследований было установлено, что наиболее высокий выход конечной продукции с единицы площади наблюдается во Франции, где с 1 га сахарной свеклы получили 5,3 т. этанола. В Бразилии с 1 га сахарного тростника получили около 5 т., в США с 1 га кукурузы – 2,6 т. Что касается биодизеля, то наиболее эффективно производство биодизеля из пальмового масла – 4,2 т. с 1 га масличной пальмы. Выход биодизеля с 1 га кокосовой пальмы составляет 1,9 т., рапса – 0,8 т. Самый низкий показатель у сои – 0,5 т/га, но в данном случае большую роль в оценке эффективности производства культуры играет высокое содержание белка в соевых бобах.

А вот по коэффициенту энергетической эффективности, или чистому выходу энергии, лидирует Бразилия, где на единицу энергии, истраченной на выращивание сахарного тростника и последующее производство этанола, получают 8 единиц дополнительной энергии. При этом масса, оставшаяся после отделения сахарного сиропа, сжигается на спиртовых заводах для получения тепла, необходимого для производственного процесса. Это и объясняет самую низкую себестоимость производства бразильского этанола – 16 центов за 1 л.

Этанол, полученный во Франции из сахарной свеклы, позволяет дополнительно получить только 2 единицы на каждую единицу затраченной энергии, из кукурузы в США – лишь 1,5 ед. По некоторым оценкам, этот показатель в США искусственно завышен, а производство этанола и биодизеля выгодно только потому, что в стране субсидируется не только производство кукурузы и сои, но и биотоплива.

Другим негативным фактором, ставящим под сомнение энергетическую эффективность кукурузы, является использование большого количества азотных удобрений при ее выращивании. Известно, что изготовление азотных удобрений требует больших энергетических затрат и вызывает эмиссию большого количества углерода в атмосферу.

Таким образом, сахарный тростник является наиболее экономически выгодной культурой для производства этанола. На втором месте стоит кукуруза.

Многие свойства, которые необходимы для выращивания культур на биомассу, характерны для некоторых видов сорных трав, особенно многолетних. Правда, использование этих растений для производства биомассы возможно только в том случае, если можно предотвратить их распространение на посевы других культур. Некоторые высокопродуктивные многолетние травы, такие как слоновья трава, уже давно изучаются в Европе, но пока нет подтверждения тому, что они не засорят соседние посевы.

За последние годы в США была проведена оценка многолетних трав в качестве сырья для производства биотоплива. Среди них люцерна, бермудская трава, слоновья трава, пeннисетум красный, канареечник трубковидный и просо прутьевидное. Хотя ни одно из этих растений не может претендовать на роль универсального биоэнергетического сырья, каждое имеет потенциальную возможность для выращивания в определенных регионах при соблюдении специальной агротехники.

Министерство энергетики США (USDOE) после проведения сравнительного анализа нескольких видов растений определило просо прутьевидное как модельный источник биоэнергии среди травянистых многолетних растений²¹. Об этом даже было упомянуто президентом Дж. Бушем 31 января 2006 г. в ежегодном послании (State of the Union Address).

Для производства биодизеля в качестве альтернативного источника сырья могут использоваться некоторые растения семейства крестоцветных. Растения из этого семейства имеют ряд преимуществ по сравнению с соевыми бобами, включая более высокое содержание масла и приспособленность к более жестким климатическим условиям. Содержание масла в соевых бобах составляет около 20%, а в альтернативных масличных культурах, таких как рапс, катран и рыжик, оно достигает 30-40%.

Некоторые виды крестоцветных (например, катран абиссинский, лекерелла) выращивают только для промышленных целей (для производства смазочных материалов и пластификаторов), они не конкурируют с продовольственными масличными культурами. Примечательно, что себестоимость выращивания катрана и рыжика ниже, чем соевых бобов. Более того, генетические модификации этих культур могут позволить существенно поднять урожайность за счет повышения устойчивости к засухе, засолению почв и другим стрессам. Однако селекционная работа по выведению новых сортов на биомассу пока существенных результатов не дала. Новые культуры еще не адаптированы к разнообразным климатическим условиям.

Несмотря на то, что практически из любого растительного масла можно получить биодизель, в некоторых растениях содержатся жирные кислоты с лучшими физическими и химическими характеристиками. Например, масло из бобов клещевины и из лекереллы имеет очень высокое содержание гидроксилированных жирных кислот, поэтому метиловый эфир, полученный из них, обладает более высокими смазочными свойствами, чем метиловый эфир из сои или рапса. Клещевина в свое время выращивалась в США в промышленных масштабах, но сейчас касторовое масло, которое получается из бобов клещевины, импортируется.